Учебник по КСЕ Комаровой
реклама
Комарова А.И., Олехнович Л.Б. Концепции современного естествознания для студентов вузов. Серия
«Шпаргалки». Ростов н/Д: Феникс, 2004. - 160 с.
Изложение материала легко усваивается и быстро запоминается.
Книга сэкономит вам время — подготовит к экзамену в предельно короткий срок и поможет получить высший
балл. В ней ответы на все каверзные вопросы, поставленные самым строгим экзаменатором.
Для студентов вузов.
[ЗВЫ 5-222-04122-0
ББК 20я7
© Замысел и разработка серии
Баранниковой Е.В., 2004 © Комарова А.И., Олехнович Л.Б., 2004 © Оформление: Изд-во «Феникс», 2004
Раздел 1
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ КАК ОСОБАЯ ФОРМА ЗНАНИЯ
Основы всеобщего характера законов природы
Все, что окружает человека, есть материя в самых разных формах ее проявления. Вся совокупность
проявлений материи образует единую систему — Вселенную, т.е. на современном этапе развития научного
знания речь идет о глобальном единстве материального мира.
В больших масштабах структуру Вселенной можно представить как некое собрание галактик, а ее
микроструктуру — как совокупность атомов. В недрах строения вещества Вселенная представляет собой
набор квантовых полей. Звезды очень похожи на Солнце. «Земной» атом совершенно неотличим от атома
вблизи пределов наблюдаемой части Вселенной. Физические процессы, происходящие в отдаленных
друг от друга областях Космоса, идентичны. Взаимодействия и законы, их описывающие,
оказываются универсальными. Ближний Космос, включающий нашу Галактику, является типичным
образцом Вселенной в целом. Это утверждение называется космологическим принципом. Различные
элементы материального мира образуют единую систему, и процессы, протекающие в ней,
описываются едиными фундаментальными законами.
Если Вселенная — единое целое, то она и развивается, эволюционирует как целое. На определенном этапе в
ней появляются структуры, способные познавать саму Вселенную. Таким инструментом самопознания
(вполне вероятно, что не уникальным, а одним из возможных) является человек. И все, что доступно нашему
наблюдению, в том числе и развитие общества, и мы сами — всего лишьI ГЛ Основы всеобщего характера
законов природы
составные части Вселенной, этапы ее эволюции. На каждом этапе развития основные закономерности
поведения любых подсистем имеют связь со всей системой — Вселенной, с ее общей эволюцией.
Законы материального мира обладают единством на фундаментальном уровне.
Проблемы двух культур -естественнонаучной и гуманитарной
1а ранних этапах становления науки фундаментальное единство мира явилось основой общности научного
знания, а постепенное познание многообразия природы служило первоначально истоком единой культуры.
Разделение наук началось в эпоху античности и с течением времени меняло негативный характер.
В середине XX века отчуждение двух культур достигло своего эпогея, была осознана его тупиковость для
человечества. Противоречия между ними составили существо проблемы двух культур. Эти
противоречия связаны с различием в традициях, целях и методах естествознания и гуманитарного знания.
Эволюция знания, основанная на единстве мира, природы, показала несостоятельность монопольного
обладания научно-технической (есственнонаучной) и гуманитарной (и социогуманитарной) интеллинцией на
истину.
Многие крупные мыслители давно поняли, что проблемы устройства мира и духовной сущности человека
тесно связаны и осознали (необходимость интеграции знаний, конвергенции (от латинского convergere gриближаться), сближения двух культур.
Сегодня есть все основания считать, что человек, глубже познавший себя и владеющий художественной
культурой, может глубже постичь природу. И наоборот: природа стимулирует творчество.
Для более глубокой интеграции двух культур вырисовывается глобальная общенаучная идея: единство
эволюции человека и Вселен-1Й, так называемые эволюционно-синергетическая парадигма.
Основанная на эволюционно-синергетической парадигме конверсия естественнонаучного и гуманитарного
знания проявляется в следующем:
- В во взаимодополнении инструментария двух областей знания, в проникновении естественнонаучных
методов в гуманитарную область и проникновении целостного мировидения в естественнонаучную сферу;
- В в системе образования закладывается новый принцип интеграции (а не дифференциации) знаний,
гуманистическое (а не технократическое) направление образования (например, введение интегрированных
курсов, фундаментализация гуманитарного образования и гуманитаризация естественного);
- в проблемном подходе современной науки, привлекающий к , решению социально-значимых задач
комплексные научные группы, объединяющие ученых разных специальностей (экологов, социологов,
культурологов, юристов и т.д.);
- в методологии науки, когда определяющую роль играет эстетическая оценка естественно-научных теорий
(например, красота фракталов — геометрических самоподобных структур является симптомом адекватности
этих моделей реальности);
В в личностном аспекте взаимодействия двух культур. Такие видные ученые-естественники как А. Эйнштейн,
В.И. Вернадский, А.Д. Сахаров, И.Р. Пригожий участвовали в решении крупных общечеловеческих проблем.
Апогеем конвергенции естественнонаучного и гуманитарного знания, объективной основой которого служит
единство всего материального мира — Универсума, должен стать «диалог культур Востока и Запада, на
основе которого может быть создана единая мировая культура, единая мировая этика, единый планетарный
разум (ноосфера) как единство биосферы и техносферы» (Дягилев Ф.М.)
Методология и методы естественнонаучного познания
Любое естественнонаучное исследование осуществляется с использованием определенной методологии и с
помощью набора конкретных методов. Под методологией обычно понимают систему принципов и способов
организации и построения теоретической и практической деятельности, а также учение об этой системе.
Метод — это совокупность способов, с помощью которых достигается цель. В современном естествознании
разнообразные методы разграничивают по особым основаниям.
Прежде всего выделяют общенаучные и частнонаучные методы. Общенаучные методы, которые
используются на разных уровнях научного познания — эмпирическом и теоретическом. Так, на исходном
эмпирическом уровне исследования обычно применяют следующие общенаучные методы эмпирического
познания (ОМЭП):
■ наблюдение — целенаправленное и организованное восприятие внешнего мира, доставляющее первичный
материал для научного исследования;
■ эксперимент — исследование каких-либо явлений путем активного воздействия на них при помощи
создания новых условий, соответствующих целям исследования;
в описание — фиксирование данных наблюдения или эксперимента с помощью определенных систем
обозначений;
■ измерение — определение основных характеристик объектов с помощью соответствующих измерительных
приборов.
Общенаучные методы эмперического познания (ОМЭП) требуют дальнейшей обработки и обобщения, что
осуществляется уже на теоретическом уровне анализа.
Общенаучными методами теоретического познания (ОМТП) являются:
в абстрагирование — отвлечение от неких несущественных в данном контексте свойств и отношений
изучаемого явления (особый вид абстрагирования — идеализация);
■ мысленный эксперимент — оперирование идеализированным объектом;
■ формгитизация — отображение результатов мышления в точных понятиях или утверждениях;
и аксиоматизация — построение теорий на основе неких аксиом (утверждений, не требующих доказательства
своей истинности);
а гипотегико-дедуктивный метод — выдвижение некоторых утверждений в качестве гипотез и проверка этих
гипотез с помощью фактов;
■ индукция и дедукция — движение от частного к общему, от единичных фактов к общим положениям, и,
напротив, движение от общего к частному, от одних утверждений к другим на основе законов логики. К
общенаучным методам эмпирического и теоретического познания относятся:
■ анализ и синтез — процессы мысленного или фактического разложения целого на составные части и
воссоединения целого из частей;
■ аналогия — прием познания, с помощью которого обнаруживают сходство нетождественных объектов в
некоторых значимых сторонах и отношениях;
я моделирование — воспроизведение характеристик некоторого объекта на другом объекте, специально
созданном для их изучения; Особое значение для понимания единства не только естественнонаучного, но и
социально-гуманитарного знания имеют новые междисциплинарные методы исследования:
■ системный подход;
в новая концепция самоорганизации, возникшая в рамках синергетики (науки о самоорганизации сложных
нелинейных систем).
Синергетика выявляет и формулирует общие принципы самоорганизации и основанной на ней эволюции
любых систем. Опираясь на эту концепцию можно представить весь мир как как самоорганизующийся
Универсум (от лат. ишуегзит, зиттапит — философский термин обозначающий мир как целое) и тем самым
лучше понять естественнонаучную картину мира. В целом системный подход имеет более общий характер,
чем синергетический, т.к. наряду с динамическими, развивающимися системами рассматривает также
статические системы.
В разные исторические периоды и в разных научных контекстах на первый план выходят различные
методологические принципы и разные группы методов. Это зависит от существа стоящих перед
исследователем задач и от специфики самих объектов исследования.
Раздел II.
ИСТОРИЙ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Возникновение классической науки
Классическое естествознание признается многими исследователями в качестве первой исторической формы
строгой науки. Причем важно отметить, что наука как зрелое социальное явление появляется именно тогда,
когда формируется четкий «социальный заказ» на ее деятельность. И строгая наука как развернутая система
знания не случайно появляется именно в Новое время и именно в Западной Европе, когда буржуазные
отношения не могут успешно развиваться без опоры на научно-технический прогресс.
В становлении классической науки сыграли свою принципиальную роль многие факторы:
В изменения в математике, связанные прежде всего с выделением дифференциального исчисления;
И провозглашение польским астрономом Н. Коперником (1473— 1543) Земли небесным телом, движущимся
подобно другим небесным объектам;
В постановка проблемы логической и математической согласованности всех основных выводов естественной
науки с опорой на идею о целостности Вселенной и единообразии царящих в ней законов природы; ■
построение вслед за итальянским физиком и астрономом Г. Галилеем (1564—1642) базовой дисциплины
естествознания XVII—XIX в. — классической механики и т.д. Процесс построения базовой дисциплины
естествознания XVII—XIX вв. — классической механики. Идеализированные объекты, на которые многие
ученые того времени опирались в своих рассуждениях, представали при этом как идеальные элементарные
объекты, элементарные процессы, пространственно-временные отношения на базе неизменных и
независимых друг от друга абсолютного пространства (трехмерного и подчиняющегося геометрическим
требованиям древнегреческого математика Евклида (IV — начало III в. до н.э.)) и абсолютного, неизменного,
божественно заданного времени. В таком мире господствовали жесткие, хорошо прогнозируемые формы
причинно-следственных связей (в том числе «железный детерминизм» П. Лапласа (1749—1827)).
Материя — принципиальное, опорное понятие для любой формы естественнонаучного знания — понималась
в этих условиях исключительно как вещество, совокупность вещественных объектов, тел, состоящих из
неделимых атомов и представленных в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном.
Введение системы координат и разработка математики переменных величин вооружили ученых
универсальным средством теоретического изображения механического движения, сочетающего в себе
высокую степень абстракции (изображение движения тела математической функцией) с высокой степенью
наглядности (траектория перемещения тел графика функций в заданной системе координат).
Однако теоретическое знание невозможно без выявления конкретных форм детерминации исследуемых
явлений, и прежде всего базовых законов взаимодействия и изменения состояний. Эту принципиальную
задачу в классической науке выполнил английский физик и механик И. Ньютон (1643—1727), введя понятие
силы как причины изменения состояний движения. В механике Ньютона источниками и точками приложения
сил являются материальные точки. Именно он ввел в научный оборот понятие основного закона механики и
сформулировал систему законов механики, состоящую из трех законов, названных впоследствии его именем.
Принципиальной заслугой Ньютона явилось открытие закона всемирного тяготения, определяющего
величину действующей силы для случая гравитационного взаимодействия. Ньютон также сумел связать
воедино законы движения с законами сохранения энергии. Позже на этой основе были открыты законы
сохранения живых сил.
Далее уже развитое теоретическое физическое знание представало как многоуровневое системное
образование, создаваемое по четким законам конструктивного теоретического моделирования. На этой
основе стали возникать специфические частные теории, например, теория движения твердого тела, теория
движения газов (аэродинамика) или теория движения жидкостей (гидродинамика).
Как видим, классическая наука представляла собой первую историческую форму развернутого «чисто
научного» знания.
Механистическая картина мира
Картина мира, получившая в классической науке название механистической (механической), сформировалась
в XVII в. и господствовала в течение примерно двух столетий, вплоть до конца XIX в. На ееразвитие и
конкретное оформление особое влияние оказала типичная производственная практика той эпохи с
присущими именно ей особыми орудиями труда, технологическими процессами, функциями работников и
создаваемыми продуктами.
Образ машины, механизма с типичными функциями прочно стал базовым для понимания всех природных
проявлений. Некоторые ученые той эпохи рассматривали животных и даже человека как живую биомашину
(Р. Декарт (1596-1650), Ж. Ламетри (1709-1751)}.
Не менее важную роль в формировании практических образов играли господствующие технологические
процессы и общие принципы проектирования техники: сборка изделий из простых частей (трубок, колес,
пружин и т.п.), механическая обработка деталей, использование естественных материалов или простых
сплавов.
Итак, все это, вместе взятое, и создавало предпосылки понимания мира как механического целого, а всей
Вселенной — как собранного из простых отдельных совместимых деталей механизма. Самой сложной при
этом оставалось проблема источника толчка — кто же (или что же) запустил в ход эти огромные вселенские
часы? Ответ был вполне логичен для той эпохи, когда большинство ученых верили в Бога, — запустил
вселенский механизм в ход, вдохнул в них жизнь Господь Бог, Творец, устранившийся далее от дел и как бы
Наблюдающий со стороны за происходящим (теория деизма).
И, по сути, исключением стал смелый ответ французского математика и астронома П. Лапласа на прямой
вопрос императора Франции Наполеона, почему он, Лаплас, в своих научных построениях обошелся без идеи
Бога. «Я не нуждался в этой гипотезе, сир», — был ответ знаменитого ученого.
Как видим, в своей основе механистическая картина мира была логичным следствием практики той эпохи,
периода механизации физического труда, становления машинного фабрично-заводского производства.
Природа представлялась людям совокупностью обособленных четко разделенных и очерченных тел,
вступающих в элементарные связи и подчиненных однозначным и простым закономерностям. Поскольку в
практику того времени были вовлечены преимущественно внешние слои природного мира, наука еще не
могла глубоко проникнуть в сущность вещей и процессов и радикально изменить типичное видение природы.
Первоначально картина мира формировалась за счет образов, заимствованных из производственно-технической деятельности, лишь позднее она начинает усложняться посредством привнесения экспериментальноизмерительных процедур и более сложных абстракций.
Механистическая картина мира, в результате, явно несет печать определенного стиля научного мышления,
тяготевшего к формальной логике, метафизическому методу, натурализму. Из всех наук у такой картины мира
наиболее тесные связи были с механикой в ее новой ньютоновской форме, интегрировавшей прикладное
техническое знание и некоторые опорные естественнонаучные представления. Стихия механических
стереотипных операций - простая структура действий человека по отношению к природе - предопределила
само видение природы и человека как части природы.
Такая общая картина мира позволяла сделать вывод о том, что с накоплением конкретных материалов,
относящихся к разным естественнонаучным дисциплинам, вполне возможно приближение к некой завершенной, исчерпывающей характеристике мира в целом и царящих в нем законов. Однако, как показала
дальнейшая история науки, этот вывод оказался несостоятельным.
Предпосылки научной революции
в естествознании на рубеже ХIХ-ХХ вв.
Наука никогда не стоит на месте, постоянно включая в зону анализа новые факты и явления. Стараясь быть
достаточно строгой и основательной, наука не может пройти мимо случаев, не получивших приемлемого
истолкования с позиции принятых в ней законов и стандартов. Особенно часто это проявляется при выходе
научных исследований на принципиально новые объекты, какими стали для науки на рубеже XIX—XX вв.
объекты микро- (т.е малые и бесконечно малые) и мегамира (т.е. большие и бесконечно большие объекты
космического уровня). Осмысление объектов такого рода потребовало от науки настоящей научной
революции.
Толчком к новым подходам к естественной науке стали работы С. Карно (1796-1832), Р. Клаузиуса (18221888) и других ученых в области термодинамики, показавшие всевозрастающую роль в этой дисциплине
случайностей, неопределенности, необратимости процессов. Тем самым было существенно поколеблено
принципиальное положение классического естествознания о безусловном доминировании в мире гармонии
над хаосом, закона над случайностью, определенности над неопределенностью. А одним из частных выводов
новой термодинамики был удивительный и пугающий вывод о неизбежности
тепловой смерти Вселенной. Спокойный и такой предсказуемый мир земной и небесный, каким он выглядел в
канонах классического естествознания, вдруг предстал парадоксальным и непредсказуемым, нарушающим
привычные и, казалось бы, «на века» установленные законы развития природы.
К концу XIX в. было существенно поколеблено также и положение классического естествознания о тождестве
материи и вещества. Физики в это время считали, что в мире существуют не только вещественные объекты в
твердом, жидком и газообразном состоянии, но и электричество, и эфир (невесомая и непрерывная среда,
передающая электрическое и магнитное взаимодействие). В то же время сохранялось убеждение, что все
процессы в природе можно так или иначе свести к механическому взаимодействию мельчайших частиц —
атомов, частиц эфира и т.п. Однако уже к концу XIX в. гипотезу механического эфира пришлось отбросить и
ее место заняло представление об электромагнитном поле, колебания которого порождают такие столь
различные явления, как видимый свет, радиоволны, рентгеновское излучение.
Предметное изучение проблем электромагнетизма в работах английских физиков М. Фарадея (1791-1876) и
Дж. Максвелла (1831— 1879) в конечном счете привело авторов к изменению представлений о прерывности и
непрерывности материи, подорвало основы классических понятий абсолютного пространства и абсолютного
времени. Например, выдающийся ученый, физик-теоретик А. Эйнштейн (1879— 1955) рассмотрел этот
вопрос уже в 1905 г. в своей частной теории относительности.
Особенно много споров развернулось вокруг феномена «исчезновения материи». Обнаружение в опытах
эффекта «разделения атог мов» на более мелкие части, открытие электрона, превращаемости атомов и
радиоактивного распада четко поставило под сомнение классическую идею о дискретном (прерывном)
существовании материальных объектов в неизменном Пространстве. Скажем, радиоактивный распад атомов
был истолкован в те годы рядом авторов как превращение материи в энергию, т.е. по сути ее прямое
«исчезновение». В этом же духе был истолкован феномен исчезновения массы электрона в зависимости от
энергии поля. Ведь в классической механике Ньютона считалось, что масса и объем материальных тел неизменны и изначально заданы. Исчезновение же массы электрона в зависимости от преобразований структуры
поля и скорости движения представало как нонсенс, как существенный подрыв ранее незыблемых
представлений о мире.
Фактически сложилась кризисная мировоззренческая ситуация, требовавшая глубокого общенаучного и
философского осмысления.
Не случайно именно в те годы (1909 г.) появилась концептуальная философская работа В.И. Ленина (1870—
1924) «Материализм и эмпириокритицизм», в которой он рассмотрел глубокий кризис в физике и высказал
ряд важных идей по его преодолению.
Понимать материю стоит именно диалектически, как некую объективную реальность, данную людям в
ощущениях и существующую независимо от людей. Этот вывод В.И. Ленина, сформировавшийся под
влиянием марксизма, стал опорным для создания новой модели естественной науки.
Существенным трансформациям подверглось и понимание таких опорных категорий-понятий, которые
показывают реальное бытие материи как пространство, время, взаимодействие. Эйнштейновское понятие
«пространственно-временного континуума», в котором реально существуют материальные объекты,
исходило из того факта, что, во-первых, и пространство и время предстают сложными, изменчивыми
величинами (искривление пространства, изменение хода времени и т.п.), а во-вторых, они выступают тесно
связанными друг с; другом, взаимоопределяющими. Гораздо более сложным стало представлять и
материальное взаимодействие, уже не как исключительно гравитационное, но и как электромагнитное. Итак,
материальная основа мира представала в новой формирующейся модели науки слож ной, изменчивой,
парадоксальной, во многом непредсказуемой.
Специфике неклассического естествознания
Постепенно в первой половине XX в. новая, неклассическая модель естествознания превратилась в
целостную систему знания. Вес меньше места в ней оставалось для лапласовского «железного детерминизма» с его жесткими причинно-следственными связями, и все более утверждалось новое
мировидение с доминированием непредсказуемости, неопределенности, особенно при изучении сложных динамичных систем.
С течением времени оформилась и особая дисциплина - синергетика наука, исследующая развитие сложных
открытых саморазвивающихся систем, какими и представало большинство объектов
микро- и мегамира, с позиции взаимодействия в них хаоса и гармо нии. В этом плане принципиальную роль
сыграли работы профессора Штудгартского университета Г. Хакена и бельгийского физико-химика русского
происхождения И. Пригожина (1977) и его сотрудников.
По-новому стало пониматься и общее взаимодействие субъекта и объекта в науке. Субъект познания
рассматривался уже не как дистанцирующийся от изучаемого мира, а как находящийся внутри него,
взаимодействующий с ним. Точность ответов на вопросы об устройстве природы зависила теперь не только
от самой природы, но и от способов постановки исследователем вопросов, адресованных природе, от
методов познавательной деятельности.
На этой основе стало формироваться новое понимание категории истины, реальности, факта, соотношения
теории и практики, форм Научного объяснения и т.п.
Как это ни покажется странным, но в неклассической науке отнюдь не тождественными выступают такие
близкие понятия, как «физическая реальность» и «объективная реальность». Фиксируемая физическая
реальность зачастую оказывается не столько актуально присущей объектам, сколько некоторой
предрасположенностью их поведения при определенных обстоятельствах.
Потенциальные возможности, например, квантовых объектов — это свойства, как бы не всегда находящиеся
в наличии и реализующиеся при определенных условиях и при определенной опытно-экспериментальной
базе. Действительно, в неклассической науке под наглядностью понимают чаще всего не непосредственно
наблюдаемое, а скорее, соответствующее концептуально-теоретическим позициям. По сути дела в науке
стало доминировать не абсолютное, а некое вероятностное знание.
На стадии неклассической науки мыслительная проработка процессов зачастую прЪизводится в обход
эмпирических исследований, которые к тому же просто не всегда возможны. Все чаще в науке используют
какие-то уже апробированные идеи, метод аналогий для осмысления изучаемой реальности.
Однако, несмотря на относительное устаревание некоторых отдельных положений классической науки, она
как целое не потеряла своего эвристического (познавательного) значения. При решении задач, связанных с
проблемами макроуровня бытия, наука классическая все еще дает верные и действенные выводы и
рекомендации. На уровне обычной человеческой практики моментами, проявляющимися на уровне
суперскоростей порядка скорости света (когда материя, пространство и время существуют в тесном
взаимодействии и выступают изменчивыми, как утверждал А. Эйнштейн, а не независимыми друг от друга и
простыми, как считалось во времена И. Ньютона) можно пренебречь как несущественными в данном
конкретном контексте.
Поэтому неклассическая наука отнюдь не вытеснила науку классическую, выйдя на более широкий круг
проблем, превратила ее в свой частный случай, справедливый для определенного класса задач. Можно
сказать, что и здесь хорошо применим великий научный принцип XX в. — принцип дополнительности,
сформулированный датским физиком Н. Бором (1885—1962) и исходящий из идеи сотрудничества разных,
порой противоречащих друг другу научных программ и принципов, а не их мнимого антагонизма.
Особенности развития естествознания в современных условиях
Начиная со второй половины XX в. исследователи обычно фиксируют вступление науки в новый этап
развития — этап постнеклас-сический. Что же отличает этот новый этап развития науки? На этот счет есть
разные точки зрения, однако некоторые ученые выделяют целый ряд опорных принципов и форм
организации науки.
В качестве опорных принципов выделяют чаще всего эволюционизм в его особых формах, космизм,
экологизм, антропный принцип, холизм (подход к объектам как целостным образованиям) и гуманизм.
Специфика форм организации современной науки также просматривается по целому ряду принципиальных
позиций:
- современная наука ориентирована не только и не столько на поиски абстрактной истины, бесстрастной к
человеческим целям и ценностям, сколько на полезность для общества и каждого отдельного человека.
Главными ориентирами при этом становятся не экономическая целесообразность, экономия времени и т.п., а
улучшение среды обитания людей, рост их материального и духовного благосостояния;
■ современная наука имеет преимущественно проблемную, междисциплинарную ориентированность вместо
доминировавшей ранее узкодисциплинарной ориентированности научных исследований.
Отсюда становится понятной и такая особенность постне классической науки, как нарастающая интеграция
естественных, тех нических и гуманитарных наук. Ведущим звеном такой нарастаю щей интеграции основных
ветвей современной науки становято науки гуманитарные, а главными технологиями — социальные тех
нологии, увязывающие человеческую деятельность в единое целое гармонизирующие интересы отдельных
людей и социальных групп
В Следует особо отметить еще и такую принципиальную особен ность развития современного
естествознания (и вообще современ ной науки) — с ее объектами, как правило, нельзя свободно зкспери
ментировать. Пробуждаемые современной наукой и техникой супер мощные природные силы (атомные,
гравитационные, тектонические \ т.п.) способны при неумелом обращении с ними привести к тяжелей шим
локальным, региональным и даже глобальным кризисам и катас трофам. Вспомним наш Чернобыль, где
недостаточно продуманна; защита от неполадок системы АЭС привела к сопряжению ряда край не
неблагоприятных факторов и крупнейшей техногенной катастрофе XX в.
■ Современная наука органически срастается с производством, тех никой, бытом людей, превращаясь в
могучий фактор прогресса всей нашей цивилизации, включает, в свою орбиту мощные комплексные
коллективы исследователей разных направлений.
Ученые все более ясно начинают осознавать тот факт, что Вселенная представляет собой целостность с
недостаточно пока понятными законами развития, с парадоксами, причем жизнь каждого человека
удивительным образом связана с космическими закономерностями и ритмами. Универсальная связь
процессов и явлений во Вселенной требует комплексного, адекватного их природе изучения, и в частности
глобального моделирования на основе методов системного анализа. В этих целях используются методы
системной динамики, синергетики, теории игр, программно-целевого управления, составляются
сценарии возможного дальнейшего развития сложных систем и их подсистем.
Синтез учения об универсальном и глобальном эволюционизме с синергетикой позволяет описать
мировое развитие как последовательную смену рождающихся из хаоса структур» вре менно
обретающих стабильность, но затем вновь стремящихся к хаотическим состояниям. Кроме того, многие
реальные системы предстают как сложноорганизованные, многофункциональные, открытые, не равновесные,
развитие которых носит малопредсказуемый характер. В этих условиях анализ возможностей дальнейшей
эволюции сложных объектов зачастую предстает как принципиально непредсказуемый, сопряженный со
многими случайными факторами, могущими стать своеобразным «пусковым механизмом» новых форм
эволюции.
Практически весь исследовательский арсенал, накопленный в рамках классической и неклассической науки,
продуктивно используется и в современных условиях.
Раздел III
ЭЛЕМЕНТЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ
Роль концепции научной парадигмы при анализе развития естествознания
Естествознание, как и наука в целом, является частью общечеловеческой культуры, что предполагает
необходимость выявления социокультурных детерминантов научного знания. Работы ряда физиков,
философов, методологов и историков науки были посвящены поиску более емкой структурно-понятийной
научной формации, чем фундаментальная теория, с помощью которой удалось бы найти механизмы,
приводящие к революциям в науке, обосновать смену стилей мышления, научных картин мира, типов научной
рациональности. Наиболее известными (прижившимися в науке) являются следующие структурнопонятийные формации: научная парадигма Т. Куна, научно-исследовательская программа И. Лакатоса и
концепция физической исследовательской программы М.Д. Ахундова и СВ. Илларионова.
Парадигма в переводе с греческого означает пример, образец «Под парадигмами я подразумеваю, - пишет
Кун в работе «Структура научных революций», - признанные всеми научные достижения которые в течение
определенного времени дают модель постановки проблем и их решений научному сообществу». Введение
понятия парадигмы позволяет рассматривать процесс развития науки не как простое накопление отдельных
открытий и изобретений, не как простой прирост знании, а как процесс, условно разделенный на этапы,
каждый из которых имеет два периода.
Первый период назван Куном периодом нормальной науки второй - периодом научной революции. Очевидно,
что эти периоды сме
няют друг друга. Период нормальной науки знаменуется успешным решением головоломок научным
сообществом в рамках принятой парадигмы. Смена научных парадигм происходит в связи с кризисом в науке
и знаменует собой научную революцию.
Преимуществе концепции научно-исследовательских программ при анализе
динамики развития науки
Концепция научно-исследовательских программ, предложенная И. Лакатосом, возникла как попытка
установления таких механизмов и структур в динамике науки, которые адекватно описывали бы и период
«нормальной науки», и механизм смены парадигм в науке.
Лакатос предлагает следующую структуру научно-исследовательской программы:
1. «Жесткое ядро» программы.
2. «Защитный пояс» вспомогательных гипотез.
3. «Негативная эвристика».
4. «Позитивная эвристика».
Основной единицей научного знания в методологии Лакатоса является научно-исследовательская
программа, объединяющая серию теорий в рамках «жесткого ядра» программы. Существование «жесткого
ядра» — необходимое условие самого процесса научного исследования, обеспечивающее период
«нормальной науки». «Жесткое ядро» программы принимается конвенционально (по соглашению), однако в
рамках данной научно-исследовательской программы оно пересмотру не подлежит.
Теоретической критике и эмпирическому опровержению подвергаются лишь гипотезы «защитного пояса».
Пояс потому и называется защитным, что изменения в нем не затрагивают «жесткого ядра». С течением
времени исследовательская программа порождает множество теорий, каждая из которых имеет одно и то же
«жесткое ядро».
Негативная эвристика представляет собой методологические регу-лятивы и принципы, призванные исключать
любые попытки объяснения, не согласованные с «жестким ядром» программы, а также предохранять
«жесткое ядро» теории от экспериментального опровержения.
