Самоорганизация на материята

Процесът на съмоорганизация е естествен стремеж на материята да се самоструктурира и саморазвива.

Наблюдава се не само в еволюцията на живите системи, но и в по-глобален характер, започвайки от възникването на елементарни частици, атоми и молекули и завършвайки с образуването на гигантски космически системи и галактики, от една страна и от друга страна – от едноклетъчните организми до най-сложната жива структура – мозъка.

Обичайните закони на природата се стремят да създават организация. Тя е възможна благодарение на четирите основни сили във Вселената, а именно гравитация, ядрено, електромагнитно и слабо взаимодействие.

Ще обърна внимание на електромагнитната сила и гравитацията и тяхното съотношение. Електромагнитното привличане държи атома цял, като кара отрицателно заредените електрони да обикалят около ядро с положително заредени протони.

Силата на гравитацията също действа на тези елементарни частици, изграждащи атома, но тя е много по-слаба от електромагнитната сила. Важното в случая отношението на гравитацията към електромагнитната сила. Оказва се, че гравитационната сила е по-слаба от електромагнитната сила едно с тридесет и шест нули.

Това определя факта, че на атомно ниво гравитацията няма голям ефект, но за сметка на това се разпростира на невероятно голяма площ. Затова се усеща в по-голям мащаб. Силата ѝ е винаги положителна. Колкото повече маса има даден обект, толкова е по-голяма неговата гравитация.

Затова когато има големи струпвания на атоми, тяхната маса се сумира и силата на гравитацията расте пропорционално. Именно комбинираната сила на гравитацията на всички атоми на Земята ни държи на повърхността. Всъщност силата на гравитацията определя големината на живите същества на дадена планета. Колкото е по-голяма тя толкова максималният размер ще е по-малък.

Да си представим, че отношението между гравитация и електромагнетизъм е по-малко от това в момента, то тогава силата на гравитацията на Земята ще бъде толкова голяма, че на нея не би могъл да издържи никакъв организъм, по-голям от насекомо.

Според съвременната наука звездите се образуват от силата на привличане на отделните атоми и след сгъстяване на газовете, когато плътността нарасне достатъчно, започва термоядрена реакция. Високата температура от реакцията изхвърля вещество навън, а силата на гравитацията го тласка навътре.

Без необходимия баланс между разширяване и свиване и без нужната маса не би имало звезди в състоянието, което ги познаваме. Ако силата на гравитация е по-малка, то за образуването на звезда ще е необходима милиард пъти по-малко материя от обикновено. Тя би била по-малка и освен това ще свърши ядреното си гориво по-бързо.

Това не ще позволи развитието на какъвто и да е живот, понеже животът ѝ ще е няколко хиляди години, вместо милиарди. Галактиките също ще бъдат по-малки и звездите в тях щяха до бъдат разположени по-нагъсто. Това от своя страна би повлияло върху орбитите на планетите, обикалящи около тези звезди.

Ако орбитата на нашата планета не е стабилна, температурната амплитуда ще е много голяма и надали някакъв организъм би оцелял.

Много важна за съществуването на живот е една друга сила, тази, която свързва атомите в различните елементи. Тя силно влияе върху характеристиките на нашата Вселена, като определя как се образуват атомите и как се получават ядрените реакции.

За нас най-важна е силата на свързване на хелия, защото първото поколение звезди превръщат водорода в хелий чрез термоядрен синтез. В хода на този процес 0,7% от сумарната маса се отделя във вид на чиста енергия, която пристига при нас като топлина и светлина от Слънцето.

Ако свързващата енергия се промени, стане по-малка, то процентът на масата, превърната в енергия, няма да е достатъчен, за да може да си изпълни целта. Не биха могли да се образуват тежките елементи от рода на въглерода и желязото. Водородните атоми щяха да продължат да се свиват в тежки маси, да се нагряват, но не би имало термоядрени реакции, които правят звездите действащи. Не биха се образували други елементи и не би имало планети и живот.

При по-голяма стойност или ако ядрената сила бе малки по-голяма, отколкото е сега, би довело до друг проблем в образуването на елементите. При това положение водородните атоми биха се слели в една изродена форма, наречена дипротон.

При нормална стойност само много малка част от водородните атоми изпадат в такова състояние, така че остава достатъчно огромно количество във Вселената, което да участва в съединенията, необходими за живота.

С други думи, ако съществуваше дипротонът, ние нямаше да съществуваме, тъй като не би имало най-важното съединение – водата. Стабилните звезди не биха съществували, защото за това им е необходим водород за гориво, а такъв нямаше да има.

Образуването на останалите елементи след хелия също е деликатен процес. Стойностите на които трябва да бъдат точно тези, каквито са в момента. При термоядрения синтез, когато водородът свърши, ядрото от хелий става по-плътно. Повишаването на плътността води до повишаване на температурата и оттам – на възможността на хелият да се превърне в въглерод, като премине през преходна форма – берилий.

Нека сега да съпоставим двете широко мащабни сили във Вселената, а именно силата на гравитацията и силата на разширяване на Вселената. Научно доказано е, че Вселената се разширява с Доплеровия ефект на вълновата функция на светлината, наречен червено отместване.

Ако преди 15 милиарда години, преди образуването на първите звезди, гравитацията бе надвила над разширяването на Вселената, то тогава тя би се свила без възможност за образуване на каквито и да било звезди и галактики.

Обратно, ако гравитацията не удържи разширението, то ще продължи толкова бързо и неконтролируемо, че не би могла да се образува никаква структура. Двете сили са уредени така, че Вселената се разширява с правилна скорост и темп, необходими за създаване на звезди, способни да съществуват милиарди години.

Всичко тава е възможно благодарение на правилната плътност на материята. Критичната плътност е 5 атома на кубичен метър, определяща съдбата на Вселената. Ако е по-висока, силата на гравитацията ще бъде достатъчна, за да накара Вселената да се свие.

Ако плътността е по-малка, всичко ще се разширява прекалено бързо и не биха се образували звезди и галактики.

Важна черта, определяща Вселената като такава, каквато я познаваме и изучаваме е броят на пространствените измерения. Практически е ясно, че те са три. Ако светът беше дву- или четириизмерен, животът такъв, какъвто го познаваме, не би съществувал.

При три пространствени измерения гравитацията се подчинява на закона за инвертния квадрат. За да се обясни това, нека преместим даден обект с орбита около планета на два пъти по-голямо разстояние от това, на което се намира в момента.

Вследствие на това силата на привличане от планетата ще бъде една четвърт от първоначалната. Ако се премести четири пъти, то силата на гравитация ще падне на една шестнадесета.

Благодарение на всичко това при забавяне на движение на една планета около Слънцето тя няма да падне, а ще премине на по-ниска орбита. И обратното, ако скоростта ѝ се увеличи, няма да се отдалечи безкрайно в пространството, а ще премине на по-горна орбита. Стабилни орбити има само при три пространствени измерения, когото законът за инвертния квадрат се спази.

Ако измеренията бяха две, трудно би могъл да съществува функционален мозък. Тогава нервните клетки би трябвало да се пресичат, вместо да се разполагат една върху друга, което би довело до силно ограничаване на обработката на информация.

Оказва се също така, че електромагнитни излъчвания, от типа на използващите се при радиоприемниците и телевизорите, са възможни само в триизмерна Вселена.

Ако за съществуването на живите организми е необходимо наличието на високонадеждни вълнови сигнали, тогава не би трябвало да очакваме Вселената да има повече или по-малко то при измерения.

Самоорганизацията в момента е изключително модна тема, която излиза извън темата за науката за наноразмерните обекти и е по-скоро философско понятие, защото самоорганизация търсим в обществата, в нервната система, роботиката.

Полимерите са първата крачка към живата материя, която може да се разглежда като комбинация на C-N-H-O, въглерод, азот, водород и кислород. Разбира се, има и други елементи, но ако не са изградени въглеродно-водородни вериги и водорoдни връзки, жива материя изобщо няма.

Усукването на белтъците е естествена самоорганизация, при която природата избира измежду милиардите възможности за усукване тази, която е функционално най-изгодна. Протеините, основата на нашия живот, се усукват правилно при температура, която не надвишава 41 C.

Самоорганизация на материята до скоро се смяташе, че противоречи на втория принцип на термодинамиката – закона за нарастването на ентропията. Той гласи, че в една затворена система частиците се стремят към хаос.

В крайна сметка организацията на част от материята в системата не влияе на прогресивния хаос, защото предизвиква повишаване на ентропията в околната за него среда.

Самата Земя (а и цялата Слънчева система) също е възникнала като структура за сметка на разсеяните в пространството огромни количества космическо вещество и енергия. На нея условието за образуване на дисипативни структури е изпълнено, такива системи, способни на самопроизволно усложнение, и затова не е удивително, че са възникнали различни сложни структури – континенти, облаци, урагани, водни течения и, накрая, биосфера.

Според най-нови изследвания на учени от Мичиганския университет, ентропията сама може да създава сложни кристали от прости форми. Те демонстрираха как пирамидални форми могат спонтанно да се самоорганизират в комплексни квазикристали. Трудът бе публикуван в последния брой списание Nature и накара учените да преосмислят каква е ролята на ентропията в самоорганизиращите се структури.

Макар че ентропията често се свързва с хаоса, тя понякога е причина за спонтанно появяване на подреденост в някои системи. За откритието учените използваха пирамидална форма, наречена тетраедър. Тетраедрите са най-простите обикновени твърди тела, докато квазикристалите са сред най-сложните и красиви образувания в природата.

Хаотичното поведение на квантовите системи е правило, а не изключение в нашата Вселена. Стабилният свят, който наблюдаваме с нашите сетива, в основата си се управлява от класическата теория на хаоса и всъщност е в резултат на динамичното равновесие на хаоса в квантовия свят.

Класическата теория на хаоса изследва непредсказуеми на пръв поглед динамични системи, в които дори и пренебрегващо малки събития могат напълно да променят поведението на системата.

Подобни системи се наблюдават навсякъде около нас, като се започне от формирането на облаците в атмосферата, химичните реакции, борсите и се стигне до сложността на биологичните системи.

Макар че на пръв поглед тези системи са напълно хаотични, те все пак се подчиняват на математически закони и могат да се опишат с математически уравнения, проблемът при тях е, че не може да се предвиди дългосрочното им поведение.

Случайните изменения и естественият отбор не могат да дадат никакъв резултат, ако няма условия за образуване на нова структура, а тези условия възникват само в силно неравновесен поток от вещества и енергия.

Природата има изумителни примери за възникване на живот и адаптация на живи същества към околната среда, чието обяснение трябва да е подкрепено с нещо повече от философски аргументи.

Учените не са се впечатлявали от по-лесните аргументи в полза на Творението, което е с ограничено звучене по отношение на много страни от обикалящата ни реалност.

Опровержението идва под формата на еволюция по пътя на естествения отбор, която показва как живите същества могат да се адаптират добре към околната им среда с течение на времето благодарение на възникващите различни обстоятелства, стига тези промени да не протичат прекалено бързо.