Эволюционная картина мира (стр. 2 )

В ходе эволюции живых организмов появились специальные половые клетки (гаметы), между которыми и стал осуществляться процесс копуляции, т. е. полного слияния. В процессе эволюции полового размножения возникло разделение на мужские и женские особи, что в первую очередь выразилось в строении гамет. Женские гаметы стали крупными и неподвижными, а мужские – мелкими, снабженными жгутиками и подвижными.

Такие различные по своему строению гаметы свойственны практически всем многоклеточным организмам. Формирование гамет происходит в специальных органах (гонадах). Женские половые клетки (яйца или яйцеклетки) образуются в яичниках, а мужские (сперматозоиды) – в семенниках.

Процесс оплодотворения заключается в слиянии мужских и женских гамет с образованием зиготы. Различают наружное и внутреннее оплодотворение. Первое характерно для водных организмов (например, моллюски, рыбы, водоросли и др.), которые выметывают половые продукты наружу и слияние мужских и женских гамет происходит в водной среде. Внутреннее оплодотворение, при котором половые клетки самца вводятся самке, характерно для сухопутных организмов (высшие растения, насекомые, позвоночные животные).

У некоторых живых организмов встречается особая форма полового размножения – партеногенез (девственное размножение), когда развитие нового организма происходит из неоплодотворенного яйца. Возникающие при этом организмы могут быть гаплоидными (например, трутни у пчел) или диплоидными.

Чередование поколений. Для многих организмов свойственно сочетание разных способов размножения в течение их жизни – полового и одного или нескольких вариантов бесполого. Многие простейшие при благоприятных условиях интенсивно размножаются бесполом путем (делением), затем у них проходит половой процесс (например, конъюгация у инфузорий), вслед за чем возобновляется бесполое размножение. Сходная картина наблюдается и у некоторых многоклеточных животных. Например, гидра летом размножается почкованием, а с наступлением холодов у нее формируются половые клетки, и происходит половое размножение (см. рис. 138 б, в). Из оплодотворенных яиц на следующий год развиваются новые особи.

Существуют многие виды, у которых чередование полового и бесполого размножения, а, соответственно, полового и бесполого поколений носят правильный циклический характер. Жизненный цикл таких видов, начавшись с определенной стадии, проходит через несколько поколений, и вновь возвращается к исходной стадии. Например, в жизненном цикле многих кишечнополостных имеет место регулярное чередование полипов и медуз (рис. 129). Прикрепившийся к грунту полип размножается почкованием, отделяя подобных себе полипов, но в определенные периоды начинает отпочковывать личинок медуз. Медузы свободно плавают в толще воды и у них формируются гонады, вырабатывающие половые клетки. Оплодотворение наружное и из оплодотворенных яйцеклеток вновь развиваются полипы.

Рис. 129. Жизненный цикл сцифомедуз: 1 – полип; 2 – полип, отпочковывающий личинок медуз; 3 – отпочковывающиеся личинки медуз; 4 – свободно плавающая личинка медузы; 5 – медуза; 6 – яйцо; 7 – личинка полипа

Для многих водорослей и всех высших растений свойственно чередование поколений, при котором половое поколение (гаметофит) гаплоидно, а бесполое (спорофит) диплоидно. Из споры вырастает гаплоидный гаметофит, который продуцирует гаметы. Оплодотворенная яйцеклетка дает начало диплоидному спорофиту, при образовании которым спор происходит мейоз и споры, таким образом, оказываются гаплоидными. Цикл замыкается
(рис. 130).

Рис. 130. Жизненный цикл папоротника

У семенных растений гаметофит крайне редуцирован. У цветковых мужской гаметофит представлен пыльцевым зерном, а женский сведен к зародышевому мешку, который находится внутри семяпочки, т. е. окружен со всех сторон тканью спорофита.

Основными способами самовоспроизведения живых существ являются бесполое и половое размножение. При половом размножении формируются гаплоидные клетки (чаще всего специализированные половые клетки – гаметы), в которых редукция числа хромосом происходит благодаря мейозу. Мужские особи производят сперматозоиды, женские – яйца или яйцеклетки. Процесс оплодотворения заключается в слиянии мужских и женских половых клеток, которое сопровождается слиянием их ядер. Образуется диплоидная зигота, в которой половина хромосом происходит от одного родительского организма, а половина – от другого, что обеспечивает комбинативную форму наследственной изменчивости. В жизненных циклах многих живых существ наблюдается чередование полового и бесполого размножения.

Способность биологических систем к воспроизведению на онтогенетическом уровне обеспечена функционированием структур на молекулярно-генетическом уровне и, в свою очередь, является основой устойчивости систем более высокого уровня (экосистем и биосферы в целом). Существование разных способов размножения, разнообразных форм организмов в жизненных циклах направлено на сохранение биоразнообразия в экосистемах, т. е. биосферы в целом.

○ 1. Каково значение процесса самовоспроизведения живых организмов в биосфере?

○ 2. В чем заключается смысл полового размножения? Почему в процессе эволюции он оказался доминирующим?

○ 3. Какова роль бесполого размножения организмов в биосфере?

● 4. Какое значение в жизни целого вида имеет чередование поколений в жизненных циклах?

§ 69. Самоорганизация в развитии организмов

Урок-лекция

Курица – это то, что необходимо

яйцу для производства других яиц.

С. Батлер

Что такое онтогенез? Каковы основные этапы индивидуального развития и их особенности? Как образуются три зародышевых листка? Как осуществляется регуляция онтогенеза?

Онтогенез. Дифференцировка. Дробление. Бластула. Гаструла. Эктодерма. Энтодерма. Мезодерма. Клонирование. Ген. Тератология. Апоптоз.

Размножение и развитие. Основы генетики. Транскрипция и трансляция. (Биология, 9 кл.).

Александр Иванов. Ветка

Из солнечных лучей, из струй весенних ливней
Оно плетет листвы живые кружева,
К покорным небесам все выше, все призывней
Вздымается его могучая глава…

Верхарн. Дерево

Индивидуальное развитие – онтогенез. Всем живым существам свойственен процесс индивидуального развития или онтогенез. У многоклеточных организмов, размножающихся половым путем, под этим подразумевают процесс развития особи, начиная с зиготы и вплоть до ее естественной смерти. На первом этапе благодаря интенсивным митотическим делениям происходит нарастание количества клеток, входящих в состав развивающегося организма. Процесс этот сопровождается дифференцировкой клеток, в результате чего формируются различные ткани и органы взрослого организма. Весь ход онтогенеза базируется на заложенной в хромосомах зиготы «генетической программе», на реализацию которой, особенно на ранних этапах развития, существенное влияние оказывают факторы окружающей среды.

Индивидуальное развитие свойственно и организмам, возникающим в результате бесполого размножения. У одноклеточных протистов образующиеся при делении материнской особи клетки меньше ее по размерам, лишены ряда органелл, которые формируются лишь с течением времени одновременно с увеличением объема цитоплазмы. Достигнув зрелого состояния, эти протисты делятся и дают начало следующему поколению одноклеточных особей. И хотя естественной смерти при этом не происходит, индивидуальным развитием особи можно считать период от одного деления до другого.

У размножающихся бесполым путем многоклеточных организмов онтогенез выражен более отчетливо. У гидры, например, этот процесс разворачивается с момента зарождения почки на материнском организме и до смерти дочерней особи.

Этапы онтогенеза. Онтогенез многоклеточных животных, размножающихся половым путем, отчетливо распадается на последовательные этапы: зигота → эмбриональный период → рождение особи → постэмбриональный период → естественная смерть. Этап эмбрионального развития начинается с дробления зиготы. Это ряд последовательных митотических делений яйцеклетки, в ходе которых она, не увеличиваясь в размерах, разделяется на все более мелкие клетки – бластомеры. В результате возникает бластула. В типичном случае она представляет собой полый шар, стенка которого образована одним слоем клеток (рис. 131, а), а

внутренняя полость заполнена жидкостью. Следующим шагом в эмбриональном развитии является формирование гаструлы. Способы ее образования, так называемая гаструляция, различны. Самые распространенные из них – это миграция некоторых клеток бластулы внутрь (рис.1у1, б), либо же впячивание (инвагинация) клеточного слоя на одном из ее полюсов
(рис. 131, в). В итоге образуется двуслойный зародыш – гаструла, наружный слой которого представляет собой эктодерму, а внутренний – энтодерму.

Рис. 131. Бластула (а) и два способа образования гаструлы (б, в)

У всех животных, за исключением губок и кишечнополостных, в конце гаструляции появляется еще один слой клеток – мезодерма, располагающийся между эктодермой и энтодермой

Образованием трех зародышевых листков (экто-, энто - и мезодермы) завершается этап гаструляции и вслед за ним идет процесс формирования тканей и органов, характерных для данного организма. Еще в конце XIX в. было установлено, что у разных видов животных одни и те же зародышевые листки дают начало одним и тем же тканям и органам. В формировании этих представлений видная роль принадлежит русским ученым Илье Ильичу Мечникову и Александру Онуфриевичу Ковалевскому. Из эктодермы развивается кожный эпителий, вся нервная система и органы чувств; из энто-дермы – пищеварительный тракт и связанные с ним органы (печень, поджелудочная железа), легкие, а из мезодермы – скелет, мышцы, гонады, кровеносная и выделительная системы. Это указывает на единство происхождения животного царства.

В результате эмбрионального развития формируется организм, который способен к самостоятельному существованию. Рождение новой особи происходит или при вылупление из яйца (у яйцекладущих животных), или при выходе из тела матери (у живородящих). С этого момента начинается постэмбриональный период в развитии организма. При прямом развитии (рыбы, рептилии, птицы, млекопитающие и др.) новорожденный организм отличается от взрослого только меньшими размерами и недоразвитой половой системой.

У многих животных (моллюски, насекомые, амфибии и др.) из яйца выходит личинка, которая по своему строению, образу жизни и среде обитания существенно отличается от взрослого животного. Такое развитие называют развитием с метаморфозом. У личинок могут развиваться органы, которые при превращении во взрослую особь утрачиваются (например, хвост и жабры у головастика). Достигнув половозрелого состояния, животные вступают в репродуктивную стадию постэмбрионального онтогенеза, активно участвуют в размножении, обеспечивая тем самым сохранение вида.

Продолжительность жизни особей, по-видимому, генетически запрограммирована. Поэтому, с определенного момента, начинается старение организма, завершающееся его естественной смертью. Процесс старения характеризуется структурно-функциональными изменениями в организме, которые накапливаются с течением времени. В какой-то момент функционирование системы в целом оказывается невозможным и наступает смерть.

Общепринятого объяснения механизмов, лежащих в основе процессов старения, нет. Существуют многочисленные гипотезы, большинство из которых связывают причины старения с возрастными изменениями в генетическом аппарате клеток.

Регуляция онтогенеза. Вопрос о том, как из оплодотворенного яйца вырастает целый организм, волнует людей издавна и до сих пор остается одним из центральных в биологии. Долгое время господствовали взгляды преформизма, согласно которому процесс развития – это просто рост органов организма, уже сформированного (переформированного) в половых клетках (рис. 132).

Рис.132. Иллюстрация взглядов преформистов – фантастическое изображение сперматозоида со сформированным меленьким человечком внутри

В противовес преформизму в середине XVIII в. была предложена теория эпигенеза, в соответствии с которой развитие организма происходит не из преформированных органов, а из просто устроенного зародыша в результате последовательных новообразований. Подойти к решению проблемы регуляции онтогенеза стало возможным лишь с развитием современной экспериментальной биологии и генетики.

Прежде всего, следовало ответить на вопрос, сопровождается ли специализация клеток при развитии организма потерей части генов, содержащихся в зиготе. Мы уже описывали в § 8 эксперименты Гёрдона, в результате которых удалось доказать, что ядра дифференцированных клеток сохраняют в себе информацию об организме в полном объеме. Усовершенствованная методика Гёрдона была использована группой шотландских ученых, которым в 1997 г. удалось вырастить нормально сформированную овцу из яйцеклетки, собственное ядро которой было удалено, а вместо него пересажено ядро, выделенное из соматической клетки (использовались клетки молочной железы) овцы другой породы (рис. 133).

Рис. 133. Принцип получения клона млекопитающих, использованный при выращивании знаменитой овцы Долли

Эти опыты, которые были впоследствии повторены на мышах и других овцах, еще раз убеждают в том, что в ходе нормального развития необратимых модификаций генетического материала не происходит.

Описанные опыты открывают путь для практически неограниченного вегетативного размножения индивидуума, путем пересадки ядер его клеток в яйцеклетки другого организма. В результате одна особь может дать начало огромному числу идентичных потомков – клонов. Процесс этот носит название клонирования. Не вызывает сомнения и принципиальная возможность клонирования человека. В настоящее время работы в этом направлении во многих странах запрещены в законодательном порядке. Однако вопрос о клонировании человека обязательно возникнет.

Если при дифференциации клеток, как правило, не возникает генетических модификаций, то как же осуществляется регуляция онтогенеза? По современным представлениям процесс этот обуславливается дифференциальной активностью генов. Это означает, что в разных бластомерах, а затем в разных клетках развивающегося зародыша активна лишь часть генов. Остальные, хотя и присутствуют, но находятся в «выключенном» состоянии и с них не считывается информация в виде мРНК. В одних клетках функционируют одни гены, в других – другие. В ходе деления этих клеток возникают различным образом дифференцированные клетки, а на их основе строятся ткани и формируются органы.

Молекулярные механизмы, которые регулируют активацию тех или иных генов, сложны и изучены пока еще недостаточно. Известно, что в яйцеклетках, как и в других клетках организма, присутствуют белки, которые могут «открывать» или «запирать» определенные гены. Такой белок взаимодействует с регулируемым им геном и, в зависимости от характера регуляции, либо делает возможным посадку на этот ген РНК-полимеразы и, соответственно, начало транскрипции мРНК (§ 49), либо, наоборот, препятствует этому.

В яйцеклетке различные регуляторные белки концентрируются в разных участках цитоплазмы. Поэтому при дроблении зиготы они не одинаково распределяются между бластомерами. Соответственно, и клетки, которые развиваются из этих бластомеров, будут различаться по своим свойствам. На более поздних этапах развития зародыша проявляются взаимодействия между клетками разных типов и разными частями развивающегося организма за счет выделения клетками особых веществ – индукторов, оказывающих влияние на клетки других типов. На завершающих этапах эмбрионального развития и в течение постэмбрионального периода все большее значение приобретает гормональная регуляция активности генов.

На разных этапах онтогенеза существенное регулирующее влияние на него оказывают факторы внешней среды (температура, гравитация, различные химические и физические агенты). В этих точках зародыш как раз и проходит через бифуркации, поэтому даже воздействие факторов малой интенсивности может сказаться на ходе дальнейшего развития. Значимое влияние окружающей среды на реализацию генетической программы при развитии организма приводит к тому, что даже особи с одинаковым генотипом (например, клоны) не будут все же полностью идентичны друг другу.

В ряде случаев воздействие факторов внешней среды может приводить к аномалиям в развитии организма. Изучением возникающих при этом пороков и уродств, а так же выяснением причин их появления и роли в этом факторов окружающей среды занимается самостоятельный раздел медико-биологических наук – тератология.

Относительно недавно выяснилось, что большинство клеток животных несет в своем генетическом аппарате и программу самоубийства. Такая генетически запрограммированная смерть клеток получила название апоптоз. Активируется программа саморазрушения в том случае, когда данная клетка уже не нужна организму, либо серьезно повреждена.

Апоптоз играет важную роль в развитии организма и регуляции его клеточного состава. Он служит защитным механизмом для удаления отработавших свое или ненужных на данном этапе онтогенеза клеток, а также и потенциально опасных, например, инфицированных вирусами, мутантных или опухолевых клеток. В клетках злокачественных опухолей программа апоптоза может блокироваться. Это одна из причин, по которой они не имеют пределов в своем размножении.

В процессе индивидуального развития (онтогенеза) живые организмы проходят ряд последовательных стадий, начиная с зиготы и заканчивая естественной смертью. При эмбриональном развитии происходит дробление зиготы. Формируется бластула, а затем гаструла. В гаструле представлены два (губки и кишечнополостные) или три (остальные животные) зародышевых листка, из которых у всех животных развиваются одни те же типы тканей и органов. В ходе дифференциации клеток их генетический аппарат сохраняется в полном объеме, что открывает возможности для клонирования. Регуляция онтогенеза основана на дифференциальной активации генов в разных клеточных линиях. Важную регулирующую роль на этапах раннего развития играют факторы внешней среды.

ОБраз Жизни.

К тератогенам, т. е. факторам, которые вызывают пороки и уродства развития организмов, относятся многие химические вещества, с которыми человек соприкасается в повседневной жизни. Среди них алкоголь, никотин, некоторые синтетические вещества и лекарственные препараты. Показано тератогенное действие и различных факторов физической природы – разного рода излучений, ультразвука, вибрации, электромагнитного поля и др. Все это следует помнить семьям, планирующим обзавестись ребенком.

1. ○ В чем состоит биологический смысл процесса онтогенеза?

2. ○ Каково значение развития с метаморфозом?

3. · Какие особенности дифференциации клеток в онтогенезе делают возможным клонирование?

4. Каково может быть воздействие факторов внешней среды на ранние этапы онтогенеза?

§ 70. Рождение Вселенной

Урок-лекция

Из бездны вечности, из глубины Творенья

На жгучие твои вопросы и сомненья

Ты, смертный, требуешь ответа в тот же миг,

И плачешь, и клянешь ты Небо в озлобленьи,

Что не ответствует на твой душевный крик…

А Небо на тебя с улыбкою взирает,

Как на капризного ребенка смотрит мать,

С улыбкой потому, что все, все тайны знает,

И знает, что тебе еще их рано знать.

А. Майков

Стационарна ли Вселенная? С чего все началось? Что первично: элементарная частица или атом? Какими свойствами обладает физический вакуум? Какие наблюдения подтверждают гипотезу Большого взрыва?

Закон Хаббла. Красное смещение в спектрах галактик. Космология. Гипотеза и сценарий Большого взрыва. Физический вакуум. Реликтовое излучение. Происхождение химических элементов.

Электромагнитные волны. Свет – электромагнитная волна. (Физика,
9 кл.). Химический элемент как вид атомов. (Химия, 8 кл.).

Сальвадор Дали. Отче наш

Никто еще не проник в тайну великого начала….

Омар Хайям

Изучив процессы самоорганизации на примере некоторых свойств биологических систем, обращаемся к рассмотрению систем мегамира. Развитие Вселенной как целого изучает космология – наука, которая сейчас активно развивается.

Эффект Доплера и красное смещение. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл, изучая спектры галактик, установил, что линии поглощения в этих спектрах существенно смещены по длине волны в красную сторону (в направлении более длинных волн по сравнению со стандартными лабораторными спектрами). Этот эффект, названный красным смещением в спектрах далеких галактик, объясняется на основании эффекта Доплера как следствие удаления галактик друг от друга.

Эффект Доплера состоит в том, что если источник излучения движется относительно приемника излучения со скоростью u, то вместо излучения на длине волны l0 приемник регистрирует излечение с длиной волны l, так, что выполняется соотношение:

(l-l0) / l0 = u/с,

где u – скорость источника относительно приемника, с – скорость света. Длина волны увеличивается, если источник удаляется от приемника и, соответственно, уменьшается при их сближении.

Хаббл установил, что скорости удаления далеких галактик u пропорциональны расстояниям до них r. Коэффициент пропорциональности был назван впоследствии постоянной Хаббла H, Эта закономерность получила название закона Хаббла:

u = H×r

Обычно космические расстояния измеряют в парсеках (1пк = 3,26 св. г.), мегапарсеках (Мпк), скорость удаления галактики в км/с, тогда H составляет примерно 75 км / с ×Мпк.

Разбегание галактик может быть объяснено расширением всей Вселенной. Таким образом, наблюдения Хаббла впервые установили ее нестационарность.

Незадолго до открытия Хаббла, в 1922 г., российский ученый Александр Фридман, работавший в то время в Ленинграде, теоретически показал невозможность существования стационарной Вселенной и рассчитал возможные варианты ее эволюции, которые сейчас называются моделями Фридмана. Согласно этим моделям, если средняя плотность Вселенной превосходит некоторое критическое значение 10–29 г/см3 , то через некоторое время под действием гравитации начнется обратный процесс – сближения галактик и схлопывания Вселенной, в этом случае кривизна Вселенной положительна, и Вселенная называется закрытой. Если средняя плотность Вселенной меньше критической, то Вселенная имеет отрицательную кривизну, она открыта и ее ожидает бесконечное расширение. И только в случае равенства средней плотности вещества Вселенной критической плотности кривизна ее нулевая, расширение Вселенной через какое-то время замедлится и остановится.

Появились модели Вселенной на основе представлений об антигравитации. Согласно последним наблюдательным данным, суммарная плотность гравитирующей материи, включая скрытую и невидимую материю, составляет примерно 0,3 от критической плотности. Одной из интересных гипотез астрономической науки последних лет стала гипотеза существования физического вакуума, плотность которого составляет около 0,7 от критической плотности. Важнейшим свойством физического вакуума является антигравитация. Заполняя всю Вселенную, физический вакуум заставляет ее не просто расширяться, но расширяться с возрастающей скоростью.

Гипотеза большого взрыва, формирование химических элементов и эволюция Вселенной. Наблюдаемое расширение Вселенной можно трактовать как следствие первоначального большого взрыва, произошедшего в начале времени существования нашей Вселенной. Согласно современным данным, произошло это примерно 14 млрд лет тому назад. В первые мгновения Вселенная была очень горячей и плотной (T>1030 К, ρ > 1093 г/см3 и выше), наполненной излучением и рождающимися и аннигилирующими элементарными частицами и их античастицами. Далее в расширяющейся и остывающей Вселенной остались электроны, ядра атомов водорода, (примерно в четыре раза меньше ядер атомов гелия), а также дейтерия и лития в незначительных количествах. При остывании Вселенной электроны и ядра стали объединяться в атомы (эпоха рекомбинации и отделения излучения от вещества при Т ≈ 4000 К рис. 134). Через миллионы лет в уж холодной разряженной Вселенной начинается формирование галактик из-за гравитационной неустойчивости облаков газа. В галактиках родились звезды первого поколения, в состав которых входили в основном водород и гелий.

Рис. 134. Сценарий Большого взрыва и эволюции Вселенной

В 1965 г. американские радиоастрономы Пензиас и Вильсон обнаружили радиоизлучение Вселенной, достаточно равномерно идущее по всем направлениям, не имеющее источника, с температурой около 2,7 К. Это излучение, названное реликтовым, интерпретируется как остывшее в соответствии с закономерностями расширения Вселенной, наполнявшее горячую Вселенную и впоследствии отделившееся от вещества (прекратившее с ним взаимодействовать) излучение ранней Вселенной. Это открытие явилось экспериментальным подтверждением модели эволюции ранней Вселенной.

Формирование более тяжелых, чем водород и гелий, химических элементов (вплоть до железа) происходит лишь в недрах звезд. Элементы тяжелее железа синтезируются по современным представлениям только при вспышках сверхновых звезд, которые происходят в результате эволюции сверхмассивных звезд. Планетные системы, по-видимому, рождаются вместе с одиночными звездами второго поколения. Возраст нашего Солнца оценивается в 7–10 млрд лет, возраст тел Солнечной системы в 5,5 млрд лет. Солнце –звезда второго поколения.

Таким образом, Вселенная, согласно современным представлениям, не вечна, она эволюционирует. Наблюдается ускоренное расширении Вселенной. Химические элементы синтезировались в ходе эволюции Вселенной и космических объектов, прежде всего, звезд.

○ 1. Почему наблюдаемый в спектрах далеких галактик сдвиг спектральных линий называется красным смещением?

· 2. Какие процессы проходили в ранней Вселенной согласно сценарию Большого взрыва?

○ 3. Каким фридмановским сценариям противоречит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной?

* 4. Какие наблюдательные данные могут свидетельствовать о том, что Солнце – звезда второго поколения?

§ 71. Образование галактик, звезд, планетных систем

Урок-лекция

Открылась бездна звезд полна;

Звездам числа нет, бездне дна;

...Уста премудрых нам гласят:

Там разных множество светов;

Несчетны солнца там горят,

Народы там и круг веков.

Как и когда образовались галактики? Какой механизм ответственен за образование галактик и звезд? Может ли стать звездой Юпитер? Как образуются планетные системы?

Космогония. Гравитационная неустойчивость. Протозвезда. Гидростатическое равновесие. Нормальная звезда. Белый карлик. Сверхновая звезда. Нейтронная звезда. Черная дыра. Планетезимали.

Состав галактик. Расстояние до галактик. Газовые законы (Физика,

7 – 9 кл.).

Евгений Струлёв. Космические сны. Триптих
Но для бездн, где летят метеоры,
Ни большого, ни малого нет,
И равно беспредельны просторы
Для микробов, людей и планет.
В результате их общих усилий
Зажигается пламя Плеяд,
И кометы летят легкокрылей,
И быстрее созвездья летят.

Н. Заболоцкий

Формирование галактик. Проблемой происхождения отдельных небесных тел и их систем занимается область астрономической науки, которая называется космогония. Миллиарды галактик – огромных космических звездных систем массой от 105 до 1014 масс Солнца со средней плотностью вещества в них 10–24 г/см3 – являются основными единицами крупномасштабной структуры Вселенной.

В начале ХХ в. английский астроном сэр Джеймс Джинс предложил модель формирования галактик из облаков газа, связанную с гравитационной неустойчивостью вещества. Согласно этой модели, если в однородном по плотности газе ранней Вселенной случайно обнаружится сгущение, то оно под действием сил гравитации будет сжиматься, обособляться от окружающей среды. Джинс рассчитал, что такое обособление может произойти только в том случае, если размер начальной неоднородности будет больше некоторой величины, которая называется радиусом Джинса rD. Эта величина зависит в первую очередь от плотности среды.

Процессы гравитационного обособления вещества Вселенной стали возможны только после того, как Вселенная в результате расширения охладилась до 4000 К, прошел процесс рекомбинации, вещество стало нейтральным, излучение перестало взаимодействовать с веществом и препятствовать гравитационному сжатию. Это случилось примерно через миллион лет после Большого взрыва. Изучая галактики, находящиеся на разных от нас расстояниях (в миллионы и даже миллиарды световых лет) астрономы фактически имеют возможность исследовать галактики разного возраста. Гравитационное сжатие первоначальной неоднородности происходит до тех пор, пока силы гравитации не компенсируются другими силами – силами давления, центробежными силами, связанными с вращением. При этом галактика стабилизируется. Таким образом, формирование звезд происходит в уже обособленных галактиках.

Образование и эволюция звезд. В первоначально достаточно однородной галактической среде могли образовываться гравитационные неустойчивости: случайно возникшие уплотнения газа массой более 105 масс Солнца под действием гравитации сжимаются и обособляются, распадаются на фрагменты, которые постепенно приобретают сферическую форму. Из них и рождаются звезды. Звезды примерно на 75% состоят из водорода и на 25 % из гелия.

Сначала сжатие возникшей протозвезды происходит изотермически (при постоянной температуре), затем адиабатически (температура газа возрастает). Сжатие продолжается до тех пор, пока возрастающие силы давления, зависящие от температуры и плотности, не уравновесят силы гравитации. В этом случае возникает состояние гидростатического равновесия. Первый этап эволюции звезды зависит от ее массы и может длиться от нескольких сотен тысяч до нескольких сотен миллионов лет.

Если в центре протозвезды температура превысит несколько миллионов Кельвинов и давление – несколько миллиардов атмосфер, что самопроизвольно может случиться только с объектом, массой не меньше 0,01 массы Солнца, в недрах звезды начнутся реакции термоядерного синтеза. Тогда звезду уже можно назвать звездой. Астрономы говорят – нормальной звездой. Этот этап самый длительный, хотя и его длительность зависит от массы звезды. Звезда с солнечной массой проживает этот этап примерно за 10 млрд лет, массивная звезда в 10 масс Солнца – всего за 10 млн лет, зато маломассивные звезды, например, с массой в 0,1 массы Солнца, – долгожители. В принципе они могут оставаться в состоянии равновесия на стадии нормальной звезды сотни миллиардов лет. В ядре звезд идет переработка водорода в гелий и более тяжелые элементы (вплоть до железа в массивных звездах). Когда «горючее» (например, водород) звезды заканчивается, наступают последние стадии эволюции звезды, которые можно сравнить со старением и смертью.

Каково будущее нашего Солнца?

По мере выгорания водорода центральные области звезды сжимаются, здесь формируется горячий плотный (средняя плотность около 109 кг/м3) белый карлик. Оболочка звезды при этом раздувается, и в течение сотен тысяч лет со стороны наше Солнце будет выглядеть красным гигантом, размерами с орбиту Юпитера. Потом оболочка будет сброшена, и маленький, с Землю, белый карлик, медленно остывающий в течение1012 лет – все, что останется от нашего Солнца.

Если масса звезды не превосходит пяти масс Солнца, то она также сначала превратится в красный гигант размерами в несколько десятков радиусов Солнца, а затем сбросит оболочку, которую можно будет наблюдать, как планетарную туманность. Оставшаяся масса звезды, ее центральные зоны, превращается в белый карлик, который светит за счет накопленного тепла, остывает и, в конце концов, превратится в темный, так называемый коричневый карлик.

Массивные звезды на последней стадии своей эволюции становятся экзотическими объектами – нейтронными звездами или черными дырами. Сначала звезды массой больше пяти масс Солнца превращаются в красные сверхгиганты с радиусом в сотни радиусов Солнца, а затем взрываются. Наблюдается так называемая вспышка сверхновой звезды. Звезда начинает светиться как миллиарды отдельных звезд (рис. 135). Повышенная яркость наблюдается десятки дней. При этом температура плазмы звезды при такой вспышке достигает миллиарда Кельвинов. В этом котле синтезируются все химически элементы тяжелее железа. Большая часть вещества звезды разбрасывается в межзвездное пространство, обогащая его тяжелыми химическими элементами. На месте взрыва могут остаться либо нейтронная звезда, если масса остатка не превосходит 2,5 масс Солнца, либо черная дыра, если масса превосходит это значение.

Рис. 135. Крабовидная туманность – остаток вспышки сверхновой звезды

Образование планетных систем. Согласно современным представлениям, рождение Солнца и рождение планет – это единый процесс. Все объекты Солнечной системы сформировались из протосолнечной туманности в результате гравитационной неустойчивости. По одной из гипотез сжатие этой газо-пылевой туманности было стимулировано ударными волнами, возникшими в результате взрыва сверхновой звезды, произошедшего вблизи Солнечной системы. Сжатие центральной части облака привело к образованию Солнца, а на периферии вращающегося и становящегося из-за этого все более плоским облака начали формироваться планеты. При этом строительным материалом планет служили относительно небольшие твердые куски вещества – планетезимали (зародыши планет). Сталкиваясь, многие из них слипались, увеличиваясь в размерах, другие, наоборот, разрушались. Крупные планетезимали притягивали к себе мелкие. В результате примерно за 100 млн лет вокруг Солнца образовались и Земля, и другие планеты, а также их спутники, астероиды, кометы. Газовый, близкий к солнечному, состав планет-гигантов объясняют аккрецией газа, который на окраины Солнечной системы «выдувался» солнечным ветром. Возраст Солнечной системы оценивается примерно в 4,6 млрд лет.

Астрономы обнаруживают планетные системы у других одиночных звезд. Таких планетных систем уже десятки. Не все они похожи на нашу Солнечную систему. У большинства обнаруженных планетных систем большие планеты массой как у Юпитера находятся по непонятным пока причинам вблизи центральной звезды, а не на периферии.