Направление научных разработок определяет позитивная эвристика. Она определяет проблемы для
исследования, выделяет «защитный пояс» вспомогательных гипотез, предвидит аномалии, вырабатывает
план превращения их в подтверждающие примеры или же, фиксируя, оставляет их решение на более
позднее время, если они не могут быть устранены изменением вспомогательных гипотез. И лишь когда
активная сила позитивной эвристики ослабевает, аномалиям может быть уделено большее внимание.
Исходным пунктом лакатосовской концепции является поддерживание старой научно-исследовательской
программы, ее «жесткого ядра», несмотря на аномалии, до выдвижения новой, более прогрессивной
программы. Научные революции связаны со сменой научно-исследовательских программ, заменой «жесткого
ядра» старой программы «жестким ядром» новой.
Все вышеназванные понятия, как-то: культурный фон, стиль мышления, тип научной рациональности,
научная картина мира, научная парадигма, научно-исследовательская программа — играют важную роль при
исследовании структуры и динамики естественнонаучного знания.
При всей привлекательности концепции «парадигмы» Куна, ввиду ее слабой структурированности остаются
невыясненными узловые проблемы развития научного знания, а именно, проблема генезиса нового знания,
проблема выбора между конкурирующими научными теориями, проблемы критериев истинности знания и т.д.
Что касается научной картины мира, то в рамках этой концепции вопрос о механизмах смены научных теорий
остается также неразрешенным. В этом смысле концепция научно-исследовательских программ обладает
наибольшими возможностями для описания реального процесса развития научного знания. Она имеет
определенную структуру, что позволяет проводить содержательный анализ элементов этой структуры,
сочетает в себе глубокий историзм и динамизм в понимании научного процесса. Однако формирующийся в
настоящее время постнеклассический тип научной рациональности заостряет внимание на характере
развития науки как самоорганизующемся процессе. Именно подобного подхода недоставало Лакатосу в
предлагаемой им методологии, что и обусловило определенные недостатки его концепции. Научноисследовательская программа была модифицирована в формацию физических исследовательских программ,
в рамках кототорой наиболее четко удается проследить эволюцию концепции, составляющих содержание
физики как наиболее развитой естественнонаучной дисциплины.
Содержание понятия физической исследовательской программы
Физическая исследовательская программа базируется на основных понятиях и отношениях концепции
научно-исследовательской программы Лакатоса, но с тем важным уточнением, что в основе «жесткого ядра»
лежит не фундаментальная, а базисная теория. Здесь проводится различие между фундаментальной и
базисной теорией. Фундаментальная теория является конкретной теорией специального класса явлений.
Базисная теория представляет собой синтез нескольких фундаментальных теорий, формируется с
признаками системообразующей целостности. Именно этот фактор лежит в основе отличия базисной теории
от фундаментальной. Так что не всякая фундаментальная теория становится базисной. «Жесткое ядро»
лакатосовской модели, используя различные гипотезы из защитного пояса, обеспечивает развитие какой-то
одной конкретной фундаментальной теории. Базисная же теория использует дополнительные гипотезы и
способна соединяться с различными объектами исследований, формируя тем самым целый ряд
фундаментальных теорий разнокачественных объектов. Так, например, квантовая теория поля как базисная
теория формирует целый ряд фундаментальных теорий: атомную физику, ядерную физику, физику
элементарных частиц, физику кварков и т.д. Именно базисные теории дают возможность для развертывания
в рамках программы концепций, имеющих трансдисциплинарный характер.
В содержании научного знания всегда имеются такие образы, происхождение которых внеэмпирично и
которые внедряются в науку как бы «извне», являясь элементами культуры данной эпохи, имеющими
социокультурное происхождение. Примером этого может служить атом Демокрита или понятие пустоты. Это
так называемые «затравочные образы» теории (С.Н. Жаров). Важно то, что «затравочные» образы
функционирует в содержании развитой теории как системообразующее, логически необходимое ядро
теоретического образа и формируют соответствующие принципы, на основе которых строится научная
теория. Механизм революционных изменений в науке, возникновения новых исследовательских программ
связан как раз с пересмотром этих принципов. Потому чрезвычайно важно фиксировать и исследовать
затравочные образы в базисной теории существующей научно-исследовательской программы.
Типы физических исследовательских программ, имевшие место в ходе
развития естествознания
Выделяют 4 физические исследовательские программы, сменяющие друг друга в истории развития науки:
■ механистическая исследовательская программа;
■ релятивистская исследовательская программа;
■ квантово-полевая исследовательская программа;
■ современная физическая исследовательская программа — единая теория поля.
Механистическая исследовательская программа предпосылкой своего возникновения имеет механику
Ньютона. «Затравочными образами» (С.Н. Жаров) ньютоновской механики выступают атомы (корпускулы) и
пустота, а также абсолютное пространство и абсолютное время. Исходные принципы механики Ньютона
являлись нематемати-зированными, однако, базируясь на них, он получил математизированные следствия,
ввел математическую символику для описания фундаментальных понятий физики и создал
фундаментальную теорию — механику материальной точки. Понятие материальной точки впервые введено
Л. Эйлером, он же продолжает деятельность Ньютона и рассматривает большое число задач движения.
Создание базисной теории механистической исследовательской программы следует связывать с именем Ж.
Лагранжа и его последователей — У. Гамильтона, П. Лапласа, Якоби и др. В дальнейшем базисная теория —
аналитическая механика, соединяясь с различными классами различных объектов, приводит к
формированию фундаментальных теорий, таких как механика небесных тел, гидродинамика, аэродинамика и
др. Механистическая идеология господствовала на всем горизонте научных исследований вплоть до XX в.
Однако возникли физические теории, которые не могли быть интерпретированы в рамках механистической
исследовательской программы, — это термодинамика и электродинамика.
Релятивистская исследовательская программа своим возникновением обязана попытке построения
простой, свободной от противоречий электродинамики движущихся тел. Это построение было успешно
осуществлено А. Эйнштейном в созданной им специальной теории относительности (СТО). Теория
относительности базируется на новом взгляде на природу пространства и времени и является, по существу,
новой кинематической теорией, критически переосмысливающей понятия пространства и времени ньютоновской механики. На смену пространству Евклида в СТО
приходит четырехмерное псевдоевклидово пространство Минковского, в котором время по своему месту в
физических уравнениях эквивалентно трем пространственным координатам.
Несмотря на революционность специальной теории относительности, на возникновение на ее основе новой
релятивистской исследовательской программы, включающей в себя ньютоновскую механику как свой
предельный случай, релятивистская исследовательская программа не привела к новому типу научной
рациональности. Здесь возникает совершенно иной взгляд на пространство-время, однако вся эволюция
физических явлений сохраняет идеал — классическое описание в смысле жесткой причинно-следственной,
детерминированной связи явлений.
Стремление распространить принцип относительности на любые типы движения приводит Эйнштейна к
созданию общей теории относительности (ОТО). Общая теория относительности лежит в основе
космологии — науки о происхождении и эволюции Вселенной. На сегодняшний день она может
рассматриваться как фундаментальная теория, а именно, как классическая теория гравитации. По всей
видимости, только синтез ОТО и квантовой теории поля приведет к построению базисной теории четвертой
из рассматриваемых нами физических исследовательских программ — единой теории поля.
Квантово-полевая исследовательская программа. Гениальная идея, высказанная Максом Планком, о
дискретном характере излучения, о корпускулярной природе света привела к возникновению квантовой
механики. Квантовая механика — фундаментальная теория, позволяющая описывать поведение объектов в
микромире. Основополагающей в квантовой механике является идея о том, что корпуску-лярно-волновая
двойственность свойств, установленная для света, имеет универсальный характер и распространяется на все
объекты микромира.
На протяжении всей истории возникновения и становления кван-тово-полевой исследовательской программы
имело место формирование нового неклассического типа научной рациональности, нового стиля мышления
ученых, резко размежевывающегося с привычным классически-механистическим.
Единая теория поля. На современном этапе предпринята попытка построения единой теории поля — новой
физической исследовательской программы, в которой удалось бы объединить известные четыре типа
физических взаимодействий — гравитационное, электромагнитное,
сильное и слабое в единое суперсимметричное суперполе. В рамках, данной программьгпредполагается
рассмотрение эволюции Вселенной из этого суперсимметричного состояния, в котором вся материя представлена только физическим вакуумом. Спонтанное нарушение симметрии вакуума в процессе расширения
Вселенной и приводит к многообразию физического мира.
Разрабатываемая программа имеет целостно-синергетическую направленность и способствует
формированию постнеклассиче-ского типа научной рациональности.
Основные концепции механистической исследовательской программы
1. Концепция использования математики как языка физической науки.
В 1687 г. выходит трехтомный труд И. Ньютона «Математические начала натуральной философии», который
стал основой новой методологии естествознания, отводившей математике более значительную и
фундаментальную роль, чем это было в работах его предшественников.
Ю. Вигнер в работе «Непостижимая эффективность математики в естественных науках» обращает внимание
на чрезвычайную эффективность математики в естественных науках. Очень часто чисто математические
рассуждения приводят к предсказанию нового ряда явлений.
Таким образом, начиная с формирования механи-стической исследовательской программы
трансдисциплинарной концепцией естествознания становится концепция математического обоснования
явлений природы, являющаяся развитием платоновско-пифагорейской традиции описания мира.
2. Концепция пространственно-временных отношений в природе.
Пространство и время являются основными категориями в физике, ибо большинство физических понятий
вводятся посредством операци-ональных правил используются расстояния в пространстве и время. В тоже
время пространство и время относятся к фундаментальным понятиям культуры.
3. Концепция иерархического строения материи и континуа-листского характера движения.
В основу иерархического строения вещества кладется атом Демокрита, который в Новое время
рассматривается как экспериментально исследуемая частица. Любая вещь считается состоящей из атомов и
может быть разложена на свои составляющие. Атом рассматривается как первичный «кирпичик» вещества,
который неделим, неизменен, вечен. Атомистическая (корпускулярная) концепция содержит в себе
представление о дискретной структуре вещества, ибо наряду с атомами принимает наличие пустоты между
ними.
Механика Ньютона представляет собой синтез различных методологических установок его
предшественников: корпускулярная концепция (атомы и пустота) у него связывается с аристотелевской континуалистской концепцией непрерывного пространства, непрерывного времени и движения.
Континуалистская концепция явилась предпосылкой создания аппарата интегрального и дифференциального
исчисления и была неоспоримой парадигмой научного сообщества вплоть до открытия Планка (начало XX в.).
4. «Себетождественность» физического объекта, «внеполо-женность» его в пространстве и во
времени.
«Себетождественность» физического объекта — это принцип, который является следствием представлений о
непрерывном пустом пространстве и непрерывном времени, в котором выделено индивидуальное тело.
«Себетождественность» движущегося тела гарантируется непрерывным изменением координат и
непрерывным изменением времени, что позволяет одновременно и зарегистрировать существование тела, и
определить его скорость между одним положением и другим. Отсюда вывод: перед нами одно и то же тело,
само себе тождественное. Из непрерывности состояний «себетождественного» объекта вытекает
существование дифференциальных уравнений, с помощью которых, зная начальные условия, можно с
абсолютной достоверностью предсказать все последующее движение тела.
5. Детерминированность поведения физического объекта (строгая, однозначная причинноследственная связь между конкретными состояниями объекта). Обратимость всех физических
процессов.
Интегрирование дифференциальных уравнений сводится к вычислению траекторий движения частицы,
которые дают полное описание поведения частицы как в прошлом, настоящем, так и в будущем, то есть
характеризуются свойствами детерминированности и обрати-
мости; достаточно точного задания начальных условии и уравнении движения тела, чтобы получить полное
описание движения частицы. Вследствие «себетождественности», индивидуальности физического объекта
мы всегда можем одновременно измерить и его координату и его скорость.
б. Механистическая концепция целого и части.
Механистическая концепция целого и части предполагает возможность дробления целого на составляющие
его элементы вплоть до последнего «кирпичика». При этом элемент целого обладает своими
индивидуальными особенностями независимо от целостности, в которой он функционирует.
Причины введения Ньютоном понятий абсолютного пространства и абсолютного
времени
Представление о пустоте у Ньютона связывается с существованием абсолютного пространства: «Время и
пространство представляют собой как бы вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все
располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения. По
самой своей сущности они есть места, приписывать же первичным местам движения нелепо. Вот эти-то
места и суть места абсолютные, и только перемещения из этих мест составляют абсолютные движения».
Ньютон подчеркивает, что само по себе движение имеет относительный характер, «относительное движение
тела может быть и произведено и изменено без приложения сил к этому телу», то есть в зависимости от
системы отсчета, относительно которой это движение рассматривается. При этом система отсчета должна
обязательно либо покоиться, либо двигаться равномерно и прямолинейно по отношению к абсолютному
пространству. Понятие силы Ньютон вводит в качестве абсолютного элемента. Понятия «силы» и «массы» у
Ньютона - это как бы «надпространственные» понятия. Введение же абсолютного времени, то есть времени,
не зависящего от движения, основывается на постулате о мгновенном распространении взаимодействии в
пустоте, что явилось основой построения Ньютоном теории тяготения.
Отличая инерциальных и неинерциальных систем отсчета. Принцип инерции
Под системой отсчета понимается тело отсчета, относительно которого рассматривается движение,
связанная с телом отсчета система координат (например, декартова система координат, состоящая из трех
взаимно перпендикулярных пространственных координатных осей) и заданный способ определения времени.
Принцип инерции Галилея выделяет определенный класс систем отсчета, которые называют
инерциальными. Инерциальными являются системы отсчета, в которых выполняется принцип инерции
(Первый закон Ньютона). Общепринятая формулировка Первого закона Ньютона такова: «Существуют
системы отсчета, относительно которых всякое тело сохраняет состояние своего движения (состояние покоя
или равномерного прямолинейного движения), пока действие всех тел и полей на него компенсировано».
Если мы имеем хотя бы одну такую инерциальную систему отсчета, то всякая другая система отсчета,
которая движется относительно первой равномерно и прямолинейно, также является инерциальной. Все
другие системы отсчета называются неинерциальными.
Принцип относительности Галилея
Принцип относительности Галилея: «Во всех инерциальных системах отсчета все физические явления
происходят одинаково».
Тот факт, что ускорения тел относительно обеих инерциальных систем отсчета одинаковы, позволяет
сделать вывод о том, что законы механики, определяющие причинно-следственные связи движения тел,
одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. И это составляет суть принципа относительности
Галилея.
Желая описать движение какого-либо тела, то есть получить уравнения зависимости координат тела от
времени, мы некритически опе-рируем понятием времени. И так было вплоть до создания теории
относительности Эйнштейна. Все наши суждения, в которых время играет какую-либо роль, всегда являются
суждениями об одновре
менных событиях. А отсюда два следствия, неявно присутствующих в наших рассуждениях: во-первых, что
«правильно идущие часы» идут синхронно в любой системе отсчета; во-вторых, что временные интервалы
длительность событий одинакова во всех системах отсчета, что и вы'ражено еще одним уравнением в
преобразованиях Галилея, согласно которому
г= г'.
Иными словами, мы пользуемся ньютоновским истинным математическим временем, протекающим
независимо от чего-либо, независимо от движения.
Таким образом, преобразования Галилея отражают наше обыденное представление об инвариантности
(неизменности) пространственных и временных масштабов при переходе из одной инерциальной системы
отсчета в другую.
Понятие состояния физической системы. Основная задача классической
механики
Понятие состояния физической системы является центральным элементом физической теории.
Состояние физической системы — это конкретная определенность системы, однозначно детерминирующая
ее эволюцию во времени. Для задания состояния системы необходимо: 1) определить совокупность
физических величин, описывающих данное явление и характеризующих состояние системы, - параметры
состояния системы; 2) выделить начальные условия рассматриваемой системы (зафиксировать значения
параметров состояния в начальный момент времени); 3) применить законы движения, описывающие
эволюцию системы.
По словам великого математика Ю. Вигнера, «именно в четком разделении законов природы и начальных
условий и состоит удивительное открытие ньютоновского века».
Параметрами, характеризующими состояния механистической системы, является совокупность всех
координат и импульсов материальных точек, составляющих эту систему. Задать состояние механической
системы, значит, указать все координаты г. Ц, у., г) и импульсы Р. всех материальных точек. Основная
задача динамики состоит в том, чтобы, зная начальное состояние системы и законы движения (законы
Ньютона), однозначно определить состояние системы во все после, дующие моменты времени, то есть
однозначно определить траектории движения частиц. Траектории движения получаются путем интег.
рирования дифференциальных уравнений движения и дают полное описание поведения частиц в прошлом,
настоящем и будущем, то есть характеризуются свойствами детерминированности и обратимости. Здесь
полностью исключается элемент случайности, все заранее жестко причинно-следственно обусловлено.
Считается, что задать начальные условия можно абсолютно точно. Точное знание начального состояния
системы и законов движения ее предопределяет попадание системы в заранее выбранное, «нужное»
состояние.
«Лапласовский» детерминизм с философской точки зрении взаимоотношения
категорий необходимости и случайности
Понятие причинности в классической физике связывается со строгим детерминизмом в лапласовском духе.
Здесь уместно привести фундаментальный принцип, провозглашенный Лапласом, и отметить вошедший в
науку в связи с этим принципом образ, именуемый «демоном Лапласа»: «Мы должны рассматривать
существующее состояние Вселенной как следствие предыдущего состояния и как причину последующего. Ум,
который в данный момент знал бы все силы, действующие в природе, и относительное положение всех
составляющих ее сущностей, если бы он еще был столь обширен, чтобы ввести в расчет все эти данные,
охватил бы одной и той же формулой движения крупнейших тел Вселенной и легчайших атомов. Ничто не
было бы для него недостоверным, и будущее, как и прошедшее, стояло бы перед его глазами». Тем самым,
трансдисциплинарной концепцией естествознания в классический период его развития становится
представление о том, что только динамические законы полностью отражают причинность в природе. С
философской точки зрения можно сказать, что в динамических теориях нет места взаимопревращению
необходимости и случайности. Случайность понимается как некая досадная помеха в получении истинного
результата, а не как необходимость, проявленная в действительности.
Принцип дельнедействия и принцип близкодействия. Роль концепции эфира в
формировании понятия поля
В механике Ньютона тела взаимодействуют на расстоянии, и взаимодействие происходит мгновенно. Именно
эта мгновенность передачи взаимодействий и обусловливает ненужность какой-либо среды и утверждает
принцип дальнодействия. Известно, что Декартом развивалась противоположная точка зрения на природу
взаимодействий, согласно которой материя взаимодействует с материей лишь при непосредственном
соприкосновении. Таким агентом, передающим взаимодействия от тела к телу, являются частички эфира.
Известны два альтернативных взгляда на природу света - корпускулярная точка зрения, отстаиваемая
Ньютоном, согласно которой свет — поток частиц, корпускул. И точка зрения Гюйгенса о волновой природе
света, согласно которой свет — это волна, распространяющаяся в упругой механической среде, которая есть
светоносный эфир. Как писал Кельвин: «Многие труженики и мыслители помогли выработать в XIX в. понятие
«пленума» — одного и того же эфира, служащего для переноса света, теплоты, электричества и
магнетизма». Тем не менее идея абсолютного пустого пространства одерживает благодаря авторитету
Ньютона победу над концепцией эфира вплоть до начала XIX в. И лишь работы Т. Юнга и О. Френеля по
изучению явлений интерференции и дифракции света (явления интерференции и дифракции сами по себе
свидетельствуют именно о волновой природе света) приводят к возрождению концепции светоносного эфира.
Гипотеза упругих колебаний эфира на повестку дня выносила вопрос: неподвижен ли сам эфир или же он
движется? Если он движется, то увлекается ли движущимися телами? Все точки зрения, базирующиеся на
динамических теориях эфира, оказались несостоятельными и были опровергнуты специальной теорией
относительности-Эйнштейна, подготовив, тем не менее, необходимую почву для ее возникновения.
Хотя гипотеза эфира была устранена наукой XX в., она оставила, несомненно, важный след в формировании
физических понятий. Ведь принятие эфира — это, по существу, принятие точки зрения близкодействия —
передачи взаимодействия от одной точки эфира к другой, что привело в исследованиях М. Фарадея и Дж.
Максвелла к выра-отке понятия поля, которое последний рассматривает как возбужденное состояние эфира.
.
К началу XX в. физика изучает материю в двух ее проявлениях -веществе и поле. Обе эти модификации
рассматриваются как равноправные, обе обладают такими характеристиками, как энергия, масса, импульс.
Частицам вещества приписываются такие свойства, как дискретность, конечность числа степеней свободы, в
то время как поле характеризуется непрерывностью распространения в пространстве, бесконечным числом
степеней свободы. Структура электромагнитного поля резюмируется в семи уравнениях Максвелла. Эти
уравнения отличаются от уравнений механики. Уравнения механики применимы к областям пустого
пространства, в которых присутствуют частицы. Уравнения же Максвелла применимы для всего
пространства, независимо от того, присутствует ли там вещество (в том числе заряженные тела), иными
словами, позволяют проследить изменения поля во времени а любой точке пространства, то есть получить
уравнение электромагнитной волны. Уравнения Максвелла позволяют описывать все известные
электрические и магнитные явления. Исходя из своих уравнений, после ряда преобразований, Максвелл
устанавливает, что электромагнитные волны распространяются с той же скоростью, что и свет, и приходит к
выводу о том, что свет — это электромагнитная волна, что было позднее, уже после смерти Максвелла,
экспериментально подтверждено Г. Герцем.
Поле возникает как развитие идеи эфира, утверждая принцип близкодействия, отвергая представления о
пустоте, о вакууме. Специальная теория относительности лишит эфир его основного механического свойства
— абсолютного покоя. Ибо, по словам Эйнштейна, «... введение «светоносного» эфира окажется
измышлением, поскольку в специальной теории относительности не вводится «абсолютно покоящееся
пространство», наделенное особыми свойствами». И эфир, будучи изгнан из физической теории, унесет с
собой концепцию дальнодействия и концепции абсолютного пространства и абсолютного времени.
Предпосылка возникновения специальной теории относительности
Эйнштейна
Оказалось, что уравнения Дж. Максвелла, описывающие электромагнитное поле, неинвариантны при
переходе из одной инерциальной системы в другую относительно преобразований Галилея. Следует сказать,
что именно эта неинвариантность и вызвала новый всплеск концепций с принятием эфира, и в конечном
счете - опыт Майкельсона.
Лоренц являлся сторонником атомной теории строения вещества, а после открытия в 1897 г. У. Томсоном
отрицательно заряженной частицы — электрона — создал теорию, в которой уравнения Максвелла включают
в себя идею о дискретной структуре электричества. При этом Лоренц использует гипотезу эфира,
рассматривая электромагнитное поле как свойство эфира, противопоставляя его состоящему из электрически
заряженных частиц веществу. Лоренцу удалось всю электродинамику покоящихся и движущихся тел свести к
уравнениям Максвелла, дать на этой основе объяснение большому числу экспериментальных фактов. Но при
этом он вводит абсолютно покоящуюся выделенную среди прочих систему отсчета, связанную с
неподвижным эфиром, в которой только и выполняются уравнения Максвелла. Таким образом, точка зрения,
отстаиваемая Лоренцем, говорила о несостоятельности самого принципа относительности. На место абсолютного пустого неподвижного ньютоновского пространства он ставит абсолютное тело отсчета —
неподвижный эфир, то есть вводит привилегированную систему отсчета. Однако все имеющиеся опытные
данные свидетельствовали в пользу принципа относительности, в том числе и опыт А. Майкельсона, а также
об эквивалентности всех инерци-альных систем отсчета. Кроме этого названный опыт устанавливал факт
постоянства скорости света влюбой системе отсчета. А. Эйнштейн писал, что «специальная теория относительности обязана своим происхождением этой трудности, которая, ввиду ее фундаментального характера,
казалась нетерпимой». Следует сказать, что X. Лоренц (и ряд других физиков, среди которых Д. Лармор,
Фицджеральд
и ДР.) предпринимал многочисленные попытки, пытаясь согласовать отрицательный результат опыта
Майкельсона с идеей абсолютной
системы отсчета. В том числе была выдвинута гипотеза о сокращении
инеиных размеров тел в направлении их движения относительно
эфира. При этом Лоренц и Фицджеральд считали, что тела действиельно сокращают свои размеры в направлении движения. Это сощение должно было полностью компенсировать влияние относи-
тельного движения на скорость распространения света, почему и каказалось, что скорость света остатется постоянной во всех инерциональных системах отсчета. Несмотря на
то, что высказанная гипотеза выгочень искусственной и оказалась неверной, как это выясниоследствии, она привела к нахождению уравнений преобразований кинематических параметров, отличных от преобразований Галилея, которые называют уравнениями
Лоренца.
Постулаты специальной теории относительности. Выводы из анализе
преобразований Лоренца
Преобразования Лоренца содержат немыслимые с точки зрения обыденных представлений парадоксы: кроме
вышеупомянутого сокращения линейных размеров тел, движущихся вместе с системой отсчета Кг
относительно неподвижной системы К:
-Г^
оказалось, что и длительность событий в этих системах отсчета разная. Если длительность временного
интервала в системе К— Д1, а в системе К' — Дт.', то
Дт/
Д* =
^
Длительность Дт.' — длительность события относительно движущейся системы Кг, относительно которой
тело покоится. Длительность события в системе отсчета, относительно которой тело неподвижно, называется
собственным временем. Собственное время Д! минимально. Это говорит о том, что относительно системы К
интервал времени Д1 оказывается большим. Итак, из преобразований Лоренца следовало, что
пространственные и временные интервалы оказываются неинвариантными при переходе из одной системы
отсчета в другую. Возникла ситуация, в которой потребовались глубокий анализ и критика имеющихся
представлений о пространстве и времени, на основании которых удалось бы выяснить причины, по которым
преобразования Галилея заменяются преобразованиями Лоренца. Это и было сделано А. Эйнштейном в его
вышедшей в свет в 1905 г. работе «К электродинамике движущихся сред».
Постулаты теории относительности
1. Принцип относительности: все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах
отсчета.
Лоренц отмечал по этому поводу: «Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он-первый высказал принцип
относительности в виде всеобщего, строго и точно действующего закона». Следует отметить, что точки зрения об универсальности
принципа относительности придерживался также А. Пуанкаре.
2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных
системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света.
Исходя из постоянства скорости света, Эйнштейн подвергает критическому анализу традиционное понятие
времени. Критику абсолютного времени Ньютона Эйнштейн начинает с рассмотрения понятия
одновременности двух событий, обращая особое внимание на тот факт, «что все наши суждения, в которых
время играет какую-либо роль, всегда являются суждениями об одновременных событиях». Установив, что
следует понимать под синхронно идущими в разных точках пространства покоящимися часами, Эйнштейн
дает определения понятий «одновременности» и «времени». Но установленная таким образом
одновременность событий в одной системе отсчета не будет верна в другой, движущейся по отношению к
первой. Если один наблюдатель считает одновременными два события, которые пространственно
разобщены, в той системе отсчета, относительно которой он неподвижен, то другой наблюдатель,
участвующий в равномерном прямолинейном движении относительно первой системы отсчета, не считает их
одновременными. Так что одновременность становится понятием относительным, зависящим от
наблюдателя.
Таким образом, следует говорить о собственном времени каждой системы отсчета. Универсальное
абсолютное ньютоновское время должно уступить место бесчисленным собственным временам различных
систем отсчета. Этот, на первый взгляд, парадоксальный вывод является следствием того, что невозможно
синхронизировать часы с помощью сигналов, распространяющихся со скоростью, превышающей скорость
света.
Наше же обыденное представление о времени, совпадающее с представлением об универсальном
ньютоновском времени, - следствие того, что мы живем в мире малых скоростей, неосознанно пользуясь при
этом информационным волнами, распространяющимися со скоростями, сравнимыми со скоростью света.
Если бы скорость электромагнитных волн была бы порядка обычных для нашего сознания скоростей, то
гораздо раньше встал бы вопрос об одновременности событии в различных точках пространства. Эйнштейн
показал, что в основе преобразований Галилея как раз и лежит произвольное допущение о том, что понятие
одновременности имеет смысл независимо от состояния движения используемой системы координат.
.
Рассуждая таким образом и используя два указанных выше прин. ципа (постулаты теории относительности), Эйнштейн
математически вывел лоренцево сокращение движущихся тел при их наблюдении из покоящейся системы.
Обстоятельство, что длительности событий различны в различных системах отсчета, приводит к замене галилеева
правила сложения скоростей релятивистским законом сложения скоростей. Из релятивистского закона сложения скоростей
следует, чтс сложение скорости света со скоростью источника дает во всех случаях опять-таки скорость света, тем самым
скорость света в пустоте -максимальная скорость передачи взаимодействий в природе.
Новая кинематика, к которой пришел Эйнштейн при анализе понятий пространства и времени, совпала с
преобразованиями, полученными ранее Лоренцем. Однако Эйнштейн наполняет преобразования Лоренца новым
физическим содержанием. Так, если Лоренц рассматривал сокращение линейных размеров движущихся тел как действительное сокращение по отношению к неподвижному эфиру, то Эйнштейн рассматривает это сокращение как кажущееся
для наблюдателя, относительно которого тело движется. Сокращение линейных размеров тел и замедление длительности
временных интервалов — это следствие различных процессов измерения, которыми пользуются разные наблюдатели в
различных системах отсчета.
Итак, два постулата принципа относительности должны быть дополнены преобразованиями Лоренца. Чтобы принцип
относительности мог выполняться, необходимо, чтобы все законы физики не изменяли своего вида, были инвариантны при
переходе из одной инерциаль-ной системы отсчета в другую относительно преобразований Лорен-ца. Это одно из первых
следствий, вытекающих из постулатов теории относительности, устанавливающее критерий включения физического закона
в релятивистскую схему.' Эйнштейн показал также, что преоб разования Лоренца переходят в преобразования Галилея при
скоро стях У«С{где С — скорость чвета), тем самым устанавливая грани цы применимости классической механики для
мира малых скоростей
Содержание трансдисциплинарных концепций релятивистской исследовательской
программы
Преобразования Галилея основывались на гипотезе о полной неза висимости времени и пространства. Это приводило к
тому, что пространственные и временные интервалы рассматривались по отдельности неизменными при переходе из
одной системы отсчета в другую.
Независимо от этого двум событиям ставился в соответствие временной интервал dt, также не зависящий от системы
отсчета. Однако специальная теория относительности в корне изменяет сложившийся
взглядИз самого вида преобразований Лоренца отчетливо видно, что пространственные и временные координаты больше не
могут быть рассмотрены независимо. Г. Минковский, исходя из положения, что пространство и время — понятия,
неотделимые друг от друга, предложил математический формализм, запись в котором физического закона приводит к его
инвариантности относительно преобразований Лоренца.
Формализм Минковского использует представление о четырехмерном мире, четырехмерном пространственно-временном
континууме, в котором время по своему месту в физических уравнениях эквивалентно трем пространственным
координатам.
Двум соседним точкам в четырехмерном пространстве-времени ставится в соответствие численная мера, называемая
мировым интервалом.
Специальная теория относительности — теория, которая решает две основные задачи: во-первых, приспосабливает
пространственно-временную метрику к уравнениям Максвелла, Это приводит к выработке новой «метрики» пространствавремени, где на смену евклидовой метрике приходит видоизмененная метрика с пространственно-временным континуумом,
называемым псевдоевклидовым пространством Минковского, в котором время эквивалентно пространственным
координатам, играет роль четвертого измерения в этом континууме и в котором инвариантным относительно
преобразований Лоренца является четырехмерный мировой интервал. И, во-вторых, применение этой новой «метрики» ко
всей физике. Этот второй этап приводит к видоизменению ньютоновских законов движения на случай больших скоростей и
к закону взаимосвязи массы тела и энергии Е = тс2.
В дальнейшем все известные физические законы были записаны в четырехмерном формализме Минковского, что привело
к созданию новой релятивистской (relativ — относительный) физической исследовательской программы, пришедшей на
смену механистической исследовательской программе.
Трансдисциплинарные концепции релятивистской исследовательской программы:
1. Концепция относительности (инвариантности).
2. Концепция микропричинности, согласно которой взаимодействия Предаются с конечной скоростью, равной скорости
света.
3. Концепция единого четырехмерного пространственно-временного континуума.
Мотивы создания общей теории относительности. Концепция инвариантности
как трансдисциплинарная идея естествознания
Несмотря на революционность специальной теории относительности, приведшей к коренному изменению
наших представлений о пространстве и времени, тем не менее возникает чувство некоторой
незавершенности теории. И связано это с тем, что специальная теория относительности, так же как и
классическая механика, сохраняет привилегированное положение наблюдателей, находящихся в инерциальных системах отсчета. А как быть с наблюдателями, находящимися в системах отсчета, движущихся по
отношению к первым с ускорением (в неинерциальных системах отсчета)? Чем объясняется неинвариантность законов физики в неинерциальных системах отсчета? Правомерно ли это? Следующая
проблема возникла при попытке представить в рамках СТО тяготение. Оказалось, что тяготение укладывается в рамки специальной теории относительности только в том случае, если потенциал
гравитационного поля постоянен. Эйнштейном была выяснена причина этого: она состоит в том, что не
только инертная масса зависит от энергии, но и гравитационная. Эйнштейн приходит к выводу о том, что
гравитационное поле (в котором проявляется гравитационная масса) эквивалентно ускоренному движению (в
котором проявляется масса инертная). Эйнштейн приходит к выводу о том, что главная задача состоит не в
том, как включить тяготение в СТО, а в том, как использовать тяготение для обобщения требования
инвариантности к любым типам движения, в том числе и ускоренным. Оказалось, что тяготение не может
быть полностью заменено ускорением (гравитационные силы — силами инерции) в больших областях с
неоднородным гравитационным полем. Сведение гравитационного поля к ускоренным системам отсчета
требует ограничения принципа эквивалентности бесконечно малыми масштабами. Иными словами, принцип
эквивалентности имеет локальное значение. Локальный характер принципа эквивалентности приводит к
представлениям о мире, отличном от плоского евклидова пространства, для которого сумма углов
треугольника всегда равно 180°. Это мир — с кривизной пространственно-временного континуума. Случилось
так, что в математике уже были развиты теории неевклидовой дифференциальной геометрии — теория
Лобачевского и теория Римана. В общей теории относительности инвариантность физических законов в
системах отсчета, в которых действуют гравитационные силы (или которые являются неинерциальными),
достигается относительно локальных преобразований в римановом четырехмерном пространстве-времени
положительной кривизны. Иными словами, гравитационное поле может интерпретироваться как следствие
искривления пространства.
Теорема Нетер, Законы сохранения
В 1918 г. Э. Нетер была доказана теорема, из которой следует, что если некоторая система инвариантна
(неизменна) относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная
сохраняющаяся величина. Теорема Нетер стала важнейшим инструментом теоретической физики,
утвердившей особую трансдисциплинарную роль принципов симметрии при построении физической
теории. Можно сказать, что теоретико-инвариантный подход, развитый в математике, проник в физику и
определил целесообразность формулирования физических теорий на языке лагранжианов. Функция
Лагранжа является основным математическим инструментом при построении базисной теории
механистической исследовательской программы — аналитической механики.
Наряду с ньютоновской механикой в физике были сформулированы законы сохранения для некоторых
физических величин: закон сохранения энергии, закон сохранения импульса, закон сохранения момента
импульса, закон сохранения электрического заряда. Число законов сохранения в связи с развитием квантовой
физики и физики элементарных частиц в XX столетии стало еще больше. Общей основой для записи как
уравнений движения (скажем, законов Ньютона или уравнений Максвелла), так и сохраняющихся во времени
величин оказалось использование лагранжева формализма. То есть использование лагранжиана в теории
позволяет задавать и описывать динамику рассматриваемых систем. Однако лагранжиан строится таким
образом, что для данной конкретной теории оказывается инвариантным относительно преобразований,
соответствующих конкретному рассматриваемому в данной теории абстрактному пространству, следствием
чего и являются законы сохранения.
До недавнего времени в физике проводилось четкое разделение на внешнее и внутренние симметрии.
Современный этап развития физики раскрывает возможность сведения всех внутренних симметрии к
внешним геометрическим, пространственно-временным симмет-риям, что само по себе свидетельствует об
очень сложной структуре самого прсстранства-времени нашей Вселенной. Современная теоретическая
физика дает еще один чрезвычайно важный результат, сви-детельстЕ!ующий о том, что все многообразие
физического мира проявлено вследствие нарушений определенных видов симметрии. Таким образом,
благодаря импульсу, заданному открытием Э. Нетер, в естество-знании в качестве трансдисциплинарной
концепции формируется концепция описания явлений через призму диалектики симметрии и асимметрии.
Закон сохранения энергии в макроскопических
процессах. Способы передачи энергии
от одного макроскопического тела другому
XIX в. ознаменовался открытием одного из самых великих принципов современной науки, приведшему к
объединению самых различных явлений природы. Принцип этот гласит, что существует определенная
величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких презращениях, происходящих в природе.
Энергия — единая мера различны к форм движения материи.
Механическая энергия и внутренняя энергия — это только две из мно.их форм энергии. Все, что может быть
превращено в какую-либо из тих форм, есть тоже форма энергии.
Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому
— в форме работы и в форме теплоты (путем теплообмена).
Передача энергии в форме работы производится в процессе сило вого взаимодействия тел и вгсегда
сопровождается макроперемеще нием. Работа, совершаемая над, телом, может непосредственно пойти на
увеличение любого вида энергии.
|
Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена различием температур этих тел. Энергия,
получаемая телом в форм теплоты, может непосредственно пойти только на увеличение его внутренней
энергии.
Первый закон термодинамики устанавливает эквивалентность этих двух способов передачи энергии,
утверждая, что изменить внутреннюю энергию тела можно любым из этих способов.
Невозможен вечный двигатель (перпетуум мобиле) первого рода. Это является следствием I начала
термодинамики.
Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: «Энергия в природе не
возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в
другую».
Концепция вероятностного детерминизма в статистической физике
История открытия закона сохранения и превращения энергии привела к изучению тепловых явлений в двух
направлениях: термодинамическом и молекулярно-кинетическом. С. Карно положил начало новому методу
рассмотрения превращения теплоты и работы друг в друга в макроскопических системах, в первую очередь в
тепловых машинах, и явился основателем науки, которая впо-следствии была названа У. Томсоном
«термодинамикой». Термодинамическое рассмотрение ограничивается в основном изучением особенностей
превращения тепловой формы движения в другие формы без учета молекулярного строения вещества, а
молекулярно-кинетическая теория явилась развитием кинетической теории вещества (альтернативной теплородной). Она характеризуется рассмотрением различных макропроявлений систем как результатов
суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул. При этом молекулярнокинетическая теория использует статистический метод, интересуясь только средними величинами, которые
характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое ее название — статистическая
физика. Оформившись к середине XIX в., оба эти направления, подходя к рассмотрению изменения
состояния вещества с различных точек зрения, дополняют друг друга, образуя одно целое.
При рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, состояние системы характеризуют не
полным набором значений координат и импульсов всех частиц, а вероятностью того, что эти значения лежат
внутри определенных интервалов.
Статистическая механика в некотором смысле нарушает традиции классического описания физической
реальности. Действительно, во всех
фундаментальных статистических теориях состояние представляет собой вероятностную характеристику
системы, ее уравнения движения по-прежнему однозначно определяют состояние (статистическое распределение) в любой последующий момент времени по заданному распределению в начальный момент.
Главное различие между динамическими и статистическими законами с философско-методологической точки
зрения состоит в том, что в статистических законах необходимость выступает в диалектической связи со
случайностью, а в динамических — как абсолютная противоположность случайного. А отсюда вывод:
«Динамические законы представляют собой первый низший этап в процессе познания окружающего нас
мира, статистические законы обеспечивают более современное отображение объективных связей в природе:
они выражают следующий, более высокий этап познания».
Концепция необратимости. Понятие энтропии. Второй закон
термодинамики
В основе термодинамики лежит различие между двумя типами процессов — обратимыми и необратимыми.
Обратимым называется процесс, который может идти как в прямом, так и в обратном направлении, и по
возвращении системы в исходное состояние не происходит никаких изменений. Любой другой процесс
называется необратимым.
Законы классической механистической исследо-вательской программы являются обратимыми. С
возникновением термодинамики в физику входит представление о необратимости процессов, что указывает
на границы применимости динамического описания явлений.
Характер протекания процессов в природе фиксируется II началом термодинамики, согласно которому в
природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении — в направлении передачи
тепла только от более горячих тел менее горячим.
Р. Клаузиусом было установлено, что в обратимых процессах некоторая физическая величина, названная им
энтропией 5, сохраняется. Это означает, что энтропия системы может рассматриваться как функция
состояния системы, ибо изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется только начальным и
конечным состояниями системы. Понятие энтропии позволяет отличать в случае изолированных систем
обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых процессов (энтропия возрастает).
Благодаря работам великого австрийского физика Л. Больцмана это отличие было сведено с
макроскопического уровня на микроскопический. Больцман первым увидел связь между энтропией 5 и термодинамической вероятностью макросостояния W.
IV: 5 = к 1п V/, где к— коэффициент пропорциональности, названный постоянной Больцмана.
Связав энтропию с вероятностью, Больцман показал, что второй закон термодинамики является следствием
статистических законов поведения большой совокупности частиц.
Точка зрения Больцмана означала, что любая изолированная система самопроизвольно эволюционирует в
направлении забывания начальных условий, в направлении перехода в макроскопическое состояние с
максимальной IV, соответствующее состоянию хаоса и максимальной симметрии. При этом энтропия
возрастает, что соответствует самопроизвольной эволюции системы. В состоянии теплового равновесия
энтропия достигает своего максимального значения. По словам У. Эддингтона, возрастание энтропии,
определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени». Для изолированной системы будущее всегда
расположено в направлении возрастания энтропии. Энтропия же возрастает по мере увеличения беспорядка
(хаоса) в системе. Поэтому любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени
тенденцию к переходу от порядка к беспорядку (хаосу).
Соответственно вышесказанному уместно привести еще одну формулировку II начала термодинамики:
«Энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает, ибо система,
предоставленная самой себе, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Энтропия
системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна.
Проблема тепловой смерти к селенной
У. Томсон экстраполировал принцип возрастания энтропии на крупномасштабные процессы, протекающие в
природе. Р. Клаузиус распространил этот принцип на Вселенную в целом, что привело его к
гипотезе о тепловой смерти Вселенной. Все физические процессы про. текают в направлении передачи тепла
от более горячих тел к менее горячим, это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания
температуры во Вселенной. Отсюда Клаузиус делает вывод о том, что «1. Энергия мира постоянна. 2.
Энтропия мира стремится к максимуму». Экстраполяционный вывод о грядущей тепловой смерти Все-1
ленной имеет философско-мировоззренческое значение, поскольку указывает определенную верхнюю
границу возможности существования человечества. С научной точки зрения возникают проблемы правомерности следующих экстраполяции, высказанных Клаузиусом: 1. Вселенная рассматривается как замкнутая
система. 2. Эволюция мира может быть описана как смена его состояний. 3. Для мира как целого состояние с
максимальной энтропией имеет смысл, как и для любой конечной системы.
Проблемы эти представляют несомненную трудность и для современной физической теории. Многие
теоретики считают, что в общей теории относительности мир как целое должен рассматриваться «не как
замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле; в связи с этим
применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статистического
равновесия» (Ландау Л.Д., Лифшиц ЕМ. Статистическая физика. М,, 1964. С. 46).
Смысл флуктуационной гипотезы, высказанной Л. Вольцманом
Проблему будущего развития Вселенной пытался разрешить Л. -Больцман, применивший к замкнутой
Вселенной понятие «флуктуации». Под флуктуацией физической величины понимается отклонение истинного
значения величины от ее среднего значения, обусловленное хаотическим тепловым движением частиц
системы. При формулировании флуктуационной гипотезы Больцман исходил из допущения, что бесконечная
Вселенная уже достигла состояния термодинамического равновесия. Но вследствие статистического
характера принципа возрастания энтропии для небольших областей этой бесконечной Вселенной возможны
макроскопические отклонения от состояния равновесия — флуктуации.
Однако Больцману не удалось найти ключ к объединению динамики и второго начала термодинамики, а
предлагаемая флуктуационная модель эволюции Вселенной имела всего лишь характер гипотезы ad hok и при этом очень большое
число оппонентов. Тем не менее временные космологические модели эволюции Вселенной, включающие в
себя инфляционный сценарий, по существу являются развитием этой гипотезы. XX в. внес свои коррективы в
проблемы самоорганизации сложных систем и формирует новое междисциплинарное направление —
синергетику, в рамках которого эволюция Вселенной рассматривается как возникновение и
функционирование различных физических структур из суперсимметричного состояния. Иными словами,
развитие Вселенной есть процесс возникновения порядка из хаоса.
Развитие взглядов на природу света. Формула Планка
Как известно, классическая физика исходит из коренного различия между понятиями частицы и волны.
Считается, что частица обладает конечным числом степеней свободы, строгой траекторией движения, отсутствием интерференции и дифракции. Волна же обладает бесконечным числом степеней свободы,
бестраекторностью, ибо каждая точка пространства, куда приходит возбуждение, сама становится
источником вторичных волн. Явление интерференции и дифракции — не что иное, как наложение друг на
друга когерентных волн; то есть эти явления отражают волновую природу конкретных материальных
объектов.
Вся классическая физика строится исходя из представления о непрерывной природе пространства, времени,
движения, непрерывного характера изменения всех физических величин. Гениальная гипотеза, высказанная
М. Планком в связи с разрешением кризисной ситуации, которая сложилась в физике в конце XIX в. при
исследовании законов излучения абсолютно черного тела, постулирует, что вещество не может излучать или
поглощать энергию иначе, как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или
поглощаемой) частоте. Энергия одной порции (кванта)
Е = Ьч,
где у — частота излучения, а Л — универсальная константа, получившая название постоянной Планка, или
элементарного кванта действия.
Постоянная Планка — универсальная константа, что означает: через нее могут быть выражены любые
физические характеристики, которыми обмениваются два объекта, один из которых является микрообъектом.
Открытие Планка не перечеркивало ряд эффектов, в которых свет проявляет свои волновые свойства. Но
при этом были открыты явления, свидетельствующие о корпускулярной природе света. Таким образом,
заговорили о корпускулярно-волновом дуализме света: в одних ситуациях свет ведет себя как волна; а в
других ситуациях свет ведет себя как поток частиц (фотонов).
Фотон и его характеристики
Фотон обладает энергией Е = ПУ. Согласно теории относительности, частица с энергией Е обладает массой т
= Е/С2. Фотон — частица, движущаяся со скоростью света С. Подстановка в формулы специальной теории
относительности значения скорости движущегося объекта У=С приведет к равенству нулю массы покоя
фотона. То есть фотон существенно отличается от обычных известных к тому времени в физике частиц, так
как не имеет массы покоя и может существовать только в движении. Из равенства вышеприведенных формул
получим
пу = тС2. Импульс фотона Р = тС и, следовательно, равен
Р = НУ/С = п/1, где I — длина волны.
Гипотеза де Бройля. Волновые свойства вещества. Корпускулярно-волновой
дуализм природы микрообъекта
Основополагающей в квантовой механике является идея о том, что корпускулярно-волновая двойственность
свойств, установленная для света, имеет универсальный характер. В 1924 г. Л. дё Бройль распространил
идею о двойственной корпускулярно-волновой природе света на все материальные объекты, введя
представление о волнах, названных волнами де Бройля. Все частицы, обладающие конечным импульсом Р,
обладают волновыми свойствами, и их движение сопровождается некоторым волновым процессом. Де
Бройль, исходя из общих принципов теории относительности, получил закон, устанавливающий зависимость
длины волны, связанной с движущейся частицей, от импульса частицы
~Р
Х = -„-,
где И — постоянная Планка.
Вид зависимости полностью совпал с соотношением для фотона и связанной с ним световой волной. После
опубликования статьи де Бройля Дэвиссон и его сотрудник Л. Джермер установили, что такие частицы как
электроны дифрагируют на кристаллах как волны, и длина этих волн полностью соответствует формуле де
Бройля. Впоследствии экспериментальная проверка дифракции электронов была многократно повторена.
Позже были проведены эксперименты, устанавливающие дифракцию других частиц и даже атомов.
Принцип неопределенностей Гейзенберга
В разных экспериментальных ситуациях микрообъект ведет себя по-разному: в одних — как частица, а в
других — как волна. Этот совершенно неожиданный с точки зрения классической физики результат
свидетельствовал о том, что в квантовой физике развивается неклассическая стратегия мышления,
трансдисциплинарной концепцией которой становится диалектическая концепция целостности, согласно
которой исследуется целостная система, состоящая из объекта и макроусловий, в которых находится объект.
Причем целое, хотя и состоит из частей, в принципе не может быть на них поделено без утраты специфики
как целого, так и его частей.
Неклассическое поведение объектов в микромире требует критического пересмотра самого понятия
«частицы», точно локализованной во времени и пространстве. Можно говорить лишь о вероятности того, где в данный момент времени
находится частица, и это является неизбежным следствием введения в физическую теорию постоянной
Планка, представлений о квантовых скачках. Физическая интерпретация «неклассического» поведения
микрообъектов была впервые дана В. Гейзенбергом. Надо принять в качестве закона, описывающего
движение микрообъектов, тот факт, что знание точной координаты частицы приводит к полной
неопределенности ее импульса, и, наоборот, точное знание импульса частицы — к полной
неопределенности ее координаты. Исходя из созданного им математического аппарата квантовой
механики, Гейзенберг установил предельную точность, с которой можно одновременно определить
координату и импульс микрочастицы, и получил следующее соотношение неопределенностей этих значений:
ДХДРх>п,
где ДХ — неопределенность в значении координаты; ДРх — неопределенность в значении импульса.
Произведение неопределенности в значении координаты на неопределенность в значении соответствующей
компоненты импульса не меньше, чем величина порядка постоянной Планка Л.
Принцип дополнительности (комплементарности) Бора
Концепция целостного описания системы «объ-ект — условия его познания» нашла свое отражение в
принципе дополнительности (комп-лементарности) Н. Бора. Любое явление в микромире не может бытй
проанализировано как само по себе отдельно взятое, а обязательна должно включать в себя взаимодействие
с классическим макроскопи? ческим прибором.
С помощью конкретного макроскопического прибора мы'можем исследовать либо корпускулярные свойства
микрообъектов, либо — волновые, но не и те и другие одновременно. Обе стороны предмета должны
рассматриваться как дополнительные друг к другу.
Концепция неопределенности и концепция целостности как основные концепции
квантово-полевой физической
исследовательской программы
Принципы неопределенности и дополнительности (комплементар-ности) отражают фундаментальную
неопределенность явлений природы. Квантовый объект не может быть рассмотрен сам по себе, не обладает
индивидуальными свойствами, а находится в классически определенных внешних условиях. Таким образом,
в квантовой механике формулируется концепция целостности, отличная от механистической концепции
целого и части, ибо объект вне целого и внутри целого не один и тот же; отдельный объект рассматривается
лишь в отношении к чему-либо, свои свойства он проявляет лишь по отношению к конкретной целостности,
чем и определяется статистическая природа его поведения. Интерпретация Бором квантовой теории означает, по существу, отказ от классических представлений о частицах как «внеположенных»,
«себетождественных», «индивидуальных». Микрообъект постоянно чувствует на себе влияние целостности,
элементом которой он является.
Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена
Точка зрения Н. Бора, В. Гейзенберга и их сторонников, названная копенгагенской интерпретацией квантовой
механики, конечно, не могла быть воспринята безоговорочно многими физиками. Так, А. Эйнштейн не принял
принципиально статистический характер копенгагенской Интерпретации квантовой теории. Именно этот спор
привел к более глубокому пониманию концепции целостности. Свое содержательное развитие эта концепция
получила благодаря работе трех авторов — А. Эйнштейна, Б. Подольского и Н. Розена — «Можно ли считать
квантовомеханическое описание физической реальности полным?», опубликованной в 1935 г. В этой работе
формулируется парадокс, названный парадоксом Эйнштейна—Подольского—Розена (ЭПР-парадокс).
Известно, что Бор дал немедленный ответ на рассуждения
авторов парадокса, утверждая, что физическую реальность необходимо трактовать на основе идеи
нераздельности экспериментальной ситуации, неделимости и целостности квантовых явлений. Объекты, со-
ставлявшие некогда единое целое, разведенные друг от друга на расстояния, исключающие взаимодействия,
сохраняют на себе печать прошлого, и любые изменения одного партнера приводят к коррелятивному
поведению второго. Этот перенос состояния с одной частицы на другую, независимо от того, как далеко друг
от друга они находятся, называют квантовой телепортацией. Мир предстает перед нами как единая
целостная единица, несводимая к механическому разложению его на составляющие части. Этот результат,
имеющий глубокое мировоззренческое значение, является едва ли не самой удивительной страницей в
истории физики и имеет далеко идущие перспективы по развитию телепортационных способов передачи
информации. XXI в., по всей видимости, станет веком квантовой телепортации.
Состояние квантово~механической системы. Различие между
закономерностями статистической классической физики и
статистическими закономерностями квантовой механики
Понятие состояния в квантовой физике включает в себя характеристики макроокружения, которые
приготавливают объект определенным образом для исследования.
Вследствие фундаментальной особенности явлений микромира, математическим выражением которой
является соотношение неопределенностей Гейзенберга, фиксирующее наличие у частиц как корпускулярных,
так и волновых свойств, в квантовой механике можно говорить лишь о вероятности того или иного значения
динамической ; переменной и о среднем значении динамической переменной, а не об ее определенном
числовом значении в данный момент времени. Поэтому классическое описание движения частиц в квантовой
механике теряет смысл. Весь анализ явлений микромира проводится на языке понятий классической физики,
таких как волна и частица, постольку, поскольку мы не обладаем иными понятиями. Ирония здесь состоит в
том, что эти классические понятия отражают свойства объектов мик-
ромира неполно и односторонне. В квантовой механике вектором состояния является волновая функция у. В
аппарат квантовой теории прочно вошло в качестве ее основного уравнения уравнение Шредин-гера
относительно волновой функции \|/. Волновая функция \|/ стала интерпретироваться как волна вероятности, а
квадрат ее модуля — как мера вероятности обладания микрообъектом определенной координаты или в
другой, дополнительной к первой, физической ситуации — определенного импульса. Казалось бы, что о
причинно-следственном описании движения объектов следует забыть. Однако это не так. Уравнение
Шредингера описывает эволюции \|/-функции с течением времени, является детерминированным и
обратимым. Однако, в квантовой теории предсказуемы только вероятности, а не отдельные события в
отличии от классической механики. Волновая функция представляет собой полную харак-теристику
состояния: зная волновую функцию у, можно вычислить вероятность обнаружения определенного значения
физической величины и средние значения физических величин. Статистические закономерности в классической физике являются результатом взаимодействия большого числа частиц, поведение каждой из которых
описывается законами классической механики. Если система состоит из малого числа частиц, то
статистические закономерности перестают действовать и понятия теряют смысл. В квантовой же механике,
согласно экспериментам, статистические закономерности отражают свойства каждой отдельной
микрочастицы.
Релятивистская квантовая физика. Античастицы и виртуальные частицы
В 1927 г. английский физик П. Дирак, рассматривая уравнение Шредингера, обратил внимание на его
нерелятивистский характер. При этом квантовая механика описывает объекты микромира, и хотя к '927 г. их
было известно только три: электрон, протон и фотон (даже нейтрон был экспериментально обнаружен только
в 1932 г.), было ясно, что движутся они со скоростями, весьма близкими к скорости света или равными ей, и
более адекватное описание их поведения требует применения специальной теории относительности. Дирак
составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики, и
теории относительности Эйнштейна,
и получил формулу для энергии электрона, которой удовлетворяли два решения: одно решение давало
известный электрон с положительной энергией, другое — неизвестный электрон-двойник, но с отрицательной
энергией. Так возникло представление о частицах и соответствующих им античастицах, о мирах и антимирах.
К этому же времени была разработана квантовая электродинамика. Суть ее состоит в том, что поле более не
рассматривается как континуалистская непрерывная среда. Дирак применил к теории электромагнитного
поля правила квантования, в результате чего получил дискретные значения поля. Обнаружение античастиц
углубило представление о поле. Считалось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов этого поля —
фотонов. Следовательно, в этой области пространства должна быть пустота. Ведь специальная теория
относительности «изгнала» из теории эфир, можно сказать, что победила точка зрения о вакууме, о пустоте.
Но пуст ли вакуум, — вот вопрос? который вновь возник в связи с открытием Дирака. Сейчас хорошо
известны эффекты, доказывающие, что вакуум пуст только в среднем. В нем постоянно рождается и исчезает
огромное количество виртуальных частиц и античастиц. Даже если мы меряем заряд электрона, то, как
оказалось, голый заряд электрона равнялся бы бесконечности. Мы же измеряем заряд электрона в «шубе»
окружающих его виртуальных частиц.
Физический вакуум в тентовой теории поля
Квантовая теория поля является ядром всей современной физики, представляет собой общий подход ко
всем, известным типам взаимодействий. Одним из важнейших результатов ее является представление б
вакууме, но уже не пустом, а насыщенном всевозможными флук-туациями всевозможных полей. Вакуум в
квантовой теории поля определяется как наинизшее энергетическое состояние квантованного поля, энергия
которого равна нулю только в среднем. Так что вакуум — это «Нечто» по имени «Ничто».
Релятивистская квантовая теория поля, которая началась работами П. Дирака, В. Паули, В. Гейзенберга в
конце 20-х гг. нашего столетия, была продолжена в трудах Р. Фейнмана, С. Томонаги, Дж. Ш-вингера и других
ученых. Принцип целостности находит свое выражение в рассмотрении взаимодействия микрообъектов с
определенным состоянием физического вакуума. Именно в этом взаимодействии все элементарные частицы
обнаруживают свои свойства. Вакуум рассматривается как объект физического мира, выражающий как раз
момент физической неразложимости его.
В результате квантово-полевой исследовательской программы создана новая квантовомеханическая картина
мира, выработан новый стиль мышления ученых, новый тип научной рациональности, называемый
неклассическим, в котором есть место случайности, вероятности, целостности.
Концепции, лежащие в основе построения современной физической
исследовательской программы, - теории Суперобъединения (единой теории поля)
Основополагающей идеей построения современной физической исследовательской программы является
концепция целостности, в рамках которой в качестве фундаментальной физической реальности
рассматривается неделимая взаимосвязанная целостная Вселенная, а относительно независимо ведущие
себя ее части — как просто особые и случайные формы. Таким образом, именно Вселенная в целом
становится предметом исследования современной теоретической физики. Здесь задачи физики
элементарных проблем пересекаются с космологическими проблемами, вливаясь в общую картину построения мира. Все качественное многообразие мира: различие типов взаимодействий, различие между
частицами вещества и квантами полей, существование конкретных элементарных частиц с их характеристиками и свойствами — все это предстает в рамках данной программы как моменты в ходе эволюции
Вселенной. Признание определяющей роли целого по отношению к его частям составляет существо
диалектической методологии в познании и является содержательной стороной нового постнеклассического
подхода к анализу сложных систем, именуемого синергетикой.
В рамках такого целостного подход новое методологическое значение приобретает физический вакуум,
предстающий как основной объект физической теории, как прародитель известного нам мира. Анализ
состояния дел в современной физике позволяет рассматривать его в качестве исходной абстракции в
теории.
Классическая физика
Частицы
Поле
вещества
Неклассическая физика
Ферми-частицы (частицы вещества)
Бозе-частицы (кванты полей)
Постнеклассическая физика
бозе-частицы (спин=1; 2) Скалярные
хиггсовые бозе-частицы'
Рис. 1. Новые представления о структуре материи Ферми-частицы
(спин=0)
Физический вакуум Кварки .Пептоны
Калиброванные векторные
Исходя из представлений о суперсимметричном состоянии исходного вакуума нашей Вселенной, весь
последующий процесс эволюции Вселенной рас-сматривается как сменяющие друг друга этапы, содержащие
критические точки — моменты нарушения симметрии, приводящие в конечном счете к физическому
многообразию мира (рис. 1).
Таким образом, концепция целостности содержит в себе концепцию развития, самодвижения,
самоорганизации, выраженных через призму взаимоотношения категорий симметрии и асимметрии. Ибо
важнейшим признаком развития является асимметричность тех изменений, из которых процесс развития
складывается. Это выдвигает на повестку дня вопрос об историзме физических объектов, проявляющих свою
определённость в определенные исторические моменты в ходе самодвижения целого, — в моменты
спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума. При этом вакуум играет роль макрообстановки,
макроусловий, по отношению к которому элементарные частицы проявляют свои свойства — спины, массы,
заряды и т.д.
Рассмотрение вакуума как исходной абстракции известного нам мира позволяет реализовать при построении
единой теории поля метод восхождения от абстрактного к конкретному.
Фундаментальные физические идеи, лежащие в основе построек ния единой теории поля, реализующие
вышеназванные трансдисциплинарные методологические концепции, следующие:
Структурные единицы материи. Элементарные частицы...
а) новые представления о структуре материи — сопоставление представлений о структуре материи на
разных этапах эволюции науки представлено на рисунке;
б) идея о калибровочной природе всех взаимодействий;
в) идея о спонтанном нарушении симметрии исходного вакуума.
Структурные единицы материи. Элементарные частицы: частицы вещества,
калибровочные кванты полей и скалярные хиггс-бозоны
Физика до недавнего времени изучала материю в двух ее проявлениях — веществе и поле. Причем частицы
вещества и кванты полей подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом. Так,
частицы вещества являются ферми-частицами (фермио-нами). ристемы тождественных ферми-частиц
подчиняются статистике Ферми — Дирака. Все фермионы имеют полуцелое значение некоторой очень
важной квантовой характеристики элементарной частицы (не менее важной, чем заряд или масса),
называемой спином. А для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип запрета Паули,
согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же
состоянии.
Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами) — квази-частицами с нулевым или
целочисленным значением спина. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе
— Эйнштейна. Принцип Паули для них не справедлив: в одном и том же состоянии может находиться
любое число частиц. Так что бозе- и ферми-частицы рассматриваются как частицы, имеющие
различную природу.
В свою очередь, частицы вещества делятся на две группы: кварки и лептоны. Кварки и лептоны входят в
состав других физических объектов и считаются при достигнутых на сегодняшний день энергиях «бесструктурными». Кварки — самые малые, микроскопические частицы со спином 1/2 и электрическим зарядом
кратным 1/3. Кварки, кроме электрического заряда, обладают цветным зарядом. Наличие у кварков Цветного
заряда обусловливает способность их к сильным взаимодействиям. Известно, что протон и нейтрон состоят
из трех кварков, что
делает протон или нейтрон бесцветным. Соответственно различают три заряда сильных взаимодействий красный (К), желтый (V) и зеленый (С). .Пептоны (от греческого 1ерт.оз — легкий) — бесцветные частицы со
спином 1/2, обладающие слабым и (при наличии электрического заряда) электромагнитным
взаимодействием. Предполагается существование шести видов (ароматов) кварков и шести лептонов. В физике кварков сформулирована гипотеза конфайнмента (от англ. сопт1петеп( — пленение) кварков, согласно
которой невозможно вылетание кварка из целого. Он может существовать лишь в качестве элемента целого.
Существование кварков как реальных частиц в физике надежно обосновано.
Квантом гравитационного поля является гравитон. Однако гравитон пока не установлен экспериментально,
равно как и не построена по сей день теория квантовой гравитации. Квантом электромагнитного поля
является фотон у. Масса покоя фотона равна 0. Фотон не несет на себе электрического заряда. Это
обеспечивает линейный характер электромагнитных взаимодействий и большой радиус их действия.
Квантами слабого взаимодействия являются три бозона — УУ+, V/", 2°- бозоны. Верхние индексы указывают
знак электрического заряда этих квантов. Кванты слабого взаимодействия имеют значительную массу, что
приводит к тому, что слабое взаимодействие проявляется на очень коротких расстояниях. Квантами сильного
взаимодействия являются восемь глюонов. Свое название глюоны получили от английского слова д1ие
(клей), ибо именно они ответственны за конфайнмент кварков. Массы покоя глюонов равны нулю. Однако
глюоны обладают цветным зарядом, благодаря чему они способны к взаимодействию друг с другом, как
говорят, к самодействию, что приводит к трудностям описания сильного взаимодействия математически
ввиду его нелинейности. Если слабое вЭйимодействие ответственно за изменение ароматов кварков, то
сильное взаимодействие, осуществляемое посредством обмена глюонами между кварками, приводит к
изменению цветов кварков. Так что в ядре постоянно происходят превращения протонов в нейтроны и,
наоборот, за счет обмена квантами слабого взаимодействия между кварками. Кроме этого внутри протонов и
нейтронов кварки постоянно меняют свои цвета, испуская и поглощая глюоны. При этом протоны и нейтроны
остаются бесцветными.
Третьим качественно отличным от вышеназванных двух форм материи является физический вакуум. Дело в
том, что все кванты полей, рассмотренные нами ранее, являются векторными калибровочными бозонами.
Калибровочными их называют по той причине, что они
.
являются квантами калибровочных полей. Векторными их называют потому, что все они имеют
целочисленное значение спина, равного 1, за исключением гравитона, спин которого предполагается равным
2. физический вакуум нашей Вселенной рассматривается как коллективные возбуждения хиггсовых
скалярных бозонов, спин которых равен 0.
Единая калибровочная природа различных типов физических взаимодействий
Калибровочный принцип называют динамическим нововведением в общей теории относительности.
Нововведением является тот факт, что гравитационное поле здесь не постулируется, а выводится как
результат инвариантности (симметрии) лагранжиана теории относительно группы локальных калибровочных
преобразований. То есть требование симметрии порождает определенный конкретный вид взаимодействия, в
данном случае — гравитационного. А это уже принципиально новый подход в физике. Благодаря ему
современная физи-. ка отошла от исторической традиции, согласно которой заранее давалась форма
взаимодействий, установленная экспериментально и теоретически описанная. Форма взаимодействий более
не постулируется, а выводится как результат инвариантности относительно групп определенных локальных
преобразований, как способ, которым в природе Должно компенсироваться локальное калибровочное
преобразование. И неважно, какие вады симметрии обусловливают эти взаимодействия. В каждом случае
теории, в которых работает указанный принцип, называют калибровочными. Иными словами, калибровочная
инвариантность позволяет ответить на вопрос: «Почему и зачем в природе существуют такого рода
взаимодействия?» Ибо тип взаимодействия диктуется симметрией.
Оказывается, что все известные четыре типа взаимодействий — гравитационное, электромагнитное, сильное
и слабое — имеют калибровочную природу и описываются калибровочными симметриями. То есть все
взаимодействия как бы сделаны «из одной болванки». Это . вселяет надежду, что можно будет найти
«единственный ключ ко Всем известным замкам» и описать эволюцию Вселенной из состоя-НИЯ,
представленного единым суперсимметричным суперполем, из со-
55
стояния, в котором различия между типами взаимодействий, между всевозможными частицами вещества и
квантами полей еще не проявлены.
Спонтанное нарушение симметрии вакуума
Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума вошла в физику элементарных частиц из физики
твердого тела. Спонтанное нарушение симметрии означает, что при определенных макроусловиях
фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости. Платой за устойчивое состояние
системы является асимметричность вакуума.
Таким образом, в физику с использованием калибровочного принципа вкупе с идеей спонтанного нарушения
симметрии вакуума в качестве основного методологического принципа входит принцип рассмотрения
физических явлений и процессов сквозь призму диалектики симметрии и асимметрии.
В 1967 г. С. Вайнбергом и А. Саламом была применена идея спонтанного нарушения симметрии для
построения единой теории электрослабых взаимодействий с массивными М+, У\1~, 2°-бозонами и безмассовым фотоном у. Предполагается существование такого этапа в эволюции Вселенной, когда не
существовало различий между электромагнитными и слабыми взаимодействиями. Однако последующее
расширение Вселенной привело к нарушению симметрии электрослабого взаимодействия до симметрии,
отвечающей электромагнитному взаимодействию, и симметрии, отвечающей слабому взаимодействию. Так
что в настоящую эпоху симметрия между этими типами взаимодействий оказывается скрытой, что
обнаруживается нами как различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Эксперименты в
1983 г. на ускорителе в ЦЕРНе (Европейская организация ядерных исследований в Женеве) по обнаружению
\М+, УУ~, 2°-бозонов, оказались в полном соответствии с предсказаниями теории. Успех этот стимулирует
физиков в направлении поисков адекватной симметрии, объединяющей сильное и электрослабое
взаимодействие, (Великое объединение) и симметрии, объединяющей Великое объеди-нение и
гравитационное (Суперобъединение).
56
Концепция вакуума в структуре современной науки. Инфляционные сценарии
развития Вселенной в современной космологии
Современная космология рассматривает в качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции
Вселенной сценарий, включающий инфляционную стадию. Основная идея инфляционной теории состоит в
том, что расширение Вселенной и весь последующий ход ее эволюции рассматривается из состояния, когда
вся материя была представлена только физическим вакуумом. Возможно, наша Вселенная — это лишь миниВселенная, обитаемый островок, на котором возникла жизнь нашего типа.
Инфляция (от лат. слова тт1ат,ю) означает «вздутие». Инфляционная стадия предполагает процесс вздутия
Вселенной. При этом вакуум той эпохи Вселенной — «ложный вакуум». Он отличается от истинного вакуума
(считается, что истинный вакуум — это состояние с наинизшей энергией) тем, что обладает огромной
энергией. Квантовая природа наделяет «ложный вакуум» стремлением к гравитационному отталкиванию,
обеспечивающему его раздувание. Этот «ложный» вакуум представляет собой симметричное, но
энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление его к распаду.
Эволюция Вселенной предстает в контексте инфляционной теории как синергетический самоорганизующийся
процесс. Если встать на точку зрения модели Вселенной как замкнутой системы, то процессы
самоорганизации могут быть рассмотрены в ней как взаимодействие двух открытых подсистем —
физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Считается, что в процессе расширения
из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до Большого Взрыва. Дальнейший Х.9Д
ее истории пролегал через критические точки — точки бифуркации, в которых происходили спонтанные
нарушения симметрии исходного вакуума, причем ход этой эволюции, выбор путей дальнейше-Го развития в
моменты бифуркаций оказались именно такими, что в Результате появилась жизнь нашего типа.
Любой физический объект со своими характеристиками рассматривается в современной теории как момент,
элемент космологи-Ческой эволюции Вселенной.
57
Антропный принцип и диалектическая концепция взаимопревращения
материи и сознания
Попытка связать основные особенности того мира, в котором мы живем, с самим фактом существования
человека, познающего этот мир, привела к формулированию принципа, который вряд ли можно назвать
строго физическим принципом, но который, тем не менее, основывается на неоспоримом факте
существования человека в нашей Вселенной. Этот принцип был назван антропным.
Антропный принцип в физике впервые был сформулирован в 1961 г. Д. Дикке, а в дальнейшем развит Б.
Картером, которому и принадлежит сам термин «антропный принцип».
Сущность антропного принципа заключается в том, что все без исключения физической константы Вселенной
могут быть только такими, как они есть в реальности. А эта реальность неизбежно приводит к появлению
жизни, человека и человеческого сознания, как будто это цель развития Вселенной.
Антропный принцип концентрирует внимание на следующем обстоятельстве: свойства окружающего нас
мира явились результатом определенной согласованности соответствующих фундаментальных констант,
интервал возможных значений которых, обеспечивающий нам мир, пригодный для жизни, очень мал.
Существуют различные версии антропного принципа: слабый антропный принцип, сильный, финалистский
антропный принцип, антропный принцип, включающий соучастника-наблюдателя. Появляются и тео
логические нотки при обсуждении антропного принципа. Все это по влияло на то, что многие физики-ученые с
настороженностью отно сятся к этому принципу, рассматривая его как ненаучный. Однакс положение резко
меняется, если антропный принцип рассматривать ь контексте синергетического самоорганизующегося
процесса эволюции Вселенной. Здесь на Первый план выдвигается идея о корреляции свойств наблюдателя
и свойств мира. То есть речь идет о вероятности того, что мир имеет наблюдаемые нами свойства. А это значит, что можно сравнивать вероятности оказаться в разных мирах с разными свойствами. Следовательно,
антропный принцип получает нетеологическое объяснение при условии существования множества миров.
Надо сказать, что инфляционные сценарии раздувания Вселенной содержат в себе результаты,
предсказывающие разбиение Все-
58
ленной на неограниченно большое число мини-Вселенных — огромных областей, внутри которых
реализуется свои типы физических ва-куумов, размерностей пространства-времени, цепочек спонтанного
нарушения симметрии. Так что вероятность возникновения из этого огромного числа разных мини-Вселенных,
которые подобны нашей, в которых возможна жизнь, подобная нашей, существует.
Современная физика с использованием антропного принципа как бы расширяет границы своего
традиционного рассмотрения вопросов. Человек, рассматриваемый ранее лишь в качестве
непосредственного потомка прогрессивной эволюции жизни в биосферных условиях, предстает уже в
качестве непосредственного продукта космологической эволюции Вселенной. И, как считают многие физики,
трудности в построении единой теории поля могут быть связаны как раз с тем фактом, что такое свойство
материи, присущее ей на всех уровнях организации, как отражение, и высшая форма его развития —
сознание, остается вне рамок исследования. Не окажется ли, что поставленная современной физикой задача
принципиально неразрешима вне исследования тех факторов, которые привносит с собой в ход мирового
процесса мыслящий дух? Иными словами, антропный принцип с методологической точки зрения является
предвестником более глубокого диалектического понимания взаимо-превращения материи и сознания.
ХИМИЯ В СИСТЕМЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
Место и роль химии в современной цивилизации
Успехи человека в решении больших и малых проблем выживания в значительной мере были достигнуты
благодаря развитию химии, становлению различных химических технологий. Успехи многих отраслей
человеческой деятельности, таких как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и пищевая
промышленность и других, во многом зависит от состояния и развития химии. Огромное значение химия
имеет Аля успешной работы сельскохозяйственного производства, фармацевтической промышленности,
обеспечения быта человека.
Таким образом, химизация, как процесс внедрения химических Методов в общественное производство и быт,
позволила человеку Решить многие технические, экономические и социальные проблемы.
59
Однако химия прямо или опосредованно затронула практически все компоненты окружающей среды — сушу,
атмосферу, воду Мирового океана, внедрилась в природные круговороты веществ. В результате этого
нарушилось сложившееся в течение миллионов лет равновесие природных процессов на планете,
химизация стала заметно отражаться на здоровье самого человека. За последние 30—40 лет в результате
этого пострадали сотни миллионов жителей планеты. Возникла в связи с этим самостоятельная ветвь
экологической науки — химическая экология (е1коз, гр. — учение о доме).
Основными источниками, загрязняющими окружающую среду, кроме собственно химической
промышленности, являются металлургия, автомобильный транспорт, тепловые электростанции. Они дают
большой объем газообразных отходов, загрязняют реки и озера сточными водами, используемыми в
технологических целях. Газообразные отходы содержат оксиды углерода, серы, азота, соединения свинца,
ртути, бензопирен, сероводород и другие вредные вещества. В связи со сжиганием топлива в больших
объемах возникла проблема снижения концентрации кислорода и озона в атмосфере, получившая название
«кислородного голодания».
К твердым отходам относятся отходы горнодобывающей промышленности, строительный и бытовой мусор.
Сточные воды содержат многие неорганические соединения — ионы ртути, цинка, кадмия, меди, никеля и т.д.
Пятая часть вод Мирового океана загрязнена нефтью и нефтепродуктами. Вредные вещества из воздуха и
воды попадают в почву, в которой накапливаются тяжелые металлы, радиоактивные элементы.
В организм человека вредные вещества попадают через воздух, воду и пищу. Таким образом, человечество,
пройдя ряд этапов развития — от огня до термоядерной бомбы, — в начале XXI в. оказалось в условиях,
когда в очередной раз встал вопрос о его выживании.
Человечество выживет при условии, если его потребности в ресурсах биосферы (П) не будет превышать
возможности биосферы (В), П < В при которых сохраняется ее устойчивость. Сохранение баланса между
потребностями и возможностями должно стать основным законом цивилизации XXI века при
взаимоотношениях общества и природы.
Новые технологии по своим параметрам должны приближаться к природным процессам, отличаться от
промышленных своей безотход-ностью или малоотходностью. В настоящее время наметились следующие
пути решения сложных экологических проблем: комплексная переработка сырья; пересмотр традиционных
процессов и схем получения известных продуктов; внедрение бессточных и замкнутых схем
водопотребления; очистка выбрасываемых газов; использование
60
промышленных комплексов с замкнутой структурой материальных и энергетических потоков.
Однако, опираясь на идеи В.И. Вернадского о перерастании биосферы в ноосферу, можно говорить о
неслучайности появления человека на Земле, о его предназначении в кризисной ситуации сыграть роль
спасителя природы. Главная причина деградации окружающей природной среды заключается в ценностных
установках человеческой деятельности, в соответствии с которыми природа рассматривается как средство
достижения экономических целей.
Вопрос состоит не только в том, чтобы остановить процесс разрушения природы техническими средствами.
Вопрос состоит в том, чтобы в корне изменить потребительское отношение человека к окружающему
миру.
Место и роль химии в современной цивилизации — активный элемент сложной системы «общество—
природа», представляющего собой, в свою очередь, открытую систему со Своей структурой и взаимообменом
между веществом, энергией и информацией.
Фундаментальные основы современной химии
На определенном этапе эволюции Вселенной в ней реализуются условия, допускающие формирование
атомов вещества. Определенный набор атомов способен образовать новую систему — молекулу.
Организация материи на атомно-молекулярном уровне приводит к появлению новых свойств материи
— к возможности существования множества веществ с громадным разнообразием свойств.
Наукой, исследующей закономерности, проявляющиеся на атомно-молекулярном уровне организации
материи, является химия. Задача химии состоит в изучении строения молекул и процессов изменения этого
строения в результате их взаимодействия.
Фундаментальными основами химии стали квантовая механика, атомная физика, термодинамика,
статистическая физика, * также физическая кинетика. На основе физики построена теоретическая химия.
Из этого не следует, что химия не существует как самостоятельная наука: химия «выводится» из физики,
но не сводится к ней.
На химическом уровне мы имеем дело с очень большим числом частиц, участвующих в квантовомеханических процессах обмена электронами (химических реакциях). Базовое понятие химии — валент-
61
ность — это макроскопическое, химическое отображение квантово-механических взаимодействий.
Эмпирическая химическая формула соединения показывает, какие элементы и в каком соотношении
входят в состав химического соединения. Эмпирическая формула устанавливается опытным путём. На
основе эмпирической формулы некоторого вещества может быть найдена его молекулярная формула. В
химии выработаны правила определения молекулярной формулы. Молекулярные формулы позволяют
отобразить химические превращения. Для этого используются химические уравнения, которые являются
эффективным и простым способом описания химических процессов.
Благодаря тому, что химии удалось выработать свой собственный язык, свое феноменологическое описание
свойств веществ и химических превращений, химия стала великой наукой задолго до того, как квантовая
механика вскрыла сущность химических явлений.
Язык химии разнообразен; он содержит возможности отображения особенностей химических реакций и
различных свойств веществ. Например, структурные формулы показывают последовательность и
пространственный порядок соединения атомов в молекулах.
Таким образом, атомно-молекулярный уровень организации материи, чрезвычайно сложно
описываемый на фундаментальном уровне, на уровне квантовой механики, потребовал выработки
своего химического языка. Развитие современной химии, ее основные концепции оказались тесно
связанными не только с физикой, но и с другими естественными науками, особенно с биологией.
Особенность и двуединая задаче современной химии
Как и другие составляющие естествознания, химия имеет многочисленные практические приложения. Однако
еще Д.И. Менделеевым было обращено внимание на существенную особенность этой науки: химия.в
значительной мере сама создает свой объект изучения. Самые разнообразные исследования в ней
направлены на раскрытие закономерностей химических превращений, которые реализованы искусственно, на
получение и изучение веществ, большинство из которых в природе не встречается. Химия как наука тесней-
62
шим образом связана с химией как производством. Д.И. Менделеев рассматривал химические заводы как
лаборатории больших размеров. Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся
исследовательская работа, заключается в получении веществ с заданными свойствами. Это и определяет
содержание двуединой центральной задачи химии: исследование генезиса (то есть происхождения)
свойств веществ и разработка на этой основе методов получения веществ с заранее заданными
свойствами.
Концептуальные уровни современной химии
По мере развития химии до ее современного уровня в ней сложились четыре совокупности подходов к
решению основной задачи. Развитие этих подходов обусловило формирование четырех
концептуальных систем химических знаний. Для их представления воспользуемся наглядной схемой (рис.
2).
Концептуальные подходы к решению основной проблемы химии, показанные на схеме, появлялись
последовательно.
Первоначально свойства веществ связывались исключительно с их составом (в этом суть учения о составе).
На этом уровне развития содержание химии исчерпывалось ее традиционным, менделеевским определением
— как науки о химических элементах и их соединениях.
Далее учение о составе было дополнено концепцией структурной химии. Структурная концепция объединяет
теоретические представления в химии, устанавливающие связь свойств веществ не только с составом, но и
со структурой молекул. В рамках этого подхода возникло понятие «реакционная способность», включающее
представление о химической активности отдельных фрагментов молекулы — отдельных ее атомов (и даже
отдельных химических связей)
4. Эволюционная химия
3. Учение о химических процессах
2. Структурная химия
1. Учение о составе
1--------------------------------------.------------------------,----------------------------в».
XVII век
XIX век
1950-е гг. 1970-е гг. Развитие химии
Рис. 2. Системы химических знаний
63
или целых атомных групп. Структурная концепция позволила превратить химию из преимущественно
аналитической науки в науку синтетическую. Этот подход позволил в конечном итоге создать промышленные
технологии синтеза многих органических веществ.
Затем было развито учение о химических процессах. В рамках этой концепции химия вскрыла механизмы
управления реакциями и предложила способы изменения свойств получаемых веществ.
Последний этап концептуального развития химии связан с использованием в ней некоторых принципов,
реализованных в химизме живой природы. В рамках эволюционной химии осуществляется поиск таких
условий, при которых в процессе химических превращений идет самосовершенствование катализаторов
реакций. По существу, речь идет о самоорганизации химических процессов, происходящих в клетках живых
организмов.
Последовательное дополнение химии названными концептуальными системами составляет логику развития
этой науки.
Понятие «химический элемент» и «химическое соединение» с точки зрения
современности
Исходным в учении о составе является вопрос: «Что считать химическим элементом — элементарным,
неразложимым «кирпичиком» вещества?» Отправной точкой решения этой проблемы стало формулирование
Д.И. Менделеевым знаменитого периодического закона. В основу систематизации свойств химических
элементов Менделеевым была положена идея зависимости свойств элемента от атомной массы. Он доказал,
что признаком элемента является место в периодической системе, определяемое атомной массой. Позднее,
в связи с успехами квантовой теории, физика помогла составить представление об атоме элемента как о
сложной квантово-механической системе. Место элемента получило новый смысл, оказавшись
обусловленным зарядом ядра атома (2). На этой основе были выяснены особенности строения электронных
орбит всех элементов и раскрыт физический смысл периодического закона. Химический элемент — это вид
атомов с одинаковым зарядом ядра, то есть совокупность изотопов.
Во времена Д.И. Менделеева было известно 64 элемента. В 1930-е гг. система элементов заканчивалась
ураном (2=92). С нача-
64
.
ла 1940-х гг. таблица пополнялась принципиально новым путем — путем физического синтеза. До середины
50-х гг. были синтезированы 9 элементов. Элемент под номером 101 был назван «менделе-евий». В
последующие годы синтез ядер новых элементов продолжался, но ядра с номером от 102 и далее оказались
крайне неустойчивыми. Самый тяжелый из известных на сегодняшний день элементов (порядковый номер
112) был получен при слиянии ядра цинка с ядром свинца. Его время жизни' измеряется тысячными долями
секунды. Однако, по оценкам физиков, в ряду тяжелых ядер могут существовать «островки стабильности»
элементов при 2=126, 164 и даже 184.
В физически доступном слое Земли всего восемь химических элементов представлены в значительном
количестве. Это — кислород — 47,0 %, кремний — 27,5; алюминий — 8,8; железо — 4,6; кальций — 3,6;
натрий — 2,6; калий — 2,5 и магний — 2,1 %.
Практически все элементы проявляются в земных условиях в составе тех или иных химических систем —
химических соединений.
Какие из многокомпонентных тел следует отнести к химическим соединениям, а что считать простыми
смесями?
Проблема химического соединения традиционно решалась с позиций атомистической концепции. В начале
XIX в. английский химик Дж. Дальтон обосновал закон постоянства состава, отражающий неизменное
соотношение компонентов данного вещества. Впоследствии были найдены доказательства существования
химических соединений переменного состава.
Суть проблемы химического соединения состоит в физической природе сил, объединяющих атомы в
молекулу. Эти силы символизируются химическими связями. В общем случае химические связи обусловлены
проявлением волновых свойств валентных электронов: перекрытием электронных облаков,
обобществлением электронов. В результате выяснения физической сущности химической связи
понятие молекулы претерпело изменение. Теперь в категорию молекулы вошли и такие кваНтовомеханические системы, как монокристаллы, а также полимеры, образованные за счет водородных связей. Но
это уже макроскопические молекулы (макромолекулы). Прежде к макромолекулам относили только гигантские
органические молекулы (полимеры), имеющие молекулярную массу порядка 106, построенные из многих
повторяющихся частей — более простых органических систем (мономеров).
В соответствии с современной точкой зрения химическое соединение — это вещество, атомы которого за
счет химических связей объединены в молекулы, комплексы, макромолекулы, мо-
65
нокристаллы или иные квантово-механические системы. В настоящее время состав любого вещества в
строго математическом смысле переменен.
Таким образом, проблема химического соединения, так же как и проблема химического элемента, решена в
современной химии на основе представлений квантовой физики.
Учение о химических процессах, его вклад в развитие химии
Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомарномолекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К ним относятся термодинамические факторы (температура, давление и др.) и кинетические факторы (все, что связано с переносом
веществ, образованием их промежуточных форм). Их влияние на химические реакции вскрывается на
концептуальном уровне химии, который обобщенно называют учением о химических процессах.
Учение о химических процессах является областью глубокого взаимопроникновения физики, химии и
биологии. Действительно, в основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, которые
в равной степени относятся и к химии, и к физике. А живая клетка, исследуемая биологической наукой,
представляет собой в то же время микроскопический химический реактор, в котором происходят
превращения, изучаег^ые химией, и многие из которых химия пытается реализовать в макроскопическом
масштабе. Таким образом человек вскрывает глубокую связь, существующую между физическими,
химическими и биологическими явлениями, и одновременно перенимает у живой природы опыт,
необходимый ему для получения новых веществ и материалов.
Большинство современных химических технологий реализуется с использованием катализаторов — веществ,
которые увеличивают скорость реакции, не расходуясь в ней.
В современной химии получило развитие также направление, принципом которого является энергетическая
активация реагента (то есть подача энергии извне) до состояния полного разрыва исходных связей. В
данном случае речь идет о больших энергиях. Это та* называемая химия экстремальных состояний,
использующая выс°
66
кие температуры, большие давления, излучение с большой величиной энергии кванта, (ультрафиолетовое,
рентгеновское, гамма-излучение). К этой области относятся плазмохимия (химия на основе плазменного
состояния реагентов), а также технологии, з которых активация процесса достигается за счет направленных
электронных или ионных пучков (элионные технологии).
Химия экстремальных состояний позволяет получать вещества и материалы, уникальные по своим
свойствам: композитные материалы, высокотемпературные сплавы и металлические порошки, нитриды, силициды и карбиды тугоплавких металлов, разнообразные по своим свойствам покрытия.
Эволюционная концепция в химии
Природа в процессе эволюции живых организмов создала своеобразные химические технологии
необычайной эффективности. При изучении химизма живой природы биохимией и молекулярной биологией
было установлено, что состав и структура биополимерных молекул представляют собой единый набор для
всех живых существ, вполне доступный для исследования физическими и-химическими методами.
Уже давно было установлено, что основой химии живого являются каталитические химические реакции, т.е.
биокатализ. Химизм живой природы являлся идеалом для исследователей: «Подражание Живой природе
есть химизм будущего!» Этот девиз, который был провозглашен академиком А.Е. Арбузовым в 1930 г.,
является целепола-гающей идеей развития эволюционной концепции в химии.
Концептуальное представление о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности
идея, предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Пастером в XIX в., остается
основополагающей и сегодня.
Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких
механизмов их действия. Ферменты — это белковые молекулы, синтезируемые живыми "летками. В
каждой клетке имеются сотни различных ферменте. С их помощью осуществляются многочисленные
химиче-кие реакции, которые благодаря каталитическому действию фер-
67
ментов могут идти с большой скоростью При температурах, подходящих для данного организма, то есть в
пределах примерно от 5 до 40°С. (Чтобы эти реакции протекали вне организма, потребовалась бы их
активация за счет высокой температуры или иных факторов активации. Для живой клетки такие условия
означали бы гибель.) Следовательно, ферменты можно определить как биологические катализаторы.
Биокатализаторы обладают высокой селективностью (избирательностью) — один фермент катализирует
обычно только одну реакцию. По принципу биокатализаторов будут созданы искусственные катализаторы.
Биокатализ нельзя отделить от проблемы биогенеза (происхождения жизни). Задача изучения и освоения
всего многообразия каталитических процессов в живой природе — это пролог эволюционной
ХИМИИ.
;
Проблемы моделирования биокатализаторов показали необходимость детального изучения химической
эволюции, то есть установления закономерностей самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых
химических соединений, являющихся к тому же более высокоорганизованными продуктами по сравнению с
исходными веществами. В 1960-х гг. было обнаружено явление самосовершенствования катализаторов в
ходе реакции (тогда, как обычно, катализаторы в процессе их работы дезактивировались, ухудшались и
выбрасывались). Речь идет о проявлении самоорганизации в химическом процессе. Здесь понятие
«самоорганизация» означает такое изменяющееся состояние химической системы, которому присущи все
более высокие уровни сложности и упорядоченности. Проблема биологической самоорганизации (и
биологической эволюции) оказывается самым непосредственным образом связана с проблемой химической
самоорганизации (и химической эволюции). Одна из задач химии, а именно, самого новейшего ее
направления — эволюционной химии, понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому
эволюционную химию можно назвать «предбиологией».
Сущность химической эволюции
V
Картина хемогенеза отчетливо свидетельствует о своеобразном химическом «естественном отборе»
веществ. Как уже отмечалось выше, на сегодняшний день известны 112 химических элементов, од-
68
нако основу живых систем составляют только 6 из них, которые в связи в этим обстоятельством получили
название органогенов. Это углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (г4), фосфор (Р) и сера (8). Их общая
весовая доля в живой материи составляет 97,4 %: Еще 12 элементов (№а, К, Са, Мд, Ре, 8!, А1, С1, Си, 2п,
Со, Мп) составляют примерно 1,6 %. Остальные слабо представлены в живой материи, то есть к участию в
живой материи природа отобрала ограниченный набор элементов. К настоящему моменту науке известно
всего около 8 млн химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96 %) — это
органические соединения, основной «строительный материал» которых перечисленные выше элементы. Из
остальных химических элементов природа создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.
На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, тогда как углерод занимает лишь
16-е место. Совместная же весовая доля важнейших органогенов (С, Ы, Р, 5) в поверхностных слоях Земли
всего около 0,24 %. Следовательно, геохимические условия не сыграли сколько-нибудь существенной роли в
отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем.
Тогда возникает вопрос: по каким признакам химическая эволюция отобрала малую часть элементов в число
органогенов? Это, во-первых,способность образовывать достаточно прочные, энергоемкие химические
связи. Во-вторых, образуемые связи должны быть достаточно лабильными, т.е. изменчивыми,
перестраиваемыми.
Именно поэтому углерод был отобран эволюцией как органоген № 1. Атом углерода образует почти все типы
химических связей, какие знает химия, с самыми разными значениями энергии связи. Он образует углеродуглеродные связи, строя таким путем длинные и стабильные углеродные скелеты молекул в виде цепей и
(или) колец. Углеродные атомы образуют связи с остальными элементами-органогенами (V, N. О, Р и 5).
Соединение с этими и другими элементами в различных комбинациях обеспечивает колоссальное
разнообразие органических соединений. Оно проявляется в размерах, форме молекул и их химических
свойствах.
Кислород и водород нельзя считать столь же лабильными, как углерод; их скорее следует рассматривать в
качестве носителей крайних и односторонних свойств — окислительных и восстановительных, "абильные
атомы серы, фосфора и железа имеют большое значение в биохимии, в то время как стабильные — кремний,
алюминий, натрий,
69
составляющие несравненно большую часть земной коры, играют второстепенную роль.
Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов, да еще 10—15 других элементов
отобраны природой в основу биосистем, так же и в предбиологической эволюции шел отбор химических
соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен;
из 100 известных аминокислот в состав белка входит только 20.
Каким образом из минимума химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный
комплекс — биосистема? В связи с этой проблемой уже могут быть сделаны следующие предварительные
выводы.
1. На ранних стадиях химической эволюции-мира катализ отсутствует. Высокие температуры и радиация
обеспечивают энергию, необходимую для активации любых химических взаимодействий.
2.Первые проявления катализа возникают при смягчении условия (температура менее 5000 К). Роль
катализаторов возрастала по мере того, как физические условия становились все менее экстремальными.
3. После достижения некоторого минимального набора неорганических и органических соединений роль
катализа начала резко возрастать.
4. В ходе дальнейшей эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению
активности и селективности действия каталитических групп.
5. Следующим фрагментом эволюции, сшивающим химическую и биологическую линию эволюции, являются
развитые полимерные структуры типа РНК и ДНК, выполняющие роль каталитических матриц, на которых
осуществляется воспроизведение себе подобных структур.
Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем, выдвинутая в 1964 г. А.П. Руденко, по
существу представляет собой единую теорию хемо- и биогенеза. Сущность этой теории состоит в том, что
химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и, следовательно,
эволюционирующим веществом являются катализаторы. Эта теория является в настоящее время
основанием эволюционной концепции в химии.
Таким образом, эволюционная химия совместно с другими естественными науками постепенно подступает к
расшифровке механизма, предбиологической эволюции и зарождения живого, а вместе с этим — и к
созданию новейших технологий на принципах, заимствованных у живой природы.
70
ВОЗНИКНОВЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ
Многогранность живого
Предбиологические структуры, представляющие собой гигантские органические макромолекулы, являются
пределом химической эволюции вещества. Следующий и принципиально иной уровень сложности в
организации материи по сравнению с атомарно-молекулярным уровнем — это живая материя, живая
природа. Жизнь во всех ее формах является объектом биологии, поэтому, имея в виду все живое, можно
говорить о биологическом уровне организации материи.
Живая природа (коротко — жизнь) — это такая форма организации материи на уровне макромира, которая
резко отличается от других форм сразу многими признаками.
Прежде всего, любой живой объект является системой — совокупностью взаимодействующих
элементов, которая обладает эмерджентными (возникающими) свойствами, отсутствующими у
элементов, образующих этот объект. Для последующего анализа живого воспользуемся определением
жизни, которое дал академик М.В. Волькенштейн: «Жизнь есть ферма существования макроскопических
гетерогенных открытых сильнонеравновесных систем, способных к самоорганизации и
самовоспроизведению». Рассмотрим отдельные положения этой формулировки.
Микроскопичность живого означает, что любой живой организм, начиная с бактерии, или же его
самостоятельно функционирующая подсистема должны содержать большое число атомов. Иначе упорядоченность, необходимая для жизни, разрушилась бы флуктуациями.
Гетерогенность означает, что организм образован из множества различных веществ.
Открытость живой системы проявляется в непрерывном обмене веществом, энергией и информацией с
окружающей средой. Самоорганизация возможна лишь в открытых сильнонеравновесных системах.
Сходство химического состава всех живых организмов. Элементный состав живого определяется главным
образом шестью элементами: кислород, углерод, водород, азот, сера, фосфор. Кроме того,
71
жквые системы содержат совокупность сложных биополимеров, которые для неживых систем не
характерны (белки, нуклеиновые кислоты, ферменты и др.).
Свойство самовоспроизведения сохраняет биологические виды. Конечность живых систем создает условия
их сменяемости и совершенствования.
Свойство всего живого — раздражимость — проявляется в виде реакции живой системы на информацию,
воздействие извне.
Живая система обладает дискретностью — состоит из отдельных (дискретных) элементов,
взаимодействующих между собой и цельностью — все ее элементы функционируют только благодаря
функционированию системы в целом.
Триединство концептуальных уровней познания в современной биологии
Биологию можно определить как науку о живом, о строении живой материи и процессах с ее участием,
формах и развитии живого, о распространении живых организмов и их природных сообществ, взаимосвязях
живой и неживойприроды.
Одна из особенностей биологии связана с тремя концептуальными уровнями биологического знания.
Сосуществуют одновременно три «образа» биологии: описательно-натуралистическая (иное название —
традиционная) биология, физико-химическая биология и эволюционная биология.
Традиционная биология имеет самую долгую историю. Ее метод — тщательное наблюдение и описание
явлений природы, а главная задача — их классифицирование. Объектом изучения традиционной биологии
была и остается живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности.
Физико-химическая биология сформировалась благодаря экспериментальным тенденциям,
существовавшим в науке издавна (поэтому иногда это направление именуют еще и экспериментальной биологией). В настоящее время методами экспериментальной биологии исследуется молекулярный
уровень живого, а также структура и функции живых систем на всех остальных уровнях организации.
Эволюционная биология. С того времени, как в биологии было в полной мере осознано неотъемлемое и
наиболее характерное свой72
ство живого — его способность развиваться и совершенствоваться, концепция эволюции получила в ней
самостоятельное значение и обусловила формирование отдельного направления — эволюционной биологии.
Ее истоки лежат в традиционной биологии. Ч. Дарвин создал теорию естественного отбора, будучи типичным
натуралистом. Современная эволюционная биология имеет задачей последовательное развитие
представлений об увеличении многообразия и сложности живого, включая раскрытие деталей
механизма эволюции и научное решение проблемы происхождения жизни.
На сегодняшний день теоретическая биология только формируется. Главная проблема будущей
теоретической биологии — создание единой теории живого.
Структурные уровни организации живых систем
Жизни, как природному явлению, присуща своя иерархия уровней организации, определенная
упорядоченность, соподчиненность этих уровней. Открытие клетки как элемента живых структур и представление о системности, цельности этих структур стали основой последующего построения иерархии живого.
Концепция структурных уровней живого включает представление об иерархической соподчиненное™
структурных уровней, системности и органической целостности живых организмов.
Молекулярно-генетический уровень. Это тот уровень организации материи, на котором совершается
скачок от атомно-молекуляр-ного уровня неживой материи к макромолекулам живого.
Белки — органические соединения, входящие в состав всех Живых организмов. Белки являются
биополимерными макромолекулами, так как состоят из большого числа повторяющихся и сходных по
структуре низкомолекулярных соединений (мономеров). Перестановки и различные сочетания мономеров в
длинных полимерных цепях обеспечивают построение множества вариантов молекул белка и придают ему
разнообразные свойства. В состав белка входит 20 аминокислот-мономеров.
Характерным физическим свойством аминокислот, содержащихся в живых системах, является то, что все они
способны поворачивать
73
влево плоскость поляризации светового луча. В свою очередь, это означает, что свойством живой материи
является ее молекулярная асимметричность, подобная асимметричности левой и правой рук. Опираясь на
такую аналогию, это свойство живого назвали молекулярной хиральностью (от греч. спег — рука).
Дальнейшие исследования, направленные на изучение механизмов - воспроизводства и наследственности,
позволили выявить то специфическое, что отличает на молекулярном уровне живое от неживого. Наиболее
важным было выделение веществ из ядра клетки, обладающих свойствами кислот и названных
нуклеиновыми (то есть ядерными) кислотами. Один тип этих кислот получил широко используемое
сокращенное название РНК (рибонуклеиновые кислоты), другой — ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты).
Удалось доказать, что ДНК обладают способностью сохранять и передавать наследственную
информацию организмов. В 1953 г. была расшифрована структура ДНК. Оказалось, что молекула ДНК
состоит из двух мономерных цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг
другой наподобие пары электрических проводов. ДНК, находящиеся в клетке, разделены на участки —
хромосомы. Мономеры нуклеиновых кислот несут информацию, по которой строятся аминокислоты и
белковые молекулы организма. Участок молекулы ДНК, содержащий информацию об одном из набора
белков организма, называют геном. Гены расположены в хромосомах. Молекулярная биология, изучающая
биологические объекты и процессы на молекулярном уровне, — один из наиболее ярких примеров %
современной тенденции к интеграции научного знания.
Клеточный уровень. Любой живой организм состоит из клеток. В простейшем случае — из единственной
клетки (бактерии, амебы). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и первоосновой
строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов. Клетки всех организмов сходны по
строению и составу веществ. Всеми сложными многоступенчатыми процессами в клетке управляет особая
структура, как правило, находящаяся в ее ядре и состоящая из длинных цепей молекул нуклеиновых кислот.
Клетки обладают разнообразием форм, размеров, функций. Существуют клетки, не содержащие ядра, —
прокариоты (безъядерные клетки). Исторически они являются предшественниками клеток с развитой
структурой, то есть клеток, имеющих ядро, — эукариотов.
Тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым уровнем организации образует живую ткань. Из
тканей состоят различные органы живых организмов.
74
Структурные уровни организации живых систем
Организменный уровень. Система совместно функционирующих органов образует организм. В отличие от
предыдущих уровней на организменном уровне проявляется большое разнообразие живых систем.
Организменный уровень именуют также онтогенетическим.
Популяционно-видовой уровень образован совокупностью видов и популяций живых систем. Популяция
— это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупное-^ тью генов). Она
является надорганизменной живой системой, так же как и вид, состоящий обычно из нескольких популяций.
На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс.
Биоценотический уровень образован биоценозами — исторически сложившимися устойчивыми
сообществами популяций, связанных друг с другом и окружающей средой обменом веществ.
Биосферный уровень организации живого: совокупность биоценозов образует биосферу Земли.
Отдельные структурные уровни живого являются объектами изучения для отдельных биологических наук
(молекулярной биологии, генетики, цитологии, микробиологии, анатомии и физиологии, зоологии, ботаники и
т.д.)
Развитие современной концепции биохимического единства всего живого
Пока в биологии не существовало методов физико-химического исследования и сколько-нибудь ясных
теоретических концепций, сущность живого сводили к наличию некоей «таинственной силы», благодаря
которой развивается и воспроизводится все живое. Такой подход к пониманию живого называют
витализмом. Витализм уводил исследователей по ложному пути и не способствовал постижению принципов
функционирования живых организмов. Эти принципы были раскрыты на пути детального изучения процессов
обмена веществом, энергией и информацией в живых системах разного Уровня организации, начиная от
клетки и заканчивая биосферой.
Существует несколько точек зрения на саму природу образования жизни на Земле.
Первая заключается в следующем: жизнь возникла на Земле из неживых (минеральных) форм.
75
Следовательно:
а) жизнь представляет собой направленный вектор эволюции от меживого к живому;
б) грань живого и неживого весьма резка, а сама жизнь крайне неустойчива и может в любой момент
вернуться в область неживого;
в) живое из неживого — событие почти невероятное! Особенно если учесть, что на близко расположенных
планетах признаки жизни не обнаружены.
,
Вторая посылка: жизнь получила развитие на Земле. Это означает, что:
а) жизнь является порождением Космоса, а Земля предоставила лишь необходимые условия для ее
развития;
б) преджизненная основа — весьма устойчивое образование, раз она может преодолевать громадные
расстояния в Космосе;
в) сущность принципа Пастера — Реди (живое только от живого);
г) жизнь — не такое уж редкое событие во Вселенной.
По гипотезе английского астрофизика Джеймса Джинса (1877— 1946) предполагается, что жизнь — это
плесень, возникающая на поверхности небесных тел. Это парадоксальное утверждение было наиболее
естественным объяснением возникновения жизни.
Анализируя феномен живого вещества, можно заключить, что он препятствует вырождению материи во
Вселенной, так как часть ее бесструктурного состояния переходит в структурное, понижая энтропию системы.
Фотосинтез — прекрасная иллюстрация этому.
Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе предшествующих предбиологических
структур возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена
веществ (метаболизма) и системы воспроизводства живой клетки.
Изучение указанных систем дало важнейший попутный результат: сформировалась фундаментальная для
всего естествознания идея единства состава и механизмов функционирования живой природы
независимо от уровня организации составляющих ее структур. Эта идея, зародившаяся еще в XIX в.,
обрела вид законченной концепции биохимического единства живого в 1920-х Гг. благодаря трудам
голландских микробиологов А. Клюйве-ра и Г. Донкера — это схожесть химического состава, свойство хиральности живого, универсальная роль аденозинтрифосфата (АТФ) в качестве аккумулятора и переносчика
биологически запасенной энергии; универсальность генетического кода и др.
76
Основы функционирования энергетики живого
Все функции живых систем, требующие расходования энергии, должны обеспечиваться ею от некоторых
внешних источников. Часть организмов синтезирует эти вещества внутри себя из неорганических веществ (из
углекислого газа и воды под действием солнечного света — такой процесс называется фотосинтезом) или в
процессе окисления (хемосинтез в некоторых бактериях). Эти организмы называют автотрофами.
Большинство автотрофов — это зеленые растения, осуществляющие фотосинтез. Другая часть организмов
(например, все животные и человек), называемых гетеротрофами, приспособилась к потреблению энергии
из готовых органических веществ, синтезированных автотрофами.
Питательные органические вещества, поглощаемые гетеротрофами, обладают большей упорядоченностью
(меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы гетеротрофов переносят
упорядоченность (негэнтропию) из внешней среды в самих себя. Для автотрофов эта же цель достигается
путем выполнения внутренней работы за счет энергии электромагнитного излучения солнца.
Таким образом, назначение метаболизма, то есть обмена веществ живой системы с внешней средой,
состоит в поддержании определенного уровня организации этой системы и ее частей. Метаболизм
необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами
в живой системе.
Между двумя типами организмов — авто- и гетеротрофами — существует пищевая (трофическая) связь.
Живые системы образуют пищевые цепочки: энергия, накопленная при фотосинтезе растениями, передается
через травоядных к хищникам; заключительным звеном пищевой цепочки являются микробы,
перерабатывающие вещество отмерших организмов в неорганические вещества. В последующем зги
молекулы вновь могут участвовать в образовании живых систем. В итоге в биосфере сформировался
глобальный круговорот веществ, который обусловлен так называемыми биогеохимнчески-Ми Циклами.
Основными являются циклы обращения в биосфере ВоДы, а также элементов, из которых состоят живые
системы.
Первоисточником энергетического потока, проходящего сквозь все пищевые цепочки в биосфере,
служит энергия солнечного электромагнитного излучения, попадающая на поверхность емли в видимом
диапазоне (свет). Финалом преобразований в пище?
77
вых цепочках является освобождение энергии в виде тепла при переработке микробами органических
остатков. Вся высвободившаяся в процессе жизнедеятельности в биосфере энергия возвращается поверхностью Земли в мировое пространство главным образом в виде электромагнитного излучения
инфракрасного диапазона.
В глобальном энергетическом балансе принципиально важно, что энтропия поступающего на Землю
коротковолнового излучения меньше, чем энтропия длинноволнового излучения, переизлучаемого
нашей планетой. За счет этой отрицательной разности энтропии на поверхности Земли возможно
образование и поддержание упорядоченных структур (как это происходит и во многих других природных
системах). Вся биосфера Земли представляет собой высокоорганизованную систему, упорядоченность в
которой поддерживается за счет отрицательного энтропийного баланса.
Особенности термодинамики, 1 самоорганизации и информационного обмена в
живых системах
Живая система, как и любая иная природная система, подчиняется законам термодинамики. Элементы
живого организма (да и всех живых систем вообще) постоянно разрушаются и строятся вновь. Этот процесс
носит название биологического обновления. Для его обеспечения требуется непре-кращающийся приток
извне вещества и энергии, а также вывод во внешнюю среду части продуктов биохимических процессов,
включая тепло. Таким образом, любые функционирующие организмы обязательно являются
неизолированными, открытыми термодинамическими системами. Если система далека от
термодинамического равновесия и содержит множество флуктуирующих подсистем {т. е. случайных
отклонений от некоторого среднего положения), то она является также неравновесной. Если усло-•вия
существования системы неизменны, то потоки вещества и энергии постоянны. В этом случае неравновесное
состояние стационарно, то есть оно не изменяется со временем (это называют также динамическим
равновесием).
Подобно тому, как в термодинамике равновесных систем особым состоянием является равновесное
состояние, в термодинамике неравновесных систем особую роль играют стационарные состояния. Для
78
живых систем, которые всегда неравновесны, но поддерживаются в стационарном состоянии, это означает
следующее:
1) в течение времени жизни системы ее элементы постоянно подвергаются распаду, обусловленному
увеличением энтропии (мерой хаоса);
2) для компенсации возникающей в результате распада неупорядоченности в системе совершается работа в
форме процессов синте за элементов взамен распавшихся; эта работа обусловливает отрицательную
добавку энтропии. Такие процессы создают упорядоченность.
«Быть живым значит быть организованным» — говорил В.И. Вернадский.
Термодинамика помогает с принципиальной точки зрения осмыслить факт наличия высокой организации в
живых системах. Но механизм поддержания такой упорядоченности можно раскрыть, лишь привлекая
представления теории управления и кибернетики (науки об управлении и передаче информации в
машинах, живых организмах и социальных структурах).
В живой системе реализуется механизм самоуправления и самоорганизации на основе непрерывного
обмена информацией с внешней средой. Это обеспечивает выработку самим организмом реакций,
направленных на максимальное его приспособление к изменяющимся условиям. Самоорганизация — это
процесс создания, поддержания и совершенствования сложной системы без управляющего вмешательства
извне. Самоорганизация и самоуправление в живой системе невозможны без информационных связей
между ее элементами, осуществляемыми через механизм управления.
Процесс самоорганизации имеет три основных характеристики: гомеостаз (поддержание параметров
внутренней среды), обратная связь и информация.
Положительные обратные связи играют роль «усилителей» процессов жизнедеятельности. Такого рода
связь существует между неограниченными пищевыми ресурсами для некоторого вида животных и их
численностью. Наличие одной лишь такой связи привело бы к постоянному росту численности данного вида.
Отрицательные обратные связи, наоборот, служат для поддержания стабильной ситуации в живой
системе. Они обеспечивают, например, оптимальную численность популяций в биоценозе, стабильную
температуру организма и т.д.
Информационные связи в организме осуществляются по нескольким каналам. Гормональная связь носит
химический характер. Гормон — химическое вещество, выполняющее роль внутреннего стиму-
79
[7[ Роль генетического материала в воспроизводстве...
лятора определенных процессов в организме; с кровотоком поступает во все сферы организма, но действует
избирательно на отдельные органы. Нервные связи обеспечивают передачу по нервным волокнам
информационных импульсов, подключающих необходимые органы к переработке и восприятию информации.
Генетическая связь обеспечивает передачу наследственной информации на популяцион-но-видовом уровне
и осуществляется посредством генов.
Роль генетического мвтериала в воспроизводстве и эволюции живых организмов
Генный механизм передачи наследственной информации изучается генетикой. Успехи генетики обусловили
раскрытие механизма воспроизводства и эволюции жизни на молекулярном уровне. Истоком генетики
считают открытие Г. Менделем в 1865 г. корпускулярной природы наследственности. В 1909 г. В. Иогансен
ввел основополагающие термины генетики (ген, генотип и др.) и придал модели Менделя четкую форму. В то
время понятие «ген» не связывалось с каким-то материальным объектом клетки; ген обозначал просто единицу наследственного отличия. Отождествление гена с частью хромосом было осуществлено позже
американским биологом Т. Морганом. Развитие молекулярной генетики раскрыло химическую природу генов
как части молекулы ДНК с особым набором мономеров-нуклеотидов, последовательность которых образует
генетический код. Расшифровка структуры генетического кода показала его трип-летность,
однозначность и универсальность. Триплетность кода означает, что каждая из 20 аминокислот
зашифрована последовательно — кодоном — из трех нуклеотидов. Универсальность означает, что код един
для всех живых организмов планеты, то есть одни и те же кодоны кодируют одни и те же 20 аминокислот всех
живых организмов.
Свои функции система воспроизведения осуществляет посредством ДНК и РНК. Первая хранит
генетическую информацию, заложенную вдоль собственной цепи. Вторая способна ее считывать, переносить
в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные материалы, и строить из них белковые
молекулы.
80
Роль генетического материала в воспроизводстве...
Процесс воспроизводства состоит из трех стадий: репликации, транскрипции, трансляции. Репликация — это
удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клетки. Транскрипция представляет собой
перенос кода ДНК путем образования одноцепочеч-ной информационной молекулы РНК на одной из двух
нитей ДНК. Информационная молекула РНК — это копия части ДНК, группы рядом лежащих генов, несущих
информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. Далее происходит трансляция — синтез белка на основе генетического кода информационной РНК.
Таким образом, главное в механизме само-воспроизведения клеток — свойство ДНК самокопироваться и
строго равноценное деление репродуцированных хромосом. После этого клетка может делиться на две
совершенно идентичные. Так как каждая клетка многоклеточного организма происходит от одной из
зародышевой как результат последовательных делений, то все клетки имеют одинаковый набор генов.
В настоящее время перед наукой открылась возможность влиять на саму наследственность на молекулярном
уровне. Эту возможность реализует новое направление молекулярной биологии — генная инженерия,
разрабатывающая методики целенаправленного манипулирования информационными макромолекулами живых систем.
Первым с помощью генной инженерии был получен инсулин, затем интерферон, потом гормон роста. Позже,
благодаря вмешательству в конструкцию ДНК, были изменены качества десятков пород животных и сортов
растений, многие из которых внедрены в сельскохозяйственное производство.
С помощью генетической экспертизы можно с чрезвычайно высокой точностью устанавливать родство
конкретных людей, выполнять идентификацию останков погибших людей. Эти возможности находят широкое
применение в повседневной юридической практике.
Сразу же после своего возникновения генная инженерия стала не только одним из самых перспективных
направлений прикладной биологии, но также источником совершенно новых и глубоких этических, моральных
и юридических проблем.
Одним из ярких примеров такого рода проблем является вопрос о морально-этической оценке опытов по так
называемому клонированию (созданию точной генетической копии) живых организмов.
81
Научные факты, обосновывающие
эволюционность живого
Для живой природы постоянное развитие — характерная черта, которая, впрочем, долго не замечалась
человеком. Становление эволюционной парадигмы в биологии началось в конце XVIII в. Выдающийся вклад в
формирование эволюционного мышления биологов принадлежит Ж.Б. Ламарку. Проблемы, поставленные
Ламарком, были решены Ч. Дарвином. В своем знаменитом труде «Происхождение видов путем
естественного отбора» (1859 г.) он изложил разработанную им эволюционную теорию.
Эволюционность живой природы подтверждается биологией и родственными ей науками. Главными
свидетельствами являются данные палеонтологии, систематики, информация о распространенности видов
на Земле сейчас и в ранние периоды, морфологическое и биохимическое сходство живых организмов,
данные эмбриологии и многие другие. Кратко рассмотрим некоторые из них.
Палеонтология занимается изучением и сис-тематизацией любых сохранившихся в геологических породах
следов древней жизни, остатков погибших в далекие эпохи организмов. Хронологически систематизированная совокупность данных палеонтологии называется палеонтологической летописью. В
самых древних горных породах, содержащих ископаемые остатки, встречаются следы организмов очень
немногих типов, и все они имеют простое строение; более поздние породы содержат следы большего
разнообразия живого мира и организмов со все более сложным строением. Очевиден вывод об эволюции
живой природы.
Этот вывод подтверждается и сравнительной эмбриологией. При изучении эмбрионов (зародышей) у
разных групп позвоночных было открыто явление рекапитуляции: при своем развитии эмбрион в
определенной мере повторяет эволюционную историю той группы организмов, к которой он относится.
Естественная классификация биологических объектов, основанная на структурном сходстве между
организмами, также убедительно иллюстрирует наличие эволюционного процесса и его последствия.
Наконец, селекция (искусственное выведение сортов растении, пород животных) представляет собой модель
эволюции в условиях, созданных человеком. Это искусственно направляемая эволюция.
82
Итак, обширная научная информация однозначно подтверждает факт эволюции живого. В процессе
исторического развития Земли возрастали разнообразие и сложность биологических объектов.
Исторически сформированные концепции происхождения жизни
Эволюция жизни предполагает ее истоки, начало. Проблема происхождения жизни является одной из
важнейших не только в биологии, но и во всем естествознании и имеет большое мировоззренческое
значение.
Концепция сверхъестественного (божественного) происхождения живого — креационизм — основана
на вере и поэтому не относится к области науки.
Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества появилась в
древности; ее придерживался еще Аристотель.
В XVII в. биолог Ф. Реди противопоставил ей принцип: живое возникает только из живого (так называемый
принцип Реди, или концепция биогенеза). Уже в XIX в. Л. Пастер окончательно опроверг
концепциюсамопроизвольного зарождения, показав, что эффект неоднократного появления жизни там, где
она не существовала, связан с бактериями. Методика избавления от бактерий получила название
пастеризация (по имени своего разработчика).
Концепция стационарного состояния предполагает, что Земля и жизнь на ней существовали всегда,
причем в неизменном виде. Эта концепция не согласуется с перечисленными выше свидетельствами
эволюционное™ живого.
Концепция панспермии связывает появление жизни на Земле с ее занесением из космического
пространства. Теоретическая возможность панспермии подтверждается обнаружением следов органических
соединений в метеоритном и кометном веществе. В 1975,г. предшественники аминокислот найдены в лунном
грунте. Эта концепция разделялась многими учеными, и интерес к ней периодически возрастает.
Общепринятой в естествознании в настоящее время можно счиТать к°нцепцию биохимической эволюции. Согласно современ°му варианту концепции, жизнь зародилась на Земле естественным
83
путем в результате химических, а затем — биохимических процессов. Причем это явилось не маловероятной
случайностью, а достаточно вероятным результатом самоорганизации.
Научная постановка проблемы происхождения жизни принадлежит Ф. Энгельсу, считавшему, что жизнь
возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи. В концепции биохимической эволюции
важную роль играет эволюция самой планеты Земля.
Особенность условий не ранней Земле
Скачок эволюции «аминокислоты — живая клетка» до сих пор остается непознанным. Весь этот скачок с
помощью ряда гипотез разбивается на цепочку шагов, но каждый шаг — во многом загадка, а вся схема —
комплексная гипотеза.
Первоначально допускалась возможность случайной «сборки»: в результате многократных актов
взаимодействия простых органических веществ случайно образовалась молекула, способная нести и передавать генетическую информацию. Однако подсчеты показали, что вероятность подобного процесса имеет
порядок 1/102000, и за время, отведенное геологической историей для синтеза простейших организмов,
осуществить его случайным перебором практически невозможно. Поэтому гипотеза случайного соединения
не пользуется признанием. Английский астрофизик Ф. Хойл высказался по этому поводу столь красочно, что
его слова вошли в фольклор: эта идея «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган,
пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке "Боинга-747"».
Современная точка зрения на биохимическую эволюцию базируется на идеях о самоорганизации в открытых
сильнонеравновесных системах.
Итак, при рассмотрении проблемы возникновения жизни естественным путем, то есть в рамках концепции
биохимической эволюции, можно выделить три основных этапа предположительного сценария перехода от
живого к неживому:
1) этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной
атмосферы и состояния поверхности ранней Земли;
2) этап синтеза биополимеров из накопившихся органических соединений;
84
3) самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное
совершенствование процессов обмена веществ и воспроизводства органических структур, завершающееся
образованием простейшей клетки. Не все пока ясно с первыми двумя этапами, а в отношении третьего этапа
некоторое прояснение наметилось лишь в самые последние годы.
В связи с данной концепцией возникает естественный вопрос об исключительности условий биохимической
эволюции на планете Земля и, соответственно, об уникальности известной нам формы жизни. Постулируя,
что в условиях, сходных с теми, которые имелись на молодой Земле, развитие живого вполне вероятно,
можно прийти к естественному выводу о том, что в каких-то местах громадной Вселенной должны
встречаться формы жизни, сходные с земными. На этой принципиальной позиции стоят многие ученые. Тем
самым подхватывается мысль Джордано Бруно о множественности обитаемых миров.
Исходя из данных астрономии, можно однозначно заключить, что в ближайших к нам звездных системах
условий для образования цивилизаций не существует. Но не исключается существование примитивных форм
жизни. Так, группа американских ученых считает, что ею обнаружены свидетельства примитивной
одноклеточной жизни, существовавшей на Марсе в далеком прошлом. Ввиду скудности подобного материала
сейчас нельзя сделать однозначных выводов по данной проблеме. Возможно, что в этом помогут будущие
марсианские экспедиции.
Современные представления об эволюции природы
Под биологической эволюцией понимают процесс исторического развития живого мира от древнейших форм
жизни до современных и будущих форм. Сущность процесса эволюции проявляется в непрерывном
приспособлении биологических видов к разнообразным условиям окружающей среды и в появлении
все более сложно устроенных организмов. Можно коротко сказать, что биологическая эволюция
направлена от простых биологических Форм к сложным.
85
Понятие эволюции относится не только к человеку, но и к эволюции Универсума (от лат. Universum — мир как
целое). Причем универсум понимается как самодостаточная, самоорганизующаяся система.
Примем за постулат, что главной целью развития Универсума является становление жизни за счет
самоорганизации сложных систем на базе их изменчивости. Соответственно важными исходными свойствами
Универсума можно считать: изменчивость, приспособляемость и реализуемые на их основе естественный
отбор и наследственность.
Это почти соответствует известной триаде Дарвина (изменчивость — наследственность — отбор) и приводит
к разнообразию всего сущего.
Изменчивость и приспособляемость
Дарвинизм
Ламаркизм
разнообразие
номогенез
прогресс, повышение организации систем
Рис. 3. Схема вариантов описания эволюционных концепций
Сегодня известны два главных представления об эволюции природы.
Согласно первому из них, связанному с понятием номогенеза (от лат. Nomogenes, «Nomo» — закон,
«Genesis» — происхождение) разнообразия эволюции природы происходит не случайным образом, а по
определенному плану. Наряду с концепциями дарвинизма и ламаркизма теория номогенеза утверждает
запрограммированное определенным алгоритмом заполнение вакантных ячеек некоей матрицы всех
возможных видов и форм жизни. Найденным в моделях номогенеза закономерностям соответствует в чем-то
периодический закон химических элементов Д.И. Менделеева: возможные в природе варианты должны были
заполнять соответствующие клетки таблицы, аналогичной таблице Менделеева.
Теории номогенеза, ламаркизма и дарвинизма не противоречат друг другу, а являются
взаимодополняющими, т.е. комплементарными.
86
Вторым главным направлением в объяснении эволюции является «логика динамических систем в природе и
обществе» (академик Никита Моисеев).
Согласно этой теории развития сложных систем Универсума происходит монотонно или относительно
спокойно (по Дарвину) только на определенных отрезках времени.
Эти отрезки завершаются точками бифуркации (неравновесия). В них система скачкообразно переходит в
другое качество, формируя новое состояние (новый аттрактор в терминах синергетики).
В истории человечества такие бифуркации соответствуют неким 'граничным ситуациям, являющимся часто
катастрофическими.
Если же принять теорию номогенеза, то в открытой системе конкретного Универсума накладываются
внешние возмущения, стимулирующие бифуркационные скачки в живой и неживой природе. Например, такие
факторы как изменение космических ритмов, солнечной активности, угла наклона Земной оси, могут
вызывать катастрофические процессы типа ледниковых периодов, «всемирных потопов» и других бедствий.
Но эти внешние катастрофы происходят не по законам номогенеза данного открытого Универсума, а по
сценарию Суперуниверсума, развивающегося по своим собственным законам.
ФИЗИОЛОГИЯ
Основные концепции современной физиологии
Элементарной структурой и функциональной единицей всего Живого на Земле является клетка.
Выдающимся достижением в физиологии клетки является обоснование в конце 40—50-х гг. XX столетия
мембранной теории биоэлектрических потенциалов (А. Ходжкин, Э. Хаксли, Б. Катц). Согласно этой теории
биоэлектрические потенциалы обусловлены неодинаковой концентрацией ионов К + , Юа"1", СГ внутри и вне
клетки и различной проницаемостью для них поверхностной мембраны.
Нобелевской премии удостоены физиологи Д. Экклс, Э. Хаксли, А. Ходжкин за изучение ионных механизмов
двух основных физиологических процессов — возбуждения и торможения. Д. Экклс впервые
87
осуществил внутриклеточное отведение электрических потенциалов в клетках центральной нервной системы,
определил электрофизиологические характеристики возбуждающих и тормозящих потенциалов, открыл один
из видов торможения.
Параллельно шли исследования структурной и функциональной организации клетки. Г. Паладе принадлежит
открытие и описание рибосом. Р. Дюв открыл новый класс субклеточных частиц, названных им лизосомами,
выяснил их природу и развил концепцию об их функции^определил участие лизосом в физиологических и
патологических процессах в клетке. В результате дальнейших исследований выявилось единство принципа
функционирования, химической динамики и энергетики обладающих подвижностью различных клеток
организма.
Как известно, нервы и мышцы (нервная и мышечная ткани) относятся к возбудимым образованиям. Это
значит, что в ответ на раздражение в них возникают различные электрические потенциалы. Одним из
достижений физиологии XX в. считается открытие медиаторов (ней-ротрансмиттеров) и создание учения о
химическом механизме передачи нервного импульса в синапсах.
Медиатором передачи нервных импульсов в симпатической нервной системе служит вещество
норадреналин, в парасимиатической системе — ацетилхолин. В настоящее время описано уже несколько
десятков медиаторов, оказывающих как возбуждающее, так и тормозящее влияние.
Развивая учение И.М. Сеченова о рефлексах, И.П. Павлов разработал учение об условных рефлексах. Это
позволило ему не только получить подтверждения сформулированной Сеченовым концепции о зависимости
всех функций организма от окружающей среды, но и создать новое учение — физиологию высшей нервной
деятельности человека и животных. Павлов развил основные представления о типах нервной системы,
создал учение об анализаторах, заложил основы экспериментальной патологии высшей нервной деятельности. И.П. Павлову, единственному из русских физиологов, за большой вклад в изучение физиологии человека
была присуждена Нобелевская премия.
Английский нейрофизиолог Ч. Шеррингтон сформулировал общие принципы деятельности нервной системы,
показал, что при осуществлении любого рефлекса нервная система функционирует как единое целое. За
разработку нейронного механизма рефлексов -~ самых элементарных актов поведения — Ч. Шеррингтон
удостоен Нобелевской премии.
88
В России исследования по физиологии центральной нервной системы развивались по нескольким
направлениям. Так, существенное значение имела концепция А.А. Ухтомского о доминанте, одном из
принципов осуществления деятельности нервной системы.
П.К. Анохин, развивая рефлекторную теорию, создал учение о функциональных системах, раскрывающий
приспособительную деятельность организма.
Немецкий электрофизиолог Г. Бергер впервые зарегистрировал методом электроэнцефалографии
биоэлектрическую активность мозга человека, детально изучил форму и ритмы электрических колебаний и
ввел метод электроэнцефалографии в клиническую практику.
Нобелевская премия была вручена В. Гессу за открытие функциональной организации промежуточного мозга
и его связи с деятельностью внутренних органов.
Наш соотечественник М.Д. Ливанов разработал один из методов электроэнцефалографии, позволяющий
проводить детальный анализ биоэлектрических процессов, протекающих одновременно по всей поверхности
коры больших полушарий головного мозга.
Перейдем к основным концепциям в физиологии висцеральных систем (т. е. функций внутренних органов).
Значительная часть исследований в области физиологии пищеварения в XX столетии осуществлялась под
влиянием работ И.П. Павлова. А.М. Уголев открыл новый тип пищеварения — пристеночное (мембранное),
что позволило обосновать трехзвенную систему деятельности пищеварительной системы: полостное
пищеварение.— мембранное пищеварение — всасывание.
Изучение регуляции водно-солевого обмена и функций почек в России осуществлялось главным образом под
руководством Л.А. Орбели, обосновавшего положение о том, что ведущей функцией почки является
гомеостатическая.
Ф. Бантингу и Д. Маклеоду, а также Ч. Бесту присуждена Нобелевская премия за открытие инсулина. Они не
только выделили гормон поджелудочной железы — инсулин, но и разработали метод лечения этим гормоном
сахарного диабета.
Американскому физиологу У. Кеннону принадлежит открытие роли аДреналина как симпатического
передатчика и создание концепции 0 симпатико-адреналовой системе.
Канадский физиолог и патолог Г. Селье известен благодаря выдвинутой им теории неспецифического
реагирования организма, сформулированной в виде концепции стресса. Селье заложил также осно-ВЬ|
психофизиологии стресса.
89
Кровь, лимфа и тканевая жидкость — это внутренняя среда организма. Внутренняя среда организма
обладает динамическим постоянством констант — гомеостазом. Гомеостаз — условие независимого
существования организма человека. В 1939 г. Ланг ввел в науку понятие «система крови» — это органы
кроветворения, органы кровераз-рушения, периферическая кровь, нейрогумсральный аппарат регуляции.
Эритроциты образуются в красном костном мозгу. В нем же осуществляется разрушение эритроцитов, синтез
гемоглобина. Разрушение эритроцитов, а также дифференцировка лимфоцитов происходит и в селезенке.
Функции системы крови следующие:
1) поддержание гомеостаза;
2) транспортная (перенос газов крови, питательных веществ, продуктов их метаболизма);
3) терморегуляторная;
4) защитная (участие в иммунных реакциях);
5) экскреторная (выделительная) и др.
Обмен крови в организме человека составляет 4—б литров (или 6—8 % от массы тела). Всего 40—45 % крови
движется по сосудам; при нагрузках на организм кровь выходит из кровяных депо (селезенка, печень, легкие)
и ее обмен увеличивается.
На каждые 100 частей крови приходится 45 % форменных элементов, а 55 % — это жидкая часть крови —
плазма. Цвет крови различается: артериальная кровь алая, венозная — темно-вишневая. Вязкость крови
составляет 5 единиц и зависит от содержания в крови форменных элементов и белков. Плотность крови
находится в пределах 1,050—1,060. Важнейшим показателем крови является кислотно-щелочное равновесие
— рН крови — 7,36—7,4 единицы. Плазма, из которой извлечен один из ее белков — фибриноген, называется
сывороткой крови. Сыворотка используется для определения групповой принадлежности крови.
Форменные элементы крови (клетки) разделяются на эритроциты, лейкоциты, тромбоциты.
Эритроциты — красные кровяные клетки — это безъядерные высокоспециализированные клетки крови. Их
количество составляет от 4х1012 до 5х1012 штук в литре крови. Их основная функция — транспортная:
перенос кислорода и углекислого газа за счет содержимого эритроцитов — гемоглобина.
90
Лейкоциты — белые кровяные клетки, имеющие ядро и обладающие амебоидным движением. Их
содержание в крови колеблется от 4х109 до 9хЮ9 штук в литре крови. Процентное соотношение двух фракций
зернистых лейкоцитов и незернистых называется лейкоцитарной формулой. Основная функция этих клеток
крови — защитная — участие в поддержании иммунитета.
Тромбоциты — красные кровяные пластины — выполняют также защитную функцию, участвуя в механизмах
свертывания крови. Их количество в крови здорового человека колеблется от 250хЮ 9 до 4005109 штук в
литре крови. Различают процесс свертывания в мелких сосудах, например, капиллярах, и в крупных —
артериях, венах. Процесс свертывания крови называется гемостазом. Если гемостаз протекает в капиллярах,
то он сводится к кратковременному спазму сосудов, приклеиванию, а затем скучиванию тромбоцитов в месте
повреждения сосуда, что приводит к образованию тромбоцитарной пробки. В крупных сосудах гемостаз
протекает ферментативным путем в три фазы.
В результате взаимодействия свертывающей и противосвертыва-ющей систем, существующих во
взаимодействии в организме, кровь пребывает в жидко-агрегатном состоянии.
Еще в 1901 г. австрийский ученый К. Ландштейнер, смешивая эритроциты с сывороткой крови, обнаружил,
что при одних сочетаниях сыворотки и эритроцитов разных людей наблюдается агглютинация (т. е.
склеивание эритроцитов), а при других — нет. Это происходит в результате взаимодействия присутствующих
в эритроцитах факторов — агглютиногенов — и содержащихся в плазме антител (агглютининов). Главные
агглютиногены эритроцитов — А и В, а агглютинины плазмы — а и (3. Ландштейнер установил, что в крови
одних людей совсем нет агглютиногенов (I группа, или 0), в крови других — только агглютино-ген А (II группа,
А), у третьих — только агглютиноген В (III группа, В), а четвертая содержит оба агглютиногена. В то же время
в крови разных людей существуют либо один, либо два, либо ни одного агглютинина. Никогда не встречаются
в крови одного человека в норме одноименные агглютиноген и агглютинин, например Ас а или Всь. Таким
образом, было описано четыре группы крови по системе АВ0:
А
В
а
3
КО)
-
+
+
-
+
]\(А)
-
+
III (В)
IV
+
+
+
+
-
-
91
Учение о группах крови усложнилось в связи с открытием новых систем агглютиногенов. Своеобразным
агглютиногеном является также резус-фактор, открытый Ландштейнером в 1940 г.
85 % людей имеют этот агглютиноген в крови, а 15 % — не имеют. Резус-фактор имеет большое значение в
медицинской практике. Изучение крови на резус-фактор теперь обязательно проводят вместе с обычным
определением группы крови во избежание резус-конфликта.
Система кровообращения
Система кровообращения у человека — это сердце и замкнутая система кровеносных сосудов, включающая
артерии, вены, капилляры. Кровь движется по сосудам главным образом за счет работы сердца. Сокращаясь,
сердце выбрасывает порцию крови (70 мл) в артерии, при расслаблении сердца в него вливается кровь из
вен. Масса сердца колеблется в пределах 200—400 г, по объему оно сопоставимо с кулаком, сердце
сокращается ритмично. Частота сердцебиений составляет 75 раз в минуту. Объем крови, перекачиваемой
сердцем за 1 минуту, составляет 6 л, но может достигать и 30 л/мин, если человек находится в состоянии
возбуждения или выполняет большую физическую нагрузку.
Сердце человека состоит из 2 половин — правой и левой. В каждой из них имеются 2 камеры — предсердие и
желудочек. Следовательно, сердце у человека — четырехкамерное.
Из левого желудочка артериальная кровь вытал-кивается в самую крупную артерию — аорту. Аорта дает
начало большому кругу кровообращения, назначение которого — питание кровью, богатой кислородом и
питательными веществами, всего тела человека. Правым предсердием заканчивается большой круг
кровообращения. Малый (легочный) круг кровообращения начинается из правого желудочка сердца легочным
стволом, затем кровь направляется в легкие. Благодаря сокращениям сердца кровь поступает в артерии,
вены, капилляры. Последние образуют густую сеть длиной 200 000 км.
Сердечная мышца обладает целым рядом физи-ологических свойств (например, автоматией), исследовать
которые можно с помощью различных физиологических методов, самым традиционным из которых является
электрокардиография. Методика представляет собой снятие электрических потенциалов сердца с
поверхности тела. Регистрация элек-трокардиограммы производится в стандартных (от конечностей) и
грудных отделах.
92
Лимфатическая система
Особенности кровотока в артериях, венах, капиллярах изучает специальный раздел физиологии —
гемодинамика. Одним из методов, применяемых в гемодинамике, является регистрация артериального
давления. В нормальных условиях у взрослого человека максимальное (систолическое) давление составляет
110—125 мм рт. ст., а минимальное (диа-столическое) — 70—85 мм рт. ст.
Лимфатическая система
Система лимфообращения осуществляет постоянный отток межтканевой жидкости по направлению к сердцу.
Кроме того, к функциям лимфы относятся поддержание объема и состава тканевой жидкости, всасывание и
перенос питательных веществ из пищеварительного канала в венозную систему, участие в иммунных
реакциях организма посредством доставки лимфоцитов, антител и др.
Лимфатическая система состоит из органов иммунной системы: костного мозга, вилочковой железы,
миндалин, лимфатических узлов, селезенки, лимфоидных узелков, расположенных в слизистой оболочке
внутренних органов, в основном пищеварительных. Кроме того, к лимфатической системе относятся и
лимфатические пути (лимфака-пилляры, лимфасосуды и т. п.). Начальный отдел лимфатической системы —
это замкнутые лимфокапилляры, в них и переходит межтканевая жидкость. По мере продвижения к грудному
и шейному протокам лимфа проходит через биологические фильтры — лимфатические узлы. В них
происходит обеззараживание лимфы — освобождение ее от бактерий и токсинов. Лимфа движется только в
одном направлении — от тканей по ее главным протокам и через них — в венозную систему. Ее движению
способствуют ритмические сокращения стенок лимфатических сосудов и отрицательное (присасывающее)
внутригрудное Давление. Обратному току лимфы препятствуют многочисленные клапаны в лимфатических
сосудах.
,Дыхательная система
Основная функция органов дыхания — обеспечение тканей орга-изма человека кислородом и освобождение
их от углекислого газа. Ряду с этим органы дыхания участвуют в голосообразовании, обо-янии и других
функциях. В дыхательной системе выделяют органы,
93
которые выполняют воздухопроводящую (полость носа, носоглотка, гортань, трахея, бронхи) и газообменную
функции (легкие). В процессе дыхания атмосферный кислород связывается кровью и доставляется в клетки и
ткани организма. Внутриклеточное дыхание обеспечивает освобождение энергии, необходимой для
поддержания процессов жизнедеятельности. Образующийся при этом углекислый газ (С0 2) переносится
кровью к легким и удаляется с выдыхаемым воздухом.
Поступление воздуха в легкие (вдох) является результатом сокращения дыхательных мышц и увеличения
объема легких. Выдох происходит вследствие расслабления дыхательных мышц. Следовательно,
дыхательный цикл складывается из вдоха и выдоха. Дыхание осуществляется непрерывно благодаря
нервным импульсам, поступающим из дыхательного центра, расположенного в продолговатом мозгу.
Дыхательный центр обладает автоматией, но его работа контролируется корой больших полушарий.
Взрослый человек за один дыхательный цикл вдыхает и выдыхает в среднем около 500 см 3 воздуха. Этот
объем называется дыхательным. При дополнительном (после нормального вдоха) максимальном вдохе
можно вдохнуть еще 1500—2000 см3 воздуха. Это дополнительный объем вдоха. После спокойного выдоха
можно дополнительно выдохнуть еще около 1500—3000 см3 воздуха. Это дополнительный объем выдоха.
Жизненная емкость легких равна суммарной величине дыхательного и дополнительного объемов вдоха и
выдоха (3—5 литров). Определение жизненной емкости легких производят методом спирометрии.
Пищеварительная система
Пищеварительная система человека состоит из пищеварительной трубки (длиной 8—9 м) и тесно связанных с
нею крупных пищеварительных желез — печени, поджелудочной железы, слюнных желез (крупных и мелких).
Пищеварительная система начинается полостью рта и заканчивается задним проходом. Сущность
пищеварения состоит в физической и химической переработке пищи, в результате которой становится
возможным всасывание питательных веществ через стенки пищеварительного тракта и поступление их в
кровь или лимфу. К питательным веществам относятся белки, жиры, углеводы, вода, минеральные вещества.
В пищеварительном аппарате происходят сложные физико-химические превращения пищи: от формирования
пищево-
94
го комка в ротовой полости до всасывания и удаления непереваренных ее остатков. Эти процессы
осуществляются в результате двигательной, всасывающей и секреторной функций аппарата пищеварения.
Все эти три пищеварительные функции регулируются нервным и гуморальным (посредством гормонов)
путем. Нервный центр, регулирующий функции пищеварения, а также пищевую мотивацию, находится в
гипоталамусе (промежуточный мозг), а гормоны большей частью образуются в самом желудочно-кишечном
тракте.
В ротовой полости осуществляется первичная химическая и физическая переработка пищи. Кроме того, в
ротовой полости происходит формирование вкусовых ощущений. В этом большую роль играет также слюна,
которая в данном случае выступает в роли растворителя. Известно четыре первичных вкусовых ощущения:
кислое, соленое, сладкое, горькое. Они неравномерно распределяются на поверхности языка.
После глотания пища попадает в желудок. В зависимости от состава пища находится в желудке разное
время. Хлеб и мясо перевариваются за 2—3 часа, жиры — 7—8 часов. В желудке из жидких и твердых
компонентов пищи постепенно формируется полужидкая кашица — химус. Желудочный сок имеет очень
сложный состав, так как является продуктом секреции трех типов желудочных желез. Он содержит ферменты:
пепсиногены, расщепляющие белки; липазы, расщепляющие жиры, и др. Кроме того, в состав желудочного
сока входят хлористо-водородная кислота (НО), придающая соку кислую реакцию (0,9—1,5), и слизь
(мукополисахариды), предохраняющая стенку желудка от самопереваривания.
Почти полное освобождение желудка происходит через 2—3 часа после приема пищи. При этом он начинает
сокращаться в режиме 3 раза в минуту (продолжительность сокращений от 2 до 20 секунд). Желудок
ежедневно выделяет 1,5 л желудочного сока.
В тонком кишечнике (тощая и подвздошная кишка) сочетаются три взаимосвязанных процесса — полостное
(внеклеточное) пищеварение, пристеночное (мембранное) и всасывание. Химус продвигается по тонкой
кишке со скоростью 2,5 см в минуту и переваривается в ней за 5—6 часов. Клетки кишечного эпителия
покрыты микроворсинками. Количество которых огромно — от 50 до 200 млн на 1 мм2 поверхности кишечника.
Общая площадь кишечника за счет этого возрастает до 400 м2. В порах между микроворсинками адсорбированы ферменты.
Эти ферменты осуществляют пристеночное пищеварение. Через микроворсинки происходит и всасывание
простых молекул этих веществ в кровь и в лимфу. Так, белки всасываются в кровь в виде
95
аминокислот, углеводы — в виде глюкозы и других моносахаров, жиры — з виде глицерина и жирных кислот в
лимфу и частично кровь.
Процесс пищеварения заканчивается в толстом кишечнике. Железы толстого кишечника секретируют слизь.
В толстом кишечнике благодаря населяющим его бактериям происходит брожение клетчатки и гниение
белков. При,гниении белков образуется ряд ядовитых продуктов, которые, всасываясь в кровь,
обеззараживаются в печени.
В толстом кишечнике завершается активное всасывание воды и формирование каловых масс. Микрофлора
(бактерии) толстого кишечника осуществляет биосинтез некоторых биологически активных веществ
(например, витаминов группы В и К).
Обмен веществ и энергии
Французский ученый К. Бернар установил, что живой организм и1 среда — это единая система, т. е. между
ними происходит непрерывный обмен веществами и энергией. Энергия необходима организму для
поддержания всех его жизненно важных функций. Единицы измерения энергии — это калория или джоуль.
Откуда же берется в организме энергия? Она выделяется за счет окисления сложных органических
соединений, т.е. белков, жиров и углеводов. Накопление энергии происходит в основном за счет АТФ
(аденозинтрифосфорной кислоты). Поэтому АТФ — это универсальный источник энергии з организме
человека.
Перейдем к вопросу об обмене веществ в организме человека, или метаболизму. Процессы метаболизма
разделяются на две группы: анаболические и катаболические.
Анаболизм — это процессы биосинтеза органических веществ. Анаболизм обеспечивает рост, развитие
организма, обновление его структур и накопление энергии.
Катаболизм — это процессы расщепления сложных молекул до простых веществ с образованием энергии в
виде АТФ. Эти процессы находятся в организме человека в состоянии равновесия или же преобладания
одного над другим. Потребность организма в пластичес-| ких веществах удовлетворяется путем потребления
их с пищей.
Рассмотрим отдельно особенности белкового, углеводного и жиЦ| рового обмена.
96
Обмен белков. Белки — это вещества, в состав которых входят аминокислоты (20). В состав белков входит
также азот. Функции белков — пластическая (строительная), энергетическая. Так, при сгорании 1 г белка в
организме высвобождается 4,1 ккал энергии. В сутки человек должен потреблять не менее 85—90 г белка
(это белковый оптимум).
Обмен жиров (липидов). Жиры — это эфиры высших жирных кислот и глицерина. Их функции:
энергетическая, пластическая, а также участие в теплообмене. Так, при сгорании в организме 1 г жира
высвобождается 9,3 ккал энергии. В сутки потребность в жирах составляет от 80 до 100 г. Жиры могут
запасаться в организме в подкожной жировой клетчатке, в оболочках вокруг внутренних органов и т.д.
Обмен углеводов. Углеводы можно условно разделить на три класса соединений: моносахара (например,
глюкоза); дисахара (например, мальтоза); полисахара (например, крахмал). Это вещества, сладкие на вкус,
хорошо растворимые в воде. Они выполняют энергетическую и пластическую функции, а также входят в
состав нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и АТФ. Потребность в углеводах составляет в сутки 350—450 г.
Углеводы могут запасаться в организме человека в виде животного крахмала — гликогена в печени и в
скелетных мышцах.
Таким образом, соотношение в пищевом рационе основных питательных веществ составляет 1:1:4 (белков :
жиров : углеводов). При составлении пищевых рационов кроме этого правила учитываются Энергозатраты
человека за 1 сутки, зависящие от характера выполняемой им работы.
В состав пищи входят также вода, неорганические (минеральные) вещества и витамины. Витамины — это
различные по своей химической природе вещества необходимы для нормального обмена веществ, роста,
развития человека, поддержания его здоровья. Все витамины можно подразделить на водо- и
жирорастворимые. К первой группе относят витамин С, витамины группы В. Они содержатся в основном в
продуктах растительного происхождения (овощах, фруктах). Источником жирорастворимых витаминов (А, О,
Е и К) является пища животного происхождения (молоко, яйца, мясо, печенье и т.д.). При полном отсутствии
витаминов в пище возникают авитаминозы, которые могут сопровождаться различными заболеваниями. Этот
недостаток можно легко устранить приемом поливитаминов, содержащих весь комплекс витаминов и
минеральные добавки.
97
Физиология выделения
К выделительным органам относят почки, кожу, потовые, сальные железы, легкие. Органы мочевыделения —
это почки, мочеточники, мочевой пузырь, мочеиспускательный канал. Функции почек многообразны:
1. Участие в регуляции водного баланса организма.
2. Участие в постоянстве ионного баланса.
3. Регуляция осмотического давления во внутренней среде организма.
4. Поддержание кислотно-щелочного равновесия и др. Однако основная функция почек — экскреторная —
удаление из
организма вредных и чужеродных для него веществ путем образования и выведения мочи.
Почки находятся в брюшной полости. По форме они напоминают боб, каждая из них весом 120—200 г,
длиной 10—12 см, шириной 6 см, толщиной 3 см. Почки располагаются по обе стороны от позвоночного
столба. На разрезе через почку видно, что она состоит из коркового и мозгового вещества.
В корковом веществе находятся структурно-функциональные элементы почки — нефроны (1 миллион в
каждой почке).
Почки каждую минуту пропускают более 1 л крови, а всего ими ЗЕ сутки фильтруется и очищается 1700 л
крови. В нефронах происходит процесс мочеобразования путем:
1) фильтрации (в капсуле нефрона) под давлением;
2) обратного всасывания (в канальцах);
3) секреции (в канальцах).
Образовавшаяся моча через мочеточник поступает в мочевой пузырь, где накапливается, а затем через
мочеиспускательный канал выводится наружу.
Моча выделяется в количестве 1 —1,5 л в сутки. Она светло-желтого цвета, кислотно-щелочное равновесие
(рН) колеблется от 4,5 до 8 единиц. Моча содержит вредные продукты метаболизма: мочевину, мочевую
кислоту, аммиак, а также воду и неорганические вещества и пигмент урохром. В норме у здорового человека
не должны содержаться в моче глюкоза и белок. Их присутствие может быть связано с различными
заболеваниями (сахарный диабет, нефрит и др.).
98
Железн внутренней секреции
Наряду с нервной регуляцией функций в организме человека существует гормональная регуляция с помощью
биологически активных веществ — гормонов. Деятельность нервной и гормональной регуляции
взаимосвязана. Гормоны в организме человека влияют на следующие процессы:
1) обмен веществ и энергии;
2) рост, развитие;
3) размножение;
4) адаптация.
Гормоны — это биологически активные вещества, вырабатываемые специальными железами внутренней
секреции, поступающие в кровь и изменяющие функции органов — мишеней.
Все железы внутренней секреции делятся на центральные и периферические.
К центральным железам относятся гипофиз (ведущая железа внутренней секреции), эпифиз и гипоталамус
(структура промежуточного мозга). Периферические железы делятся на гипофиззависимые и гипофизнезависимые.
Гипофиз является ведущей железой внутренней секреции. Он находится на основании мозга и имеет три
доли: переднюю (аденогипо-физ), промежуточную, заднюю (нейрогипофиз). Гипофиз связан с гипоталамусом
и составляет с ним вместе единую гипоталамо-гипофи-зарную систему.
В передней доле (аденогипофизе) вырабатываются гормон роста и группа так называемых тропных гормонов,
оказывающих влияние на щитовидную железу, половые железы, надпочечники. Средняя (промежуточная)
доля вырабатывает гормон, влияющий на пигментообразу-ющую функцию кожи. В задней доле
(нейрогипофизе) образуются два гормона, влияющие на функции почек и матки и реализующие свое
действие через гипоталамус.
Внутрисекреторная функция эпифиза связана с регуляцией половых функций организма. Разрушение
эпифиза приводит к преждевременному половому созреванию.
Функция этой железы связана с регуляцией биологических ритмов в организме человека.
Щитовидная железа регулирует различные виды обмена веществ, а также влияет на энергетический обмен.
Особенностью щитовидной
99
железы является ее способность активно извлекать йод из плазмы
крови.
Каждый надпочечник состоит из коркового и мозгового вещества. Образование гормонов коры надпочечников
находится под влиянием гипофиза. Кортикоидные гормоны обладают широким спектром действия. В связи с
тем, что эти гормоны повышают резистентность организма к действию стрессоров, их еще называют
гормонами адаптации.
Образование половых гормонов происходит в мужских (яичках) и женских (яичниках) половых железах, или
гонадах. Половые гормоны влияют на развитие и созревание половых клеток, развитие вторичных половых
признаков у мужчин и женщин, половое поведение. У женщин концентрация половых гормонов непостоянна
(женские половые циклы).
Паращитовидные железы (их всего 4) являются гипофизнезависи-мыми. Гормон паращитовидной железы
способствует переходу кальция из костной ткани в кровь.
Поджелудочная железа, являясь железою со смешанной секрецией, также является гипофизнезависимой. Ее
гормоны влияют на углеводный обмен. Причем инсулин — это единственный гормон, понижающий уровень
глюкозы в крови.
Мозговое вещество надпочечников вырабатывает гормоны норад-реналин и адреналин. Влияние этих
гормонов многообразно. Так, например, адреналин учащает и усиливает сокращение сердца, повышает
работоспособность скелетных мышц и т. д.
Тимус (вилочковая железа) — это центральный орган иммунитета. В целом вилочковая железа
рассматривается как орган интеграции иммунной и эндокринной систем организма.
Нервная система
Нервная система обеспечивает взаимодействие организма с внешней средой и регулирует работу всех
органов и систем организма. Она подразделяется на центральную и периферическую, а также на
соматическую и вегетативную.
Центральная нервная система состоит из спинного и головного мозга. Структурно-функциональной
единицей является нейрон.
Соматическая нервная система обеспечивает чувствительную и двигательную функции, а вегетативная —
иннервирует все внутренние органы и железы.
100
Спинной мозг имеет длину 41—45 см, расположен внутри позвоночного канала. Вверху он переходит в
продолговатый мозг, а внизу истончается и заканчивается мозговым конусом.
От спинного мозга отходят в обе стороны корешки, образующие вместе спинномозговые нервы (всего 31
пара). Задние корешки состоят из отростков чувствительных нейронов, а передние образованы аксонами
двигательных нервных клеток.
Участок серого вещества с отходящей от него парой спинномозговых корешков называется сегментом
спинного мозга. Всего насчитывается 31 сегмент: 8 шейных, 12 грудных, 5 поясничных, 5 крестцовых, 1
копчиковый.
Функции спинного мозга:
1) рефлекторная. Двигательные и чувствительные рефлексы. Особое значение имеют двигательные
рефлексы, рефлексы растяжения, сгибания, разгибания, поддерживающие тонус мышц. Вегетативные рефлексы, например, мочеиспускание, дефекация, сосудистые;
2) проводниковая — связь с головным мозгом. При повреждении спинного мозга возникает спинальный шок,
когда выпадают все спинномозговые рефлексы. Затем они могут медленно (за 0,5 года) восстановиться.
Головной мозг состоит из 5 отделов:
1) продолговатый мозг;
2) задний мозг (мост и мозжечок);
3) средний мозг;
,
4) промежуточный мозг;
5) конечный, или передний (кора больших полушарий).
Продолговатый мозг имеет форму луковицы и является продолжением спинного мозга. В толще
продолговатого мозга находятся ядра 9—12-й пары черепно-мозговых нервов и диффузно-рассеян-ные
нейроны ретикулярной (сетчатой) формации. Полость внутри продолговатого мозга — IV желудочек.
Функции продолговатого мозга:
1) рефлекторная — обеспечивает рефлексы кашля, чихания, пищеварительные, сосания, сердечнососудистые, дыхательные, а также рефлексы равновесия;
2) проводниковая — обеспечивает прохождение путей от спинного мозга в кору и обратно.
Средний мозг. На его нижней поверхности видны ножки мозга. Задняя часть называется четверохолмием.
По функции верхние холмики — первичные центры зрения, а нижние — центры слуха.
101
На поперечном разрезе через средний мозг видно черное вещество. В толще среднего мозга находятся ядра 3-й и 4-й пары
черепно-мозговых нервов. Полость среднего мозга (водопровод) соединяет IV желудочек с III желудочком промежуточного
мозга. В среднем мозгу находится красное ядро — скопление нервных клеток, обеспечивающих автоматизированные
движения (ходьба, бег, плавание и др.).
Функции среднего мозга:
1. Средний мозг осуществляет двигательные рефлексы, в нем находятся первичные центры слуха и зрения.
2. Проводниковая функция поддерживает связь коры больших полушарий со спинным мозгом.
Промежуточный мозг расположен между средним мозгом и корой больших полушарий. Состоит только из серого
вещества, расположенного в виде ядер. Полость промежуточного мозга — III желудочек, переходящий в боковые
желудочки коры больших полушарий.
Его функции:
1. Зрительный бугор — центр всей чувствительности, кроме обонятельной.
2. Подбугорье — центр вегетативной нервной системы, регулятор всех обменных процессов в организме человека.
3. Эпифиз — железа внутренней секреции, ее гормон определяет пигментацию кожи в зависимости от освещенности.
Конечный мозг состоит из двух полушарий, соединенных между собой при помощи мозолистого тела. Каждое полушарие
содержит серое и белое вещество. Каждое из полушарий делится бороздами на доли — лобную, парные височные, парные
теменные, затылочную. Полость конечного мозга — боковые желудочки..
Функции коры больших полушарий.
Кора большого мозга представлена серым веществом и состоит из нескольких слоев клеток. Кора имеет толщину от 1,3 до
1,4 мм и площадь 2200 см2. Клетки коры — чувствительные, двигательные и вставочные. Белое вещество располагается
под корой и состоит из нервных волокон, принадлежащих нейронам коры, и подкорковых образований.
В коре большого мозга выделяют области, ответственные за выполнение двигательных или чувствительных функций:
речевой центр Брока, слуховой центр, зрительный центр, центры вкуса и обоняния и т. п.
102
Вегетативная нервная система
Ее функции — регуляция «растительных» функций, т.е. питания, дыхания, выделения, размножения (путем иннервации
всех внутренних органов и желез).
Вегетативная нервная система делится на два отдела:
1) симпатический,
2) парасимпатический.
В вегетативной нервной системе различают центры, расположенные в спинном и головном мозгу, и периферическую часть,
представленную узлами, сплетениями, нервными волокнами двух типов, нервными окончаниями.
В окончаниях симпатических нервов выделяется химическое вещество — норадреналин, в окончаниях парасимпатических
нервов — ацетилхолин. В состоянии покоя преобладают влияния парасимпатической нервной системы на сердце, в
результате оно сокращается медленнее и меньше крови выбрасывает в систолу. Напротив, в состоянии функциональной
активности преобладают влияния симпатической нервной системы. Сердце сокращается чаще, сильнее. Это помогает
человеку справиться с соответствующей нагрузкой.
Анализаторы (органы чувств). Термин «анализатор» был введен в науку И.П. Павловым. Он обозначал систему
чувствительных образований, воспринимающих и анализирующих различные внутренние и внешние раздражители.
Функции анализаторов:
1) восприятие внешних и внутренних раздражителей (сигналов);
2) передача информации в кору больших полушарий (через проводящие пути и центры нервной системы);
3) опознание сигнала (в коре больших полушарий в виде конкретных образов: зрительных, слуховых и т.д.).
Орган зрения. С помощью глаз мы получаем до 90 % всей информации. Зрительная система воспринимает и анализирует
световые раздражители. Свет — это электромагнитное излучение с различными длинами волн. Посредством органа
зрения мы определяем форму, величину предметов, степень освещенности, цвета и т.д.
Воспринимающий аппарат глаза расположен в глазном яблоке, стенка которого состоит из трех оболочек: фиброзной
(впереди образует роговицу, сзади — склеру), сосудистой и внутренней (сетчатки).
103
Вспомогательный аппарат глаза: глазные мышцы, веки, ресницы, слезный аппарат.
В глазу имеются две системы — светопреломляющая и световос-принимающая.
Светопреломляющая система представлена роговицей, хрусталиком и стекловидным телом, заполняющим
изнутри глазное яблоко. Назначение свето-преломляющей системы — построить правильное изображение
предмета на сетчатке.
Световоспринимающая система — это сетчатка (внутренняя оболочка глазного яблока). Назначение этой
системы — восприятие света.
При действии света происходит распад содержащихся в фоторецепторах сетчатки пигментов (родопсина и
йодопсина). Это приводит к возбуждению рецепторов, в них возникает нервный импульс (потенциал
действия), который по зрительной проводящей системе поступает в затылочную долю коры больших
полушарий. В коре и происходит опознание образа, т. е. высший анализ и синтез зрительных раздражителей.
Орган слуха. Воспринимает и анализирует звуковые колебания. Звук — это колебательные движения
упругих тел, распространяющиеся в различных средах в виде волн.
Звуковые волны обладают двумя переменными параметрами — частотой и амплитудой.
Слуховая система состоит из трех частей:
1) звукоулавливающей,
2) звукопередающей,
3) звуковоспринимающей.
Звукоулавливающая система представлена наружным ухом (это ушная раковина и наружный слуховой
проход). Барабанная перепонка отделяет наружное ухо от среднего. Среднее ухо (звукопередаю-щая
система) представлено тремя последовательно соединенными слуховыми косточками — молоточком,
наковальней и стремечком.
Звуковоспринимающая система представлена внутренним ухом. Внутреннее ухо расположено в пирамиде
височной кости и представлено лабиринтом. Лабиринт состоит из трех отделов —преддверия, полукружных
каналов и улитки. Преддверие и полукружные каналы — это орган равновесия (вестибулярный аппарат), а
улитка — орган слуха.
При попадании в ухо звуковой волны приходит в движение барабанная перепонка, а затем цепь слуховых
косточек среднего уха; последняя слуховая косточка — стремечко — вдавливает мембрану овального окна
(отверстие среднего уха, что приводит в движение жидко104
сти, заполняющие лестницу улитки. Далее начинают колебаться определенный участок основной мембраны
(соответственно частоте и силе звука) и находящиеся на ней рецепторные клетки. Они возбуждаются,
возникает потенциал действия (нервный импульс), передающийся через слуховую проводящую систему в
височную кору больших полушарий, где и происходит опознание слуховых образов.
Высшая нервная деятельность
Особый раздел физиологии изучает материальные основы психической деятельности человека. Он появился
благодаря работам И.П. Павлова, создавшего учение о безусловных и условных рефлексах как двух
различных формах поведения человека.
Безусловные рефлексы — видовые генетические, закрепленные, стереотипные формы поведения
человека. Возникают сразу, не нуждаются в выработке (например, врожденные пищевые и оборонительные
рефлексы).
Условные рефлексы — индивидуально приобретенные в процессе жизни и обучения приспособительные
реакции. Они возникают на основе образования временной связи между условным раздражителем и
безусловно рефлекторным актом, благодаря многократному сочетанию условного раздражителя со
стимулом, вызывающим безусловный рефлекс.
Значение условных рефлексов в том, что эта форма приобретенного поведения есть возможность для
развития, обучения, приобретения навыков, умений, знаний на основе индивидуального опыта.
Условные рефлексы вырабатываются в две стадии:
1) генерализация,
2) специализация.
В основе стадии специализации условных рефлексов лежит торможение. Оно может быть внешним
(врожденным) или внутренним (приобретенным).
Внешнее торможение может быть вызвано посторонним для данного условного рефлекса внешним сигналом.
Различают несколько видов внутреннего торможения. Оно нуждается в выработке, является более сложным,
затрагивает структуры временной связи, служит как для упрочения условных рефлексов, так и для их
постепенного угасания, если условный рефлекс теряет свою биологическую значимость.
105
Данный раздел науки изучает такие сложные проявления психики человека, как память, эмоции, внимание,
сознание, мышление и др. Это высшие психические функции.
Сознание — высшая форма отражения мозгом человека окружающего мира, т. е. это такое знание, которое
может быть передано другим людям в форме слов, математических символов и т.д.
Особенностью психических функций человека является наличие 2-й сигнальной системы. Это особые
условные рефлексы, вырабатываемые на слово (1-я сигнальная система — это конкретные образ-; цы
окружающего мира).
Слово — это обобщающий сигнал, заменяющий конкретный предмет, явление. У человека благодаря 2-й
сигнальной системе формируется абстрактно-логическое мышление. Предпосылками для этих функций
являются:
1) оптимальное кровоснабжение мозга;
2) оптимальный уровень возбудимости нервных центров. При низком уровне возбудимости сознание
отсутствует (наступает сон). Поддержание оптимального уровня возбудимости нервных центров достигается
благодаря активирующим влияниям ретикулярной (сетчатой) формации среднего мозга.
В самостоятельную группу явлений выделяют неосознаваемые психические процессы.
Сознание и подсознание — взаимосвязанные формы психической деятельности, которые осуществляются
на уровне коры и подкорки.
Возникновение реакций на уровне сознания зависит от оценки значимости сигнала на уровне подсознания.
Рассмотрим следующие
">арианты:
а) если сигнал из подкорки информации не несет, то он тормозитя в коре;
б) если сигнал требует шаблонного ответа, то возникает реакция, которая осуществляется по
автоматическому типу:
в) если сигнал оценивается как значимый, то возникает активация коры, и реакция носит осознанный
характер.
Речь — это исторически сложившаяся форма общения людей с помощью символов и знаков. Функции речи:
1) коммуникативная, т. е. средство общения;
2) понятийная (слово — понятие);
3) регуляторная — регуляции деятельности различных систем с помощью слова.
106
Этапы речевого общения:
1. Воспроизведение речи, выражающееся- в акустической (по слуху) и зрительной (письменной) речи.
2. Восприятие речи — понимание ее.
3. Речевой ответ. Разновидности речи:
1) устная;
2) письменная;
3) внутренняя (немая).
В выполнении речевой функции левому полушарию коры больших полушарий головного мозга принадлежит
господствующая роль. Правое полушарие доминирует в отношении восприятия предметов, геометрических
фигур, деталей образов. Эта межполушарная асимметрия доказана клинико-патологоанатомическими
данными.
Межполушарную асимметрию при зрительном восприятии доказали также опыты Сперри с так называемым
расщепленным мозгом. У правшей в 75 % случаев доминирует левое полушарие. Люди с доминирующим
левым полушарием тяготеют к теории, имеют большой словарный запас, им присущи двигательная
активность, целеустремленность, способность прогнозировать события.
«Правополушарный» человек (доминирует правое полушарие) тяготеет к конкретным видам деятельности, он
медлителен и неразговорчив, склонен к созерцательности и воспоминаниям.
Внимание — это сосредоточенность, избирательная познавательная направленность процессов, нацеленная
на определенный объект, значимый в данный момент.
Физиологический механизм внимания — это, во-первых, ориентировочный рефлекс, который за-ключается в
установке анализаторов на объект, а во-вторых, локальные процессы активации, основанные на изученном
А.А. Ухтомским явлении доминанты.
Различают два вида внимания: непроизвольное и произвольное. Непроизвольное внимание в основном
связано с возбуждением подкорковых образований. Произвольное внимание обеспечивает сложные
взаимосвязи коры больших полушарий с особой структурой ствола мозга — ретикулярной (сетчатой)
формацией.
Различают следующие стадии внимания:
1. Расслабление, бодрствование.
2. Избирательное внимание.
3. Рассеянное внимание (трудность сосредоточения).
Функцию внимания обеспечивают различные анатомические структуры головного мозга, но главную роль
играют промежуточный мозг (зрительный бугор и подбугорье) и ассоциативные зоны коры больших
полушарий.
107
4) самопознание и рефлексия, проявляющиеся в способности-созерцать собственное существование и
осознавать смерть.
Роль естественного отбора и социальных факторов в эволюции человека как
комплексном процессе антропосоциогенеза
Вначале, когда орудия труда и средства выживания человека были еще очень примитивны, естественный
отбор продолжал действовать и вызывал существенное изменение строения тела древних людей, порождая
новые их виды. Ко времени появления кроманьонцев — ископаемых людей современного вида — решающую
роль стали играть не факторы биологической эволюции (наследственность, изменчивость и естественный
отбор), а факторы социального развития (труд, речь, организация совместной жизни людей в стаде, потом и в
собственно человеческом обществе и т.п.). В результате биологическая эволюция человека посуществу
прекратилась. Вот почему современные люди так мало отличаются от ископаемых кроманьонцев.
Генетическое наследование морфофизиологических особенностей, врожденных инстинктов и рефлекторного
механизма деятельности у человека было дополненосоциальной передачей опыта предшествующих
поколений новым поколениям в процессе их обученияс помощью членораздельной речи. На первых шагах
исторического развития людей, когда их речь была несовершенной, трудовые и другие навыки передавались
больше показом, но ко времени появления кроманьонцев словесная передача опыта превратилась уже в
устойчивую и важную форму обучения и воспитания молодежи. Со времен кроманьонцев природные факторы
жизни людей все больше дополнялись культурой — созданным ими самими миром орудий труда, жилищ,
одежды, форм поведения, обычаев и т.п.
Современные исследования, в том числе и культурологические, в полной мере подтвердили решающую роль
надбиологических факто•ов в формировании современного человека — Ното 5ар1епз.
В социальной, культурной эволюции предков человека и самого
■ото 8ар|"епз обычно выделяют следующие периоды. Палеолит — древний каменный век
продолжительностью от 2—3 млн лет назад до 10 тысячелетия до н.э. За это время человеческий род
продви-
110
нулся от вида Ното НаЫПз («человек умелый») до кроманьонцев, т.е. до Ното 5ар1епз («человек разумный»).
Неолит — новый каменный век (VIII—III тысячелетия до н.э.). В эту эпоху осуществился переход от
присваивающего хозяйства (собирательства, охоты) к производящему (скотоводству, земледелию). Люди
научились шлифовать и сверлить орудия из камня, делать глиняную посуду, овладели навыками прядения и
ткачества. Бронзовый век — исторический период, сменивший неолит (IV—! тысячелетие до н.э.).
Характеризуется производством и использованием бронзы (сплавов меди с оловом, алюминием, бериллием,
свинцом и другими металлами), бронзовых предметов и оружия. Это время распространения кочевого
скотоводства и поливного земледелия, письменности, рабовладельческих цивилизаций и государств.
Определение природы и сущности человека
В современной науке обосновано достаточно убедительно положение о том, что природа человека носит
космобиопеихо-социо-культурный характер, что сознание человека отнюдь не является 1аЬи1а газа («чистой
доской»). Психика человека подобна пирамиде, причем доступна исследованию только вершина, а
«основание» теряется в глубинах Космоса. Такого рода методологическая установка в социобиологии,
исследуя социальное поведение человека как проявление его природы, принимает во внимание
биологическую, генетическую сторону индивида. Вместе с тем следует различать понятия «природа» и
«сущность» человека; последнее понятие является частью первого и придает ему незавершенный характер.
В идеале каждый человеческий индивид представляет собой конкретную самоценность, динамическую
микровселенную, которая в своих творческих возможностях бесконечна, ибо его сущность заключается в потенциальной способности стать собственно человеком. Однако его сущность открыта, незавершенна,
динамична, поэтому конкретно-исторические условия существования общества, противоречивость социального, научно-технического прогресса ограничивают возможности самореализации индивида.
Нравственное отношение к человеку предполагает видение в каждом кон-кретном человеке «образа бога»
(ведь бог, согласно Л. Фейербаху, есть проекция человека на бесконечность), т.е. потенциально бесконечного
совершенства, что служит основой гуманистической составляющей культуры как противовеса крайнему
техницизму и сциенткаму.
111
Сложность и многомерность внутреннего мара человеке
Внутренний мир, или внутренний космос, «психокосмос» человека имеет весьма сложную природу, он
многомерен и по размерности того же порядка, что и размерность космоса со всеми протекающими в нем
процессами.
О сложности и многомерности внутреннего мира человека свидетельствует то, что он включает в себя
правополушарное и лево-полуторное сознание, воображение и грезы, мечтания и память, медитацию и
творческое мышление,сферы собственносознания и бессознательного, интуицию и другие
познавательные процессы, не говоря уже о ценностях и психологических установках.
Бурное развитие науки поставило на повестку дня проблемы связи человеческой психики с глубинами
космоса, т.е. «микрокосма» с «макрокосмом». И сразу появилось несколько концепций, идей и гипотез,
объясняющих эту связь:
■ концепция человека как единства материального образования (биомашины) и неограниченного поля
сознания, т.е. концепция корпус-кулярно-волновой природы человека;
м концепция человека как «молекулы», содержащей в себе максимум информации о Вселенной;
■ гипотезы о галактическом разуме, об определенных аналогиях характеристик физического вакуума и
человеческого сознания и их возможных связях; о голографической природе Вселенной и сознания.
Представляет интерес вычленение рационального смысла гипотез о «жизни
послесмерти»,осуществовании в одном теле множества «душ» или личностей, а также выявление связи
между субъективным, человеческим временем и объективным временем иерархически организованной
Вселенной.
Не менее увлекательными являются интерпретации целого ряда психофизических феноменов —
экстрасенсорное восприятие, телепатия, ясновидение или дальновидение, предсказание будущих событий и
т.д. В этом плане представляется плодотворной идея коммуникации людей при помощи биосферы, связанной
с космосом, что даеТ возможность научного объяснения целого ряда явлений внутреннего космоса человека.
112
Истоки человеческой морали и этики
С помощью биоэтики можно ответить на вопрос о происхождении таких важнейших проявлений
человеческого разума, как мораль и этика.
Биоэтику (или сложные поведенческие программы, присущие животному миру) следует рассматривать как
естественное обоснование человеческой морали. Ведь многие признаки, присущие человеку, генетически
обусловлены. И только часть человеческих черт воспитания, образования и других факторов — продукт
внешней среды обитания. Поэтому суть эволюции составляет процесс передачи генов от поколения к
поколению.
Этологи (специалисты по поведению животных) открыли у животных (и не только у высших) большой набор
инстинктивных запретов, необходимых и полезных в общении с сородичами.
Каждый, воспитывая собаку, может убедиться, как легко можно привить ей некоторые наши этические
правила, которые ей исходно совершенно чужды, — понятливость и послушность.
Собака, как и человек с моральными устоями, не может обидеть самку или детеныша, готова рисковать
жизнью за товарища, уважает смелость и прямоту и презирает трусость и обман. Она очень тонко чувствует,
когда ее хозяин чем-то расстроен, и способна на проявление чуткости и сопереживания.
Так что же такое мораль животных (или основные принципы биоэтики)? По мнению выдающегося
австрийского этолога К. Лоренца, это — создание естественным способом врожденного запрета
выполнять обычные программы поведения, в некоторых случаях возникающие при общении с себе
подобными, т.е. полезный необходимый инстинкт остается неизменным (у хищника это загонять добычу,
убивать ее, рвать на части и пр.), но для особых случаев, где его проявление было бы вредно, вводится
специальный механизм торможения.
Любопытно, что культурно-историческое развитие человеческого общества происходит аналогичным
образом, ведь важнейшие требования всех моральных заповедей и кодексов — это не предписания, а
именно запреты. Как врожденные механизмы и ритуалы, препятствующие асоциальному поведению
животных, так и человеческие табу определяют поведение, аналогичное истинно моральному лишь с функциональной точки зрения; во всем остальном оно так же далеко от морали, как животное от человека.
113
Важнейшие запреты у биовидов
Все запреты возникают под жестким давлением отбора ради выполнения задачи сохранения вида. К
важнейшим из таких запретов относятся следующие:
1. «Не убей своего» — первый и основополагающий запрет у очень многих видов. Чтобы выполнить его,
необходимо безошибочно узнавать своих, безошибочно отличать их от чужих.
2. Второй запрет непосредственно вытекает из первого — чтобы не убить своего и не быть убитым им,
нельзя нападать неожиданно и сзади, без предупреждения и без проверки, нельзя ли разрешить
возникший конфликт без схватки. Потребность в признании — это первая потребность, с которой
начинается взаимодействие людей; без ее насыщения невозможно удовлетворить другие потребности. Ведь
если потребность в признании не реализуется, то начинает развиваться агрессивное поведение по
отношению к «нерас-познающему» человеку, который становится «чужим». Ритуал (и, в частности, ритуал
знакомства или принятия в число своих) и призван снять «агрессию» и удовлетворить эту необходимость в
признании хотя бы на минимальном уровне.
3. У хорошо вооруженных природой животных есть запреты применять смертоносное оружие или
убийственный прием в драке со своими.
Этот механизм торможения, препятствующий асоциальному поведению животных, является врожденным,
поэтому животное, у которого сломали данный механизм, лишь в известном смысле можно назвать
«аморальным» по отношению к своим сородичам.
4. Следующий запрет, опять-таки более характерный для сильно вооруженных животных (в основном
хищников), не позволяет бить того, кто принял позу покорности.-Любопытно, что когда побежденная
собака принимает позу покорности, то победитель сразу остановиться не может и проделывает движения
смертельной встряски «вхолостую», т.е. возле самой шеи поверженного противника, но без укуса и с
закрытой пастью.
Почему же у человека нет врожденных ограничений на приемы драки? К. Лоренц пишет, что «можно лишь
пожалеть о том, что человек как раз не имеет "натуры хищника"». Большая часть опасностей, которые ему
угрожают, происходит оттого, что по натуре он сравнительно безобидное всеядное существо, у него нет
естественного оружия, принадлежащего его телу, которым он мог бы убить крупное
114
животное. Именно поэтому у него нет и тех механизмов безопасности, возникших в процессе эволюции,
которые удерживают всех «профессиональных» хищников от применения оружия против сородичей.
5. И еще один очень важный принцип поведения, характерный для многих животных: победа с тем, кто прав.
Животное, защищающее свою территорию, свою нору, свою самку, своих детенышей, почти всегда
выигрывает в конфликте, даже у более сильного и агрессивного соперника.
Какой же вывод можно сделать из этих любопытных фактов и закономерностей? Этологи и их сторонники (К.
Лоренц, Р. Ардри, Дж. Скотт и др.) считают, что человек произошел от животного мира и должен обладать
всеми теми свойствами, которые присущи животным, включая и биологическую основу мотивации его
агрессивного поведения, что человек бессилен против инстинктов собственной природы, которые
неотвратимо приводят его к социальным конфликтам и борьбе. Ученые, стоящие на марксистских позициях
(В. Холличер), утверждают, что человек далеко ушел от животного мира и обладает характерными,
специфическими только для него чертами. Очевидно, что диалектический подход к изучению поведения
человека, исходя из двойственности его природы, должен включать изучение как преемственности, так и
проявлений нарушения преемственности.
Сравнительный анализ социальных структур и социального поведения животных
и человека
Исследование целостного феномена власти показывает, что государственная власть своими корнями уходит
в биосоциальную эволюцию предков человека, если следовать тезису «ничто не рождается из ничего».
Необходимо понять, что социальное поведение людей диктуется не только разумом и культурной традицией,
но по-прежнему подчиняется еще и тем закономерностям, которые присущи любому филогенетически
возникшему поведению, а эти закономерности можно хорошо узнать, только изучая поведение животных.
При этом к 60-м гг. представления о жесткой генетической обусловленности неравенства сменяются
концепцией группы как системного целого, где, с одной стороны, имеют место поведенческие реакции
индивидуального эгоизма, с другой — прото-
115
социальные альтруистические формы поведения. Там, где существует возможность сохранения и
передачи индивидуальных генов, преобладают эгоистические формы поведения, а в обстоятельствах, где попытка каждой особи сохранить индивидуальные гены ставит под угрозу
физическое существование всей группы, срабатывают альтруистические поведенческие реакции. Р.
Эфроимсон в своей работе «Родословная альтруизма» упоминает случай самопожертвования взрослым
самцом шимпанзе, напавшим на тигра для того, чтобы дать возможность скрыться оставшимся членам
группы.
Наши соотечественники М. Бутовская и Л. Файнберг пришли к следующему выводу о существовании у
приматов социальной организации различной модификации: «Анализ социальных структур и социального
поведения в сравнительном ряду приматов позволяет выявить несколько универсальных типов социальном
организации, присутствующих на всех основных уровнях филогенетического развития. Здесь видны те
отношения (связанные с целостностью организации, иерархией и распределением ресурсов, порядком),
которые в человеческом обществе с его спецификой станут параметрами государственной власти и
приобретут свои качества. Вот почему правомерно говорить об аналогиях между биологическими и социальными свойствами, в частности, об определенном параллелизме между биологически обусловленным
неравенством и иерархией в сообществах высших животных и государственной властью. Базовым функциональным назначением как индивида, так и группы является сохранение видового генотипа вообще и
генотипа данной популяции в частности. И групповые, и индивидуальные поведенческие реакции
варьируются в пределах от ярко выраженного эгоизма до альтруизма (разумеется, термины «эгоизм» и
«альтруизм» применяются в данном случае весьма условно и не содержат всего набора смыслов,
обусловленных развитием человеческой культуры). Кроме того, на эти две полюсные типовые реакции в
сообществах животных накладываются коммуникативные ритуалы, в которых и обнаруживается собственно
иерархия особей и прежде всего отношения господства и подчинения.
Наиболее показательными в этом плане являются сообщества крыс и человекообразных обезьян. В них
подгруппу (или страту) бесспорных лидеров Альфа образуют взрослые особи — самцы, отличающиеся не
только физической силой и свирепостью, но и быстротой поведенческих реакций, прежде всего реакцией
«принятия решения». Данная страта, к которой причисляют особей Альфа, является наиболее устойчивым
источником доминирования, его можно условно обо-
116
значить как «полюс силы». Вторую подгруппу, или страту, образуют особи Бета, уступающие первым в
физической силе, быстроте принятия решений и бесстрашии. Особи Бета отличаются развитыми «мыслительными способностями», например умением ориентироваться в нестандартной ситуации.
Страта Бета образует второй устойчивый источник доминирования в группе — своеобразный «полюс
разума».
Далее идет подгруппа молодых и менее опытных или взрослых, но не имеющих отличий самцов, которые
составляют страты «подвластных», но «полноправных» (т.е. имеющих потомство) членов сообщества; их
обычно обозначают как Гамма, Дельта и т.д.
Замыкают иерархию «неполноправные» члены группы — Омега, своего рода «изгои», те, для которых в
обычных условиях не допускается спаривание, а следовательно, и сама возможность иметь потомство. Так в
общих чертах выглядит тип организации господства и подчинения в сообществах высших животных, своего
рода «ранговая иерархия».
Следует учитывать и одно из универсальных правил биологии — для множества элементов системы
характерны асимметрия взаимодействий и вытекающая из этого асимметрия взаимоотношений. В то же
время исследования синхронизации поведения животных и человека показали, что на самых разных уровнях
интеграции — от биохимических систем организма до сложных социальных взаимодействий —
обнаруживается взаимная синхронизация поведения. Следовательно, во имя целостности системы
возникает необходимость регулятивных механизмов, использующих «нормы» поведения и иерархию
организации.
Мотивации человеческого поведения
Безусловно, поведение человека не ограничивается врожденными животными программами. Ведь человек
живет и действует, побуждаемый множеством потребностей. «Каждый человек стоит ровно столько, сколько
стоит то, о чем он хлопочет», — говорил Марк Аврелий. Иными словами, человеческую личность
определяют его потребности.
А. Маслоу, один из ведущих психологов США в области исследования мотивации, разработал «иерархию»
потребностей человека.
117
1. Физиологические потребности — это низшие, управляемые органами тела потребности: дыхательная,
пищевая, сексуальная, потребность в самозащите.
2. Потребность в надежности — стремление к материальной надежности, здоровью, обеспечению по
старости и т.п.
3. Социальные потребности — удовлетворение этой потребности не объективно и трудно описуемо. Одного
человека удовлетворяют очень немногие контакты с другими людьми, в другом человеке эта потребность
выражается очень сильно.
4. Потребность в осознании собственного достоинства — здесь речь идет об уважении, престиже,
социальном успехе. Вряд ли эти потребности удовлетворятся отдельным лицом, для этого требуются группы.
5. Потребность в осуществлении самого себя — это потребность в развитии личности, в самореализации,
самоактуализации, в осмыслении своего назначения в мире.
Маслоу выявил следующие принципы мотивации человека:
1) мотивы имеют иерархическую структуру;
2) чем выше уровень мотива, тем менее жизненно необходимыми являются соответствующие потребности;
3) с момента удовлетворения низшие потребности теряют мотивирующую силу;
4) с повышением потребностей повышается готовность к большей активности.
5. Осуществление самого себя
/ 4. Сознание собственного\ /
достоинства
\
I
3. Социальные потребности
\
2. Потребности в надежности
1. Основные физиологические потребности
118
Маслоу отмечает, что нехватка благ, блокада базовых физиологических потребностей в еде, отдыхе,
безопасности приводит к тому, что эти потребности могут стать для обычного человека ведущими — человек
может жить хлебом единым, когда его не хватает. Но если базовые, первичные потребности
удовлетворены, то у человека могут проявляться высшие потребности, метамотивации (потребности к
развитию, к пониманию своей жизни, к поиску смысла своей жизни). Для многих людей присущи так
называемые «неврозы существования», когда человек не понимает, зачем живет, и страдает от этого.
Если человек стремится понять смысл своей жизни, максимально полно реализовать себя, свои способности,
он постепенно переходит на высшую ступень личностного саморазвития.
Такой «самоактуализирующейся личности» присущи следующие особенности:
1) полное принятие реальности и комфортное отношение к ней (не прятаться от жизни, а знать, понимать ее);
2) принятие других и себя («Я есть я, ты есть ты. Я уважаю, принимаю тебя таким, какой ты есть»);
3) профессиональная увлеченность любимым делом, ориентация на задачу, дело;
4) автономность, независимость от социальной среды, самостоятельность суждений;
5) способность к пониманию других людей, внимание, доброжелательность к людям;
6) постоянная новизна, свежесть оценок, открытость опыту;
7) различение цели и средств, зла и добра («Не всякое средство хорошо для достижения цели»);
8) спонтанность, естественность поведения;
9) юмор;
10) саморазвитие, проявление способностей, потенциальных возможностей, самоактуализирующееся
творчество в работе, любви, жизни;
11) готовность к решению новых проблем, к осознанию проблем и трудностей, своего опыта, к подлинному
пониманию своих возможностей.
Самоактуализация — это высший показатель возможностей духа. Смысл жизни человека состоит в
максимально полном развитии, развертывании всех заложенных талантов, задатков и способностей.
Самоактуализация и есть полное использование всех возможностей человека.
119
Гуманистические позиции биоэтики
Биоэтика возникла и стала интенсивно развиваться в начале 70-х гг. в Западной Европе и США. Большую
роль в становлении биоэтики сыграла медицина, а также развитие генетики, осознание не только биологами,
но и обществом возможных негативных последствий генной инженерии. Новые технологии
трансплантации органов, зарождения и поддержания жизни вступили в противоречие и даже в конфликт
с традиционными культурными ценностями и с традиционными аксиологическими (ценностными)
ориентация-ми. Например, для христианства сердце — это не только важнейший биологический, но и
духовный орган человека.
Можно сказать, что биоэтика — это форма защиты прав человека, в том числе его права на жизнь, на
здоровье, на ответственное и свободное самоопределение своей жизни. Биоэтикой выдвигаются и
отстаиваются следующие постулаты:
1. Единство науки и гуманистических ценностей.
2. Необходимость ставить гуманистические цели выше исследовательских.
3. Регулирование исходя из гуманистических ценностей научных исследований, включая и запреты на
некоторые виды экспериментов, связанных с участием человека.
4. Разработка правил биомедицинских работ с учетом прав личности, включая юридические нормы.
Следует остановиться на вопросах неразрывной связи биоэтики с медицинской этикой и правом.
Общественный смысл биоэтики заключается в том, что она является конкретным проявлением гуманизма
в медицине. Этот критерий является основным в научных исследованиях по биологии и медицине. И какие
бы цели ни ставились исследователями, гуманизм и безвредность для человека всегда должны стоять на
первом месте — такой подход служит мерилом любой человеческой деятельности, в том числе и по
ускорению научно-технического прогресса. В этой связи необходимо развивать экологическую этику и
разрабатывать специальный экологический кодекс.
Что нового в биоэтике сравнительно с традиционной врачебной этикой? Современный врач сталкивается с
конфликтом духа и буквы клятвы Гиппократа, которая была незыблемой этической основой врачевания в
течение-двадцати четырех веков.
Вспомним наиболее известную этическую заповедь Гиппократа — прежде всего не навредить пациенту.
Когда современные хирурги-
120
трансплантологи пересаживают почку или долю легкого живого донора (даже имея на это добровольное
согласие донора) обреченному больному, приведенное этическое предписание по отношению к донору с
очевидностью нарушается.
В биоэтике уже стали привычными такие понятия, как «право на аборт», «право на смерть» и т.д. Но, может
быть, это есть квазиправо — оно не может быть записано во Всеобщей декларации прав человека.
Современный прогресс клинической медицины потребовал уточнения самого принципа гуманизма.
Соответствует ли гуманности искусственное оплодотворение или прекращение жизнеподдерживаю-щего
лечения умирающего пациента? Подлинным началом духовных исканий в биоэтике является тревога и
забота о будущем человеческого рода. Когда американский биолог В. Р. Поттер предложил термин
«биоэтика», назвав ее «мостом в будущее», он был, несомненно, прав, так как биоэтика все более явно
занимается поиском реальных путей к созданию глобальной этики человечества будущего.
| Факторы, приводящие к потере здоровья отдельного человека и популяции
Устремление к жизни, к благополучию, выражающее коренные, глубинные потребности всего биологического
мира как основу его развития, в сознании человека восходящее к сокровенным мечтам о счастье, радости и
благополучии вечном, выступает как одна из движущих сил в истории. Человек, его жизнь, причем не всякая,
а жизнь, наполненная счастьем, радостью и благополучием, является главной ценностью культуры. Это
всегда было, есть и будет внутренним императивом всей человеческой деятельности.
Здоровье выступает одной из наиболее значимых основ человеческого счастья, радости и благополучия,
поэтому проблема здоровья — кардинальная для всего человечества. Она всегда была и остается в Центре
внимания познающей и созидательной человеческой деятельности. Как говорил Сократ: «Здоровье — это все
, но все без здоровья — ничто».
121
Конец XX в. — эпоха невиданного научно-технического прогресса, радикального расширения знаний о
природе. Исторически сложилась, однако, глубокая диссимметрия: 95 % общего объема современных
знаний составляют знания о неживом веществе, тогда как на долю знаний о живом веществе,
включая человека, приходится не более 5 %. Мы видим наглядные успехи цивилизации в освоении недр
Земли, в синтезе энергоносителей, в проникновении в ближний и дальний Космос, в достижениях
компьютерной техники, в успехах математики, химии, астрофизики.
Между тем живое вещество остается почти неприступным бастионом. Несоизмеримо меньше, чем,
например, выработка энергии, выросла урожайность зерновых, продолжительность жизни за 2000 лет
увеличилась не более чем в 2—3 раза, о большинстве причин, вызывающих эпидемии, заболеваемость и
смертность, мы имеем сегодня самые поверхностные и часто ошибочные представления.
Наука, ее прикладные отрасли оказались неготовыми к решению новых задач, и осознание этого факта,
может быть, самое серьезное достижение науки на грани веков.
Если еще в сравнительно недавнем прошлом расходуемые человеком ресурсы природы обладали
компенсаторными, восстановительными механизмами, то к началу XXI столетия ситуация коренным образом
изменилась. На смену политическим, экономическим, идеологическим, военным диктатурам пришла
диктатура еще более жестокая и беспощадная — диктатура ограниченности ресурсов биосферы.
Границы в изменившемся мире определяют сегодня не политики, не пограничные патрули и не таможенная
служба, а региональные экологические закономерности.
Экологическая диктатура — важнейший геополитический факт конца XX и качала XXI в. Мировое
сообщество, не остается безразличным к природным, техногенным и социальным катастрофам, но, к
сожалению, они рассматриваются не как проявление общего геокосмического стресса, «перегрева» планеты,
а как изолированные эпизоды, неприятные, но предотвратимые. Игнорируется факт перехода планеты и
ее обширных территорий к перманентному состоянию катастрофы
Будучи погружен в природно-экологическую, производственно-трудовую и социальную среду, человек уже не
может рассчитывать на помощь медицины: при всей во-оруженности современным диагностическим
оборудованием, методами лечения, арсеналом гигиенических нормативов в современных условиях медицина
не в состоянии гарантировать здоровье и благополучие нации.
122
Сегодня наблюдается опасное снижение резервов репродуктивного здоровья населения России, ухудшение
всех звеньев репродуктивного цикла: оплодотворение, беременность, формирование полноценной семьи,
физическое и психическое развитие ребенка, качество здоровья детей. Репродуктивное здоровье
популяции оказалось своего рода исполнительным механизмом экологической диктатуры, дети оказываются больными уже с момента рождения, не менее 80 % хронических заболеваний у детей развивается в
раннем возрасте.
По оценкам отечественных специалистов, непри- косновенный запас резерва репродуктивной прочности
популяции сократился на 25 %, тогда как 30 %-ные потери гарантируют необратимое разрушение базовых
механизмов эволюции человека.
Современные мировоззренческие знания для понимания природы здоровья
Один из наиболее глубоких современных ученых нашего Отечества академик Никита Моисеев —
несомненный рационалист. Однако в размышлениях о необходимых чертах цивилизации будущего Моисеев
подчеркивает, что мировоззрение никогда не может быть сведено к чисто научным, рационалистическим
миропредставлениям. Разум не всесилен, ему доступно то, что «доступно».
Ученый обращает внимание на наличие не только рациональной, но и иррациональной границ человеческой
сущности. С этим его мнением, с точки зрения автора книги «Современный рационализм», нельзя не
согласиться, особенно при рассмотрении концепции здоровья.
Процесс кардинальных изменений в представлениях науки и философии о мире и человеке демонстрируют
также публикации научного журнала «Сознание и физическая реальность» (Т. 1. 1996. № 1—2), в которых
говорится о том, что «для того чтобы лучше разобраться в особенностях работы феноменов сознания...
используется понятие информационно-энергетического пространства Вселенной. Оно относится к
новому научному направлению «Биоэнер-гоинформатика», в концепции которого содержится представление
о Вселенной как о живой системе, более того, как о цельном соразмерном организме.
В мировоззрение биоэнергоинформатики как бы вновь возвраща-ется эзотерический платоно-пифагорский
взгляд на Живой Космос.
123
Следствием такого подхода в биоэнергоинформатике становится также признание человека не
наблюдателем, а естественной частью космоса, воспринимающей его цельную жизнь не только рационально,
но и чувственно — через Дух и Душу». При этом сумма взаимосвязанных элементов «Интеллект + Душа +
Дух» понимается как человеческое сознание. Аналогично понятиям литосферы, гидросферы, вводится
понятие литосферы как сферы сознания человеческого общества на планете. Вся планета может быть
теперь представлена как бы единым Разумным Целостным Организмом, в котором все ее составляющие —
биосфера, человечество и т.д., сосуществуют в гармоничной взаимосвязи и взаимозависимости. Становится
очевидным, что здоровье личности, семьи, государства, планеты — неразделимы. Разумеется, «как
бы» без прямой редукции человека к органическим явлениям. А «жаворонком» новых тенденций явилась,
в частности, валеоло-гия, прежде всего как философская и научная система, как реальная практика
укрепления здоровья человека с самого детства и на всем жизненном пути.
Переход от чисто редукционных, ньютоно-картезианских (механистических) представлений о Мироздании и
рафинированного рационально-логического познания к холистическим (целостным) представлениям и к
единству рационально логического и внерационального в познании — суть происходящих сдвигов в
современном познавательном процессе.
Мы — земляне. Мы все, живущие на Земле, — земляне, и поэтому нам надо жить в мире и радост-ном
взаимопонимании друг с другом. И только это может быть основой здоровья — и личного, и общества, и
планеты.
Термин «биосфера» был введен для обозначения общего обли-; ка поверхности Земли, обусловленного
наличием на ней всей массы живых организмов. Два главных компонента биосферы — живые организмы и
среда их обитания (включая нижние слои атмосферы, водную среду) — сосуществуют в постоянном
взаимодействии, образуя целостную систему. В ходе эволюции образуются биоценозы — сообщества
животных, растений, микроорганизмов. В совокупности со средой обитания биоценозы образуют
биогеоценозы, в которых происходит непрерывный обмен веществом и энергией. Биогеоценозы
124
служат элементарными ячейками биосферы, которые, взаимодействуя между собой, устанавливают
динамическое равновесие в ней. Живое вещество выполняет системообразующую роль в суперсистеме жизни — биосфере. Высокая степень согласованности всех видов жизни в биосфере есть результат совместно
протекающей эволюции взаимодействующих биологических систем — коэволюции. В конечном итоге
коэволюция приводит к увеличению разнообразия и сложности в природе. В этом представлении состоит суть
концепции коэволюции. Согласно ей многообразие живых организмов — это основа организации и
устойчивости биосферы.
Эволюция биосферы
Глубокая фундаментальная взаимосвязь компонентов биосферы делает ее похожей на единый живой
организм, который, родившись практически одновременно с Землей, непрерывно эволюционирует.
Планетарные масштабы этой эволюционизирующей системы и одновременно ее схожесть с живым
организмом определяют место биосферы как особого уровня организации живой материи.
Эволюция биосферы предстает как процесс самоорганизации в открытой неравновесной системе
планетарного масштаба, а источником упорядоченности в биосфере Земли служит отрицательный
энтропийный баланс при непрерывном обмене вещестзом и энергией с окружением.
Источником энергии в биосфере является прежде всего Солнце. Мощность излучения Солнца достаточно
стабильна. Однако в истории Земли известны глобальные ритмические изменения климата. Одной из
основных причин изменений климата считают небольшие вариации земной орбиты и наклона земной оси,
которые меняют количество солнечной энергии, поступающей на Землю. Этого оказывается достаточно для
заметных последствий в нелинейной системе «атмосфера — океан». Малые астрономические факторы
являются источником значительных периодических перестроек в климате планеты, а вместе с этим —
и в биосфере. Эти глобальные циклические процессы имеют периоды в сотни и десятки тысяч лет.
Механизмы их влияния на эволюцию биосферы изучены пока слабо.
Величины потоков энергии и космических частиц, воздействующих ча биосферу и на ее биологические
компоненты, являются сложными
125
периодическими функциями, имеющими характерные для Земли космические циклы.
Циклы, связанные с солнечной активностью, длятся примерно 11 лет. Максимумы солнечной активности
проявляются на Земле в виде магнитных бурь и других явлений планетарного масштаба. Влияние
солнечной активности на земные процессы носит название солнечно-земных связей. Статистически
установлена связь между уровнем солнечной активности и ходом ряда процессов в биосфере Земли (динамикой популяции, эпидемий, количеством сердечно-сосудистых кризов и др.). Известный русский ученый А. Л.
Чижевский, выполнив сопоставительные исследования в области солнечной астрономии, биологии и истории,
пришел к выводу о весьма значительном влиянии периодичности солнечной активности не только на
биологические, но и на социальные процессы на Земле. Этот вывод послужил основой его концепции
зависимости биологической и общественной жизни от космических ритмов и началом нового направления в
биологии — гелиобиологии.
Суть и главная задача экологии
Установлено, что в природе невозможно выделить и изучить любую живую систему вне ее взаимосвязей с
иными живыми системами и с неживым окружением. Поэтому в начале XX в. и в науку стали все шире
проникать идее холистического, т. е. целостного, подхода к изучению природы. Одним из результатов этой
тенденции стала новая научная дисциплина — экология, образовавшая еще один мост между биологией и
другими естественными науками, а также техническими науками и социальным знанием.
Экология — это наука об отношениях сообществ, образуемых живыми организмами, между собой и с
окружающей средой. Ключевым понятием и базовой моделью экологии является экосистема. Экосистемой
называют единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в которых
живые и неживые элементы связаны обменом веществ и энергии.
Экология стала теоретической базой охраны природы. Но задачи экологии значительно шире. Главная
задача экологии состоит в по-
126
знании закономерностей, связанных с воспроизводством, гибелью и миграцией живых организмов, а также в
выработке методов управления этими процессами в условиях возрастающего влияния человека на
окружающую среду.
С развитием техники и технологии, расширением поля деятельности человека и масштабов ее последствий
возникла новая комплексная проблема — экология и здоровье человека, задача которой — исследование
адаптивных возможностей человека в изменяющейся среде обитания. Опасность для человека состоит в том,
что, хотя его адаптивные возможности огромны, они не соответствуют темпам неблагоприятных изменений в
среде обитания. Это сделало приоритетом экологии выработку принципов рационального природопользования и охраны природы.
Основы целостного учения
Вернадского о биосфере
Российский ученый геобиохимик В.И. Вернадский в 1930-е гг., изучив роль живой материи на всем
протяжении ее эволюции, пришёл к выводу о неразрывной связи живых и неживых систем. В истории Земли
происходил непрерывный процесс планетарной интеграции живой и неживой материи, приведший к
образованию сложной единой, тонко сбалансированной системы — биосферы.
Вернадский понимал биосферу как сферу единства живого и неживого (косного). Этот вывод стал одним из
принципов его биосферной теории. Он рассматривал все разнообразие жизни на Земле как мощный фактор,
вовлекающий в круговорот неорганические вещества планеты, аккумулируя энергию солнечного излучения и
преобразуя ее в энергию земных процессов.
Вернадский сумел сделать фундаментальное эмпирическое обобщение: «На земной поверхности нет
химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим
конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом...» Облик Земли как небесного тела фактически
сформирован Жизнью.
127
Новое состояние биосферы в результате взаимодействия человека и природы
Давление, оказываемое человечеством на биосферу, приобрело в результате демографического взрыва и
технологической экспансии разрушительные тенденции. Есть основания считать, что восстановительные
ресурсы биосферы в значительной мере иссякли. Из-за деятельности человека навсегда исчезли некоторые
экосистемы, неузнаваемо изменились многие земные ландшафты.
Современная человеческая цивилизация харак-теризуется двумя противоположными тенденциями. С одной
стороны, непрерывно усиливается техногенное давление цивилизации на природную среду, на биосферу. С
другой — возрастает осознание человечеством ответственности за эволюцию биосферы. Какая из тенденций
возобладает, предугадать невозможно. Однако проблема выживания человечества объективно приводит к
поиску путей гармоничного сосуществования цивилизации и биосферы — коэволюции человека и
биосферы.
Осмысление перспектив коэволюции человека и биосферы привело французского палеонтолога П. Тейяра де
Шардена к мысли о возможности появления в будущем некоего коллективного человеческого сознания,
которое станет контролировать направление эволюции. Он рассматривал переход к этой эволюционной
фазе как последовательный шаг в глобальном процессе эволюции Универсума (Вселенной). В новом
состоянии биосфера переходит в сферу разумного взаимодействия человека и природы — ноосферу. Сам
термин «ноосфера» предложен в 1927 г. другим французским ученым, Э. Леруа, и буквально означает
«сфера разума».
В. И. Вернадский использовал понятие ноосферы при построении своей концепции совместной эволюции
биосферы и человека. Переход к ноо-сфере для Вернадского означал реконструкцию биосферы в интересах
мыслящего человека как единого целого управление им биогеохимическими циклами.
Таким образом, П. Тейяр де Шарден и В. И. Вернадский давали различающиеся понятия ноосферы. Для
первого ноосфера — некий «планетарный слой» сознания и духовности. Для второго ноосфера является
гармонизирующимся состоянием системы «человек — биосфера» и одновременно средой самореализации
человека. Он считал ноосферу исторически неизбежной формой развития биосферы-
128
По В.И. Вернадскому человечество — не только часть биосферной биомассы. Эволюция человека и
общества сделала цивилизацию мощным фактором всей дальнейшей эволюции на Земле. При этом
Вернадский верил в возможность формирования созидательного коллективного разума. Движение к
ноосфере связывается им не только с проявлением планетообразующей мощи человека, но и с
преобразованием самого человека.
В настоящее время под ноосферой понимают сферу взаимодействия человека и природы, в рамках которой
определяющим фактором станет разумная человеческая деятельность.
В рамках современного взгляда на концепцию устойчивого (допустимого) ноосферного развития можно
полагать, что человечеством необязательно будут руководить мэтры науки, «знающие пути» и предписывающие их людям; человечество будет действовать либо по принципу здравого смысла, либо по
обстоятельствам. Однако главное, что оно должно знать, — направленность развития биосферы в
рамках коэволюции ее с Человеком разумным.
Принципы синергетики
В раскрытии механизмов самоорганизации помимо неравновесной термодинамики были использованы также
новые идеи и результаты, появившиеся в разных областях физики и химии — в гидродинамике, физике
лазеров, при исследовании автокаталитических химических реакций и некоторых других явлениях.
Для всех изученных явлений найден ряд принципиально важных признаков: 1) самоорганизующаяся
система является сложной, состоит из большого числа элементов; 2) она открытая, неравновесная и
нелинейная; 3) при увеличении неравновесности системы выше определенного предела она переходит в
неустойчивое состояние; 4) выход из неустойчивости происходит скачком за счет быстрой перестройки
элементов системы; 5) при этом наблюдается согласованное поведение элементов системы, которое
проявляется в переходе системы в качественно новое состояние с упорядоченной структурой (это может
быть какая-либо пространственная или временная упорядоченность); 6) выбор одного из возможных
состояний случаен.
Осмысление различных процессов самоорганизации привело к становлению нового междисциплинарного
направления в науке —
129
синергетике. Эта наука изучает общие принципы, лежащие в основе всех явлений самоорганизации — в
физике, химии, биологии, в технике и теории вычислительных систем, в социологии и экономике. Конкретными подсистемами, составляющими в совокупности сложную систему, могут быть электроны, фотоны,
атомы, молекулы, живые клетки, нейроны мозга, части технических устройств или организмов, животные,
люди, социальные образования. Таким образом, под синергетикой понимают теорию самоорганизации в
сложных, открытых, неравновесных и нелинейных системах любой природы. Это новая наука,
занимающаяся изучением возникновения, поддержания, устойчивости и распада
самоорганизующихся структур, ко-оперативных эффектов в них.
Важнейшим из вариантов синергетики можно считать неравновесную термодинамику (теорию
диссипативных структур). Синергети-ческими теориями по существу являются математическая теория бифуркаций, теория хаоса, теория нелинейных колебаний и волн, нелинейная динамика, теория фазовых
переходов и некоторые другие.
Синергетика прогрессирует вместе с математическим аппаратом описания нелинейных и неустойчивых
систем и соответствующими вычислительными методами.
Можно сказать, что синергетика на современном этапе ее развития — это совокупность общих идей о
принципах самоорганизации и вместе с тем сумма общих математических методов для ее описания.
Предпринимаются все более активные попытки использования этих идей и методов в экологии, медицине,
социологии, экономике и вообще в области социально-гуманитарного знания.
Сущность гуманитарного аспекта синергетики
Обсуждая исторические вехи естествознания, мы отмечаем направляющую роль так называемых парадигм.
Напомним, что научная парадигма — это определенная совокупность фундаментальных научных
достижений, идей, концепций, которые, заслужив всеобщее признание, на некоторый период задают
общепринятый характер видения мира и приводят к выработке соответствующей ему стратегии в научном
понимании. В настоящее время можно уже говорить о наступлении нового, постнеклассического этапа в
развитии науки. Его определяющим признаком становится формирующаяся в наши дни эволюци-
130
онно-синергетическая парадигма (совмещенное развитие человека и Вселенной).
Важнейшей составляющей новой парадигмы стал принцип глобального эволюционизма, то есть признание
невозможности существования всех рождаемых во Вселенной структур вне развития, вне общей эволюции.
Эта мысль органически связана с концепцией фундаментального единства материального мира.
Другой составляющей эволюционно-синергетической парадигмы является представление об
универсальности алгоритма развития как проявления самоорганизации в самых разнообразных природных и
социальных системах, то есть синергетический подход.
Представление об общих закономерностях эволюции сложных систем, к которым относятся и социальные
системы, обусловливает перспективность синергетических идей для обществоведения и гуманитарного
знания. Перечень примеров использования представлений синергетики для создания новых гуманитарных,
обществоведческих концепций быстро пополняется, ибо в экономике, политике, истории имеют дело со
сложными, необратимо эволю-ционирующими системами. Самоорганизующиеся физические системы
выполняют в синергетике роль прототипа при исследовании социокультурных систем.
На основе общих положений синергетики можно осмысливать ход исторического развития, оценивать роль
той или иной личности или отдельных социальных слоев в исторических катаклизмах. В точке бифуркации
даже ничтожные обстоятельства могут определить ход последующей эволюции системы. На
бифуркационном этапе истории существует множество обстоятельств, каждое из которых способно
принципиально и непредсказуемо повлиять на ход исторических событий. К таким обстоятельствам относится
и личностный фактор. Действия энергичной личности, реализующей свои устремления, в таких условиях
часто становится своеобразной «флуктуацией», которая и определяет выбор сильнонеравновесной
социальной системой ветви своей дальнейшей эволюции.
В то же время существуют гуманитарные проблемы, тесно связанные с практической деятельностью
человека, такая, например, как развитие цивилизации в условиях всевозрастающего антропогенного воз-
действия на биосферу. Методологическое значение идей синергетики заключается здесь в прояснении
опасности биосферных «бифуркаций», вызванных этим воздействием и способных непредсказуемо и
необратимо направить эволюцию биосферы по губительной для цивилизации ветви развития.
131
