Учебное пособие: Концепции современного естествознания Бочкарев

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тольяттинский государственный университет сервиса (ТГУС)»

А. И. БОЧКАРЁВ, Т. С. БОЧКАРЁВА,

С. В. САКСОНОВ

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Учебник

Тольятти

2008

УДК 5(075.8)

ББК 20я73

Б 86

Рецензенты:

д.б.н., проф., засл. деятель науки РФ, чл.-корр. РАН,

директор Института экологии Волжского бассейна Г. С. Розенберг;

д.т.н., проф., засл. деятель науки и техники РФ,

президент Тольяттинского отделения РАЕН В. И. Столбов

Учебник написан в строгом соответствии с Государственным образовательным стандартом по дисциплине «Концепции современного естествознания» с учетом многолетнего опыта преподавания данной дисциплины в Тольяттинском государственном университете сервиса, а также опытом Интернет-тестирования Минобрнауки РФ.

В учебнике рассмотрены основные концепции современного естествознания с позиций синергетической парадигмы фундаментальности, реализуемой авторами при организации синергетической образовательной среды по дисциплинам кафедры «Современное естествознание» ТГУС.

Рассмотрены эволюция современного естествознания от античности до наших дней, концепции самоорганизации в физике, химии, биологии, психологии, принципы целостности естествознания, механизмы языка, принципы синергетики, формирование эволюционного естествознания, созидание синергетической среды в системах различной природы.

Содержание и нелинейная структура учебника разработаны как мультидисциплинарный дидактический комплекс, формирующий целостное мировоззрение, инновационную культуру студентов, магистров и аспирантов.

Учебник адаптирован к технологии дистанционного обучения «Прометей» и является основной (системообразующей) частью учебно-методического комплекса по этой дисциплине (учебное пособие для самостоятельной подготовки, лабораторный практикум с виртуальными работами, база данных из вопросов (более 3000 вопросов), лекций-презентаций и видеолекций).

Учебник может быть полезен не только студентам вузов, но и аспирантам, магистрам и преподавателям, а также тем, кто интересуется достижениями и проблемами современного естествознания.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Специфика учебной дисциплины «Концепции современного естествознания», ориентированной на студентов гуманитарных и социально-экономических специальностей, состоит в том, чтобы системно понятным языком представить весь спектр концептуальных разработок современного естествознания с пользой для жизни и образования будущих специалистов, бакалавров, магистров.

Концепция естественнонаучного образования гуманитариев и ее воплощение далеки от идеала, и много лет дискредитировалась исходная идея путем освоения этой дисциплины разными специалистами: от физиков до гуманитариев, излагающих в меру своей подготовки и пристрастий целый курс, сделав его, таким образом, безпредметным. Большей дискредитации подвергается дисциплина после чтения ее гуманитариями с попытками широких обобщений, что способствует формированию целостного видения мира и культуры мышления, но не несет толкового естественно-научного знания, однако, так и у «чистых физиков» возникает ситуация неприменимости данного курса в жизни и профессиональной деятельности из-за излишней конкретики. Так где же золотая середина?

В любой методологии должен присутствовать концептуальный стержень – главная идея, реализация которой и образовала бы структуру представления данного курса, составляла бы его внутреннюю логику. На взгляд авторов данного учебника такой концептуальной идеей является синергетическая парадигма фундаментальности, находящаяся в корреляции с главной идеей и традициями русского космизма, «нового диалога человека и природы», отражающие главные отличия научного постижения природы. Современное естествознание все больше становится наукой о развитии : в биологии, синергетике, неравновесной термодинамике, космологии, в котором преобладает синергетический подход.

Сумма частных картин не дает цельной картины и не только из-за неконтролируемого взаимодействия в природе и ничейных территорий (промежуточных предметов) разных наук, сколько в том, что такой подход и тенденции к дифференциации оставляют за пределами наших формализованных знаний большие массивы тех знаний, умений и обладаний, которые как бы «выбрасывают с водой и ребенка».

Чтобы обойти эту неопределенность проф. А.Д. Сухановым обосновывается идея неконтролированного воздействия и трансдисциплинарные (над) дисциплинарные идеи. Остается только недоумевать, а есть ли предмет у современного естествознания, который по стихийному подходу авторов многих учебников по дисциплине «Концепции современного естествознания» видимо мыслится как некоторый многоголовый монстр, содержащий предметы (дисциплины), составляющие по всеобщему заблуждению междисциплинарный синтез этого, хотя и ограниченного множества предметов. Все дело в том, что синтез возможен по принципу наложения (суперпозиции) и справедлив лишь для линейных замкнутых систем. Совокупность наук и дисциплин, составляющих современное естествознание, является нелинейной, открытой, самоорганизующейся системой, для которой принцип суперпозиции несправедлив. Стало быть, имеет место не интеграция ряда дисциплин, не декларируемый междисциплинарный их синтез, и, к сожалению, реализованный во многих учебниках по КСЕ дифференциальный подход к изучению природы по частям. Реальность такова: хотим мы этого, или не хотим, в этом курсе имеет место глубокое взаимопроникновение, мультидисциплинарное взаимодействие, «эмерджентный нелинейный синтез» с алгоритмом реальности открытых нелинейных систем различной природы (прим. ред.). Этот алгоритм работает в природе, особенно в живой, имеет отношение к естественному отбору, борьбе за существование к превосходству сложного, и приоритету простого. Поэтому необходимо постижение Природы в дисциплине «Концепции современного естествознания» в соответствии с синергетической парадигмой фундаментальности без отторжения.

Учебник явился результатом многолетнего преподавания курса в Тольяттинском государственном университете сервиса, постановки его в соответствии с двумя поколениями государственного образовательного стандарта, написанием учебника, имеющего рекомендательный гриф Минобразования (1998), ряда учебных пособий, создания информационно-синергетической среды данной дисциплины на современном уровне.

Авторы благодарны докторанту, к.б.н., доц. Васюкову В.М. за правку и замечания к разделам 3,5;6; аспиранту Бочкаревой Р.А. за верстку и разработку всего оригинала-макета учебника.

Авторы благодарны студентам ТГУС, среди которых апробировался материал настоящего учебника, на лекционных, семинарских, занятиях, индивидуальных творческих работах, исследованиях восприятия его студентами, поэтому содержание приняло лаконичный, читаемый и обучаемый вид.

Учебник полезен как для самообразования, так и контроля знаний и не исключает, а предполагает изучение других работ по данной дисциплине, приведенный в списке литературы и содержащийся авторский учебный материал в базе данных сайта кафедры «Современное естествознание» Тольяттинского государственного университета сервиса для системы дистанционного обучения «Прометей».

1. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ ФОРМЫ КУЛЬТУРЫ. НАУЧНЫЙ МЕТОД

1.1. Естественно-научная и гуманитарная формы культуры

Под культурой в самом широком смысле принято понимать все то, что создано человечеством в ходе его исторического развития.

Иначе говоря, культура – это совокупность созданных человечеством материальных (материальная культура) и духовных (духовная культура) ценностей, а также способность человека производить и использовать данные ценности.

Нельзя забывать, что культура воплощает целостную систему представлений о мире, которая характеризует уровень развития, как всего общества, так и отдельной личности.

Понятие культуры в наше время недопустимо ассоциировать только с гуманитарным знанием, включающим философию, психологию, теорию литературы, музыки, изобразительного искусства и их отдельные феномены в виде тех или иных произведений. Культура определяет духовный мир человека, а он между тем формируется также и под воздействием осмысления Природы, поэтому естественнонаучное знание – это также часть общечеловеческой культуры.

Классическая и неклассическая стратегии естественнонаучного мышления развивались на основе наблюдений за природой и оформились благодаря естествознанию, так что можно уверенно утверждать, что оно обогатило сокровищницу мировой культуры бесценным вкладом – даром понимать природу и одновременно осознавать зависимость характера получаемого знания от своей мысленной позиции. В определенном смысле человек понял, что природа открывается ему на столько, насколько он внутренне настроен что-либо узнать о ней. Где, как не в этом, можно увидеть ярчайшее проявление единства человека и природы, гуманитарного и естественнонаучного начал культуры.

Очевидно, что человек может существовать только при соблю­дении определенных условий бытия. Прежде всего, должны быть удовлетворены его потребности в пище, одежде, жилище, тепле, т.е. его материальные (биологические) потребности. С развитием цивилизации материальные потребности непрерывно растут.

Однако материальные потребности людей не исчерпывают всех их потребностей. Человек – существо разумное и биосоциальное. В связи с этим у человека, помимо материальных, имеются еще и так называемые духовные потребности. К понятию «духовное» обычно относят сознание, мышление, психологию, волю, характер, ощущения, естественную потребность человека в познании окружающего мира (природы и общества).

Таким образом, духовные потребности человека – это потребности в развитии его знаний, чувств и ощущений с целью более полного и всестороннего ощущения красоты мира, развития воли, характера и т.д. Все это создает духовный мир человека, его духовную культуру. Развитие и совершенствование духовного мира является, в конечном счете, одним из важнейших элементов смысла существо­вания человека на Земле.

Для удовлетворения духовных потребностей люди создали науку, искусство, философию, литературу, мораль, религию и т.д. Материальные носители духовного – язык, книги, художественно-изобра­зительные средства.

Осваивая эти ценности, человек постепенно развивает свой внутренний духовный мир: знания, интересы, ценности, т.е. все элементы духовной культуры. И, в конечном счете, можно образно сказать, что именно духовная культура делает человека Человеком.

Важнейшей частью духовной культуры, как было уже отмечено, наряду с искусством, правосознанием, религией и т.д., является наука.

Наука – это особая сфера деятельности человека, направленная как на получение новых знаний, так и на разработку новых методов их получения.

Современная наука – сложная и многообразная система отдель­ных дисциплин. Науковеды насчитывают их несколько сотен.

К настоящему времени сложилась устойчивая традиция разделе­ния всех дисциплин на две большие группы: естественно-научные и социогуманитарные знания, в связи, с чем выделяют два типа нар естественные и гуманитарные. Очевидно, что естественные и гуманитарные науки различаются, прежде всего, объектами исследования первые изучают природу, а вторые – человека и общество, характеризуются присущими только им особенностями познавательно деятельности. Они различаются не только объектом познания , но средствами и методами познания, формами результатов познания стилем мышления и методологическими установками.

Совокупность систем ценностей, идеалов, стилей мышления, методологических установок, присущих отдельным дисциплинам и их комплексам, называют научной культурой.

Различают формы культуры естественно-научного и гуманитарного познания. Так возникло и получило широкое распространение представление о «двух формах культуры» в науке − естественно-научной и гуманитарной.

Естественно-научная форма культуры – система знаний о природе.

Гуманитарная форма культура – система знаний о позитивно значимых ценностях бытия человека, социальных слоев, государства, человечества.

Наличие в единой культуре двух разнородных типов знания (естественно-научного и гуманитарного) стало предметом философ­ского анализа еще в XIX в. Однако в XX в. произошел заметный и все более увеличавающийся разрыв между естественно-научной и гуманитарной культурами. Это связано с тем, что XX в. отмечен грандиозными успехами естествознания и последовавшей за этим научно-технической революцией. Овладение атомной энергией, созда­ние всемирных глобальных телевизионных систем, выход человека в космос, расшифровка генетического кода и т.д. – эти и другие достижения естественно-научной культуры существенно изменили стиль и образ жизни человека. Гуманитарная же форма культуры предъявить что-либо равноценное не смогла.

Принимая также во внимание то обстоятельство, что развитие ес­тествознания в XX в. связано с глобальной математизацией науки, приведшей к успешному применению математического моделирова­ния для описания явлений и природных процессов, и на этой основе получены выдающиеся достижения и открытия, естественные науки приобрели статус «точных наук», а естествознание – статус «точного знания». Соответственно гуманитