Универсальный самоучитель. Наш мир

      Наша жизнь коротка – почти как у бабочки-однодневки:  только оглядишься – и уже пора на кладбище. Кое-что мы успеваем понять, и большинству этого вполне хватает. А что делать тем, кто хочет знать больше?
      Для таких вот любознательных я составил этот «Самоучитель». Того, что легко найти в Интернете в понятном и систематизированном виде, я касаюсь мельком, а подробнее пишу лишь о тех важных вещах, сведения о которых разбросаны по многочисленным источникам.
      «Самоучитель» состоит из трёх частей:
1. Мир вообще
2. Родословная "человека разумного"
3. Краткая история цивилизаций
      
Итак…

      МИР ВООБЩЕ

      Я уже привык к тому, что ПРОЗА.РУ в заголовках убирает скобки, двоеточия и  и кавычки, а при копировании текста ликвидирует мои абзацы, и их приходится проставлять заново. Тут вам нужно смириться ещё и с отсутствием поясняющих рисунков, а также с тем, что в степенях чисел и химических формулах надстрочные и подстрочные символы приходится указывать в строку. 

      Оглавление:
   «Большой взрыв»
    Откуда взялась материя
    Почему мы существуем
    Что называется жизнью
    Химия наследственности

      «БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ»

      Наш мир (Вселенная, Универсум), как это ни странно, существовал не всегда. Сейчас его возраст оценивают примерно в 14 миллиардов лет.
      До этого не было ничего. То есть вообще НИЧЕГО, в том числе и пустоты.
ВСЁ началось с события, которое условно именуют «Большим взрывом». Условно – потому что обычно взрывается ЧТО-ТО, ГДЕ-ТО и в определённый МОМЕНТ, а ни пространства (в том числе пустого), ни времени тогда не существовало. Взорвалось нечто невообразимое и противоречащее всем физическим законам – без размеров, с бесконечно большой плотностью и температурой. Поскольку физики сами не понимают, что это была за штука, они назвали её КОСМОЛОГИЧЕСКОЙ СИНГУЛЯРНОСТЬЮ. В переводе на общепонятный язык «сингулярность» в как раз и означает «то, чаво на белом свете вообще не может быть» (См. сказку «Про Федота-стрельца, удалого молодца»).
      Свидетелей того уникального теракта по понятным причинам найти не удалось, поэтому учёным пришлось восстанавливать картину последующих событий по сохранившимся следам (а они, как ни странно, сохранились до сих пор) с помощью  математических моделей. Самую раннюю эпоху, до которой физики докопались, они назвали «планковской»; она длилась (если здесь можно употребить это слово) от нуля до 10 в -43-й степени секунды  после «Большого взрыва».
      Тут надо отметить, что у физиков принято самые маленькие единицы измерения, меньше которых в природе нет ничего в принципе, именовать «планковскими» в честь своего коллеги Макса Планка – не потому, что он был такой уж маленький, а в силу причин, которые здесь нет смысла объяснять – вы о них можете прочитать в Википедии. 

      ОТКУДА ВЗЯЛАСЬ МАТЕРИЯ

      Сразу после «Большого взрыва» будущую Вселенную можно было уместить в напёрсток и накрыть листком крыжовника. Там было ужасно тесно и ужасно жарко – примерно 10 в 32-й степени градусов по шкале Кельвина. (Когда у нас воздух прогревается до 35 градусов по Цельсию, по Кельвину это втрое меньше, чем 10 в 3-й степени). Человеческое воображение не в силах нарисовать ничего подобного. Если бы дьявол подыскивал помещение для Ада, ни один риелтор не смог бы предложить ему лучшего варианта.
      Эта жуть, однако, очень быстро распухала и охлаждалась. В ней появились ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ и ФУНДАМЕНТАЛЬНЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. Спрашивать о том, откуда они взялись, считается неприличным.
      Элементарных частиц вкупе с античастицами сейчас насчитывают около 350, но из них считанные являются стабильными (то есть пока по ним чем-нибудь не долбанут, они не распадаются и не превращаются в другие частицы). Есть ещё шесть видов кварков, но о них чуть позже.
      По поводу ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ.
      Люди и животные взаимодействуют друг с другом по-разному – либо обмениваясь  словами, взглядами, жестами, письмами, либо путём телесного контакта (драки, объятия, поцелуи). ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ между частицами и телами всего четыре – «сильное», «слабое», «электромагнитное» и «гравитация», и происходят они не по-людски, а путём обмена другими частицами.
      в «сильном взаимодействии» – глюонами,
      в «слабом» – бозонами,
      в «электромагнитном» – фотонами,
      в «гравитации» – гравитонами.
      Правда, гравитон до сих пор не нашли, но физики верят в него, как христиане в Троицу.
      При этом кое-какая масса есть только у бозонов; у глюонов, фотонов и гравитонов есть определённые свойства (иначе они не были бы особыми частицами), а массы нет. В тех пространственных масштабах, к которым мы привыкли, так не бывает – попробуйте , к примеру,  представить себе блондинку с голубыми глазами и ногами от шеи, но без массы! А в микромире подобным никого не удивишь.
«Сильное» и «слабое» взаимодействия действуют только внутри атомов, зато проявления электромагнетизма и гравитации для нас заметны и ощутимы.
      По мере расширения и остывания Вселенной фундаментальные взаимодействия элементарных частиц привели к образованию МАТЕРИИ. Ещё одна загадка природы: из всей уймы элементарных частиц в МАТЕРИИ используются только три: два вида кварков из шести – «верхний» (u-кварк) и нижний (d-кварк) и электрон. На кой хрен нужны все остальные частицы, наука пока не установила. 
      Так вот, в остывающей Вселенной в результате «сильного взаимодействия» (то есть обмена глюонами) «верхние» («up») и «нижние» («down»)варки стали объединяться в протоны с положительным электрическим зарядом и в электрически нейтральные нейтроны. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон, наоборот, – из двух d-кварков и одного u-кварка. Остальным видам кварков с поэтичными названиями – «странные/strange», «очарованные/сharm», «прелестные/beauty» и «истинные/truth» повезло меньше: образованные ими частицы, существовали лишь доли секунды. Кончилось дело тем, что в свободном, несвязанном состоянии ни кварков, ни глюонов не осталось.
      «Сильное взаимодействие», создавая протоны и нейтроны, на этом не остановилось. Из разного количества протонов и нейтронов оно «склеивало» электрически положительные атомные ядра, вокруг которых в результате электромагнитного взаимодействия (обмена фотонами) возникали облака электрически отрицательных электронов. Так появились атомы, известные нам по таблице Менделеева, то есть собственно МАТЕРИЯ.
      Атомы первоначально были рассеяны в виде газоплазменной космической пыли. Постепенно под влиянием гравитации эта пыль конденсировалась в гигантские сгустки, из которых возникали галактики со звёздами, а вокруг некоторых звёзд – ещё и планетные системы. И всё это, повторюсь, построено всего из трёх видов элементарных частиц – двух кварков и электронов. Из них состоят квазары, звёзды, планеты, кометы и вообще всё, в том числе всё, что  есть на нашей Земле – от камней, травы и микробов до океанов, баобабов, кошек и людей. Даже в самых крупных человеческих экземплярах, таких как Пётр I, генерал де Голль или Ким Чен Ын, нет ничего, кроме этих трёх частиц.
      За последнее столетие специалисты по квантовой механике (КМ) все частицы, сколько их не есть, изучили под микроскопом и вывели для них уравнения, которые в совокупности называются «стандартной моделью». А для Вселенной «по-крупному» – для галактик, звёзд, квазаров и тому подобных «чёрных дыр» уравнения вывел ещё Эйнштейн, назвавший их «общей теорией относительности» (ОТО). Так что Вселенная сейчас описана вся – от малого к большому и от большого к малому. Правда, «стандартная модель» и общая теория относительности ПРОТИВОРЕЧАТ ДРУГ ДРУГУ, но большинство физиков это не очень волнует, поскольку специалисты по КМ и специалисты по ОТО играют на разных полях. Ведь, к примеру, футболистов и шахматистов не смущает, что шахматная лоска квадратная, а футбольное поле продолговатое и не расчерчено на 64 клетки. Однако самые дотошные физики пытаются построить непротиворечивую «Теорию всего» (её ещё называют «Окончательная теория» или «М-теория»), то есть систему уравнений, объединяющую  «стандартную модель» с ОТО и объясняющую, почему существует так много элементарных частиц. В качестве претендента на «Теорию всего» довольно большой популярностью пользуется «теория суперструн». Согласно ей, Вселенная имеет не три, а девять или десять пространственных измерений, просто три из них развернулись, а остальные существуют в свёрнутом виде. Согласно этой теории, в основе микромира лежат мельчайшие туго натянутые струны, а все известные нам элементарные частицы представляют собой разные виды колебаний («моды») этих струн. Теория получается красивая, но пока напоминает приговор, основанный на косвенных уликах.

      ПОЧЕМУ МЫ СУЩЕСТВУЕМ

      В уравнениях ОТО и КМ есть ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ – постоянные величины, численное значение некоторых не зависит от каких-либо внешних параметров и не меняется со временем. Константы так хорошо пригнаны друг к другу, словно наугад брошенные со скалы камешки сами собой сложились в портрет Джоконды. Такое мироустройство кто-то очень удачно назвал «тонкой настройкой» (fine-tuning). Подобной Вселенной вроде и быть не должно, но именно в такой мы с вами существуем. 
      Вот несколько примеров «тонкой настройки».
      1. Теория допускает существование пространств с количеством развёрнутых измерений более трёх. Вообразить их труднее, сем пресловутый квадратный трёхчлен, тем не менее они теоретически допустимы. Для размерности пространства более трёх тяготение не допустило бы существования устойчивых орбит ни для вращения планет вокруг звёзд, ни даже для электронов, размазанных  вокруг атомных ядер. В такой Вселенной материи не было бы вообще – одни элементарные частицы.
      2. Ядро атома водорода состоит либо из одного протона с положительным электрическим зарядом, либо из протона с одним или несколькими электрически нейтральными нейтронами. Свободный нейтрон тяжелее пары «протон+электрон», именно поэтому атом водорода стабилен. Если бы нейтрон был легче хотя бы НА ДЕСЯТУЮ ДОЛЮ ПРОЦЕНТА, атом водорода быстро превращался бы в нейтрон. А если бы масса электрона превышала разность масс нейтрона и протона, то во Вселенной отсутствовал бы водород, следовательно, не было бы ни звёзд, ни тем более жизни.
      3. Для образования связанного состояния двух частиц в нашем трёхмерном пространстве необходимо, чтобы их взаимное притяжение было достаточно сильным. Притяжение между протоном и нейтроном оказывается почти «на грани». Их связанное состояние (дейтрон) существует в дейтерии - изотопе водорода, однако связь эта слаба. В результате реакция горения дейтерия в звёздах идёт очень эффективно. Если бы сила протон-нейтронного взаимодействия была меньше, дейтрон был бы нестабилен, и вся цепочка горения водорода оборвалась. Если бы константа связи была заметно сильнее, то размеры дейтрона были бы меньше, реакция горения шла бы не столь интенсивно. И в том, и в другом случае жизнь на их планетах не успевала быв образоваться.
      4. Если бы плотность вещества в нашей Вселенной хоть чуть-чуть отличалась от существующей, то расширение частей Вселенной друг относительно друга происходило бы слишком быстро и в ней не успели бы образоваться галактики и тем более не возникла  бы жизнь.
      И т. д., и т. п. 
      Объяснений «гонкой настройки»  возможны четыре:
      1. Значения фундаментальных констант всё-таки меняются, хотя и страшно медленно. Мы живём в период, когда они случайно совпали с нашими нуждами. 
      2. Вселенных существует бесконечное множество (Мультиверсум), фундаментальные константы в них разные, и мы живём в той из них, чьи константы позволили развиться материи и жизни.
      3. Значения фундаментальных констант не случайны, константы существуют не изолированно друг от друга, а являются проявлением какой-то общей закономерности, которую мы пока не понимаем.
      4. Вселенная создана каким-то Сверхразумом, который и установил значения констант.
      ***
      «Тонкой настройкой Вселенной» наше везение не ограничивается. Солнце, Земля, жизнь на ней и человечество возникли в результате удивительного ряда дополнительных совпадений.
      Если бы газоплазменное облако, из которого образовалась, в частности, Солнечная система,  двигаясь по спиральному диску галактики Млечный Путь, не испытало бы воздействия взрывов возникших ранее звёзд (так называемых «сверхновых»), оно не было бы «загрязнено» образовавшимися внутри этих звёзд тяжёлыми химическими элементами и, в свою очередь, не смогло бы сконденсироваться в звёзды и планеты. С другой стороны, если бы взрыв какой-то «сверхновой» произошёл слишком близко, наше родное пылевое облако просто разметало бы, и звёзды с планетами из него тоже не сформировались бы.
      Если бы в этом нашем космическом пылевом облаке оказалось недостаточно водорода, не смогло бы образоваться Солнце.
      Если бы на Земле не оказалось достаточного количества углерода – единственного природного элемента, способного формировать из цепочек атомов молекулы почти неограниченной длины, здесь не возникла бы жизнь.
      Если бы у Земли не оказалось спутника – Луны, вызывающей приливы и отливы, жизнь, зарождающаяся на океанском мелководье, скорее всего тоже не возникла бы.
А если бы примерно 65 миллионов лет назад в Землю не врезался гигантский метеорит, убивший крупных пресмыкающихся, наши маленькие, похожие на сурикатов млекопитающие предки не смогли бы эволюционировать в людей. (Впрочем, в принципе в процессе эволюции могли появиться разумные пресмыкающиеся).
      Всё это означает, что мы появились в результате последовательных главных выигрышей в  нескольких вселенских лотереях. Собственно, в этом нет ничего особенно удивительного: когда лотереи длятся миллиарды лет, а игроков триллионы, кому-то должно повести. В данном случае можно считать, что повезло нам (если, конечно жизнь на Земле вас более-менее  устраивает). В противном случае вы не сидели бы сейчас за компьютером.

      ЧТО НАЗЫВАЕТСЯ ЖИЗНЬЮ
 
      Жизнь основана на нескольких химических элементах.
      Самое распространённое химическое вещество во Вселенной (примерно 75% её массы) – это ВОДОРОД (H), элемент с одним протоном в ядре. Звёзды в основном состоят из водородной плазмы. Поскольку водород охотно формирует связи с большинством неметаллов, большая его часть на Земле существует в молекулярных соединениях, таких как вода и органика.
      УГЛЕРОД (С) с 6 протонами в ядре благодаря способности образовывать полимерные цепочки порождает огромный класс соединений, в том числе углеводороды, белки, липиды (жиры), углеводы и др. Соединения углерода составляют основу земной жизни. По числу атомов в живых клетках доля углерода около 25 %, по массовой доле — около 18 %.
      КИСЛОРОД (O)  с 8 протонами в ядре – самый распространённый в земной коре элемент, где на его долю приходится около 47 % массы (в составе более чем 1500 соединений, главным образом силикатов). Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода – 85,82 % по массе. В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе. Основная часть кислорода на Земле выделяется фитопланктоном Мирового океана. Около 60 % кислорода, используемого живыми существами, расходуется на процессы гниения и разложения. 80 % кислорода, производимого лесами, уходит на гниение и разложение лесной растительности.
      Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле – около 65 %.
      АЗОТ (N) с семью протонами в ядре – четвёртый по распространённости элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода) и один из самых распространённых элементов на Земле. В форме двухатомных молекул N2 составляет большую часть атмосферы Земли – 75,6 % по массе и 78,084 % по объёму. Азот входит в состав белков (16-18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2 %, по массовой доле — около 2,5 % (четвёртое место после водорода, углерода и кислорода).
      ***
      Существует множество определений понятия ЖИЗНИ и гипотез о том, что такое ЖИЗНЬ и как она первоначально возникла. Этим гипотезам посвящено бесчисленное множество текстов. Здесь я приведу только одну цитату из трёхтомника «Биология» (авторы Н. Грин, У. Стаут и Д. Тейлор): «Итак, мы вынуждены признать, что не можем дать строго определения, что же такое жизнь, и не можем сказать, как и когда она возникла».
      Последние десятилетия много пишут об «искусственной жизни». Но под ней подразумеваются всего лишь математические и компьютерные модели отдельных жизненных процессов. Как создать живую материю «с нуля», то есть из материи неживой, пока никто не знает.
      В качестве границы между живой и неживой материей предлагается наличие или отсутствие СИММЕТРИИ В МОЛЕКУЛАХ. Молекулы органических веществ, составляющие основу живой материи, всегда АСИММЕТРИЧНЫ, то есть у каждой из них есть левый и правый варианты пространственной организации. Хотя правые и левые молекулы неразличимы по химическим свойствам, живая материя их не только различает, но и делает выбор. Например, молекулы всех аминокислот в любом живом организме могут быть только левыми, а сахара – только правыми. Данное свойство имеет совершенно фундаментальный характер. Природа отбраковывает и не использует молекулы, не обладающие нужной ей структурой; каким образом это происходит, пока не ясно. Молекулы противоположной симметрии для живой материи – яд. Если бы живое существо оказалось в условиях, когда вся пища была бы составлена из молекул противоположной симметрии, оно погибло бы от голода.
      В неживом веществе правых и левых молекул поровну.
      На каком-то – не ясно, на каком, – уровне организации у живых существ появляются ЭМОЦИИ. Ещё одна цитата: «Хотя мы в состоянии обсуждать эмоции и можем быть абсолютно уверены в том, что понимаем друг друга, когда испытываем, например, страх, учёные до сих пор не смогли выработать достаточно чёткого определения эмоций – такого, которое не содержало бы субъективных понятий и не сводилось бы к перечислению признаков» («Мозг, разум и поведение». Ф. Блум, А. Лейщерсон, Р. Хофстедтер).  По крайней мере у всех высших животных, в том числе у всех млекопитающих  – у собак, кошек, китов, коров, лошадей, свиней и т. п. – эмоции есть, они испытывают удовольствие и страх. Коровы плачут, когда их ведут на убой.   
      Также мы не знаем, на каком уровне организации у живых существ появляется способность испытывать БОЛЬ. Во всяком случае, рецепторы боли есть даже у рыб. Когда крючок раздирает рыбе горло, когда она, задыхаясь, бьётся на берегу или на палубе – ей  больно.
      (Чувствуют ли боль растения, или, например, тараканы, – неизвестно). 
      Теперь вдумайтесь, что представляют собой наши «животноводство», "китобойный промысел" и «рыболовство».
      Человеческому организму требуются животные белки, а люди обладают уникальной способностью «не видеть» того, что может потревожить их спящую совесть. Вряд ли они откажутся от ежедневного массового убийства существ, испытывающих боль и ужас перед смертью, пока не будет налажено в мировом масштабе производство дешёвого искусственного животного белка.
      Но надо хотя бы осознать, что проблема существует.

      ХИМИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

      Даже малые дети знают, что строение организма со всеми его особенностями передаётся по наследству через длиннющие молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), очень плотно упакованные в клеточных ядрах в виде хромосом. 
      Макромолекула ДНК в подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) состоит из двух цепей из повторяющихся блоков – нуклеотидов. Каждый нуклеотид представляет собой цепочку из четырёх видов азотистых оснований: аденин С5H5N5 (A), гуанин C5H5N5O (G), тимин C5H6N2O2 (T) и цитозин C4H5N3O (C). Связи между нуклеотидами образуются за счёт дезоксирибозы C5H10O4, и фосфатной группы.
      Азотистое основание – это молекулы из нескольких атомов углерода и азота, свёрнутые в кольцо или в два кольца (наподобие восьмёрки), с присоединёнными к ним  атомами водорода и кислорода. Азотистые основания с одним кольцом называются пиримидиновыми, а с двумя кольцами – пуриновыми. Цитозин и тимин – пиримидиновые основания, аденин и гуанин – пуриновые. 
      Азотистые основания одной цепи макромолекулы ДНК соединяются с азотистыми основаниями другой её цепи водородными связями. При этом аденин (A) соединяется только с тимином (T), гуанин (G) – только с цитозином (C).
      Последовательность нуклеотидов макромолекулы ДНК, то есть фактически длинная цепь из молекул аденина, гуанина, тимина и цитозина в разнообразных сочетаниях, хранит информацию о структуре различных видов РНК и белков, то есть инструкцию» по «сборке» взрослого организма.
      Почему аппарат наследственности устроен именно таким причудливым образом, а не как-то иначе? Единственный ответ на этот вопрос: «Так произошло в процессе эволюции».
      В 1930-х – 1960-х годах в СССР господствовала так называемая «мичуринская агробиология» Трофима Лысенко, согласно которой никакого "наследственного вещества" нет, а изменение наследственности с приобретением новых свойств в ряде последовательных поколений определяется условиями жизни организмов.  Оказалось, однако, что "наследственное вещество" существует, но под воздействием химических процессов, происходящих в организме (в том числе вызванных изменениями во внешней среде) последовательность молекул азотистых оснований на разных участках ДНК в тех или иных нуклеотидах может меняться, что вызывает изменение в наследственных свойствах. Это называется мутацией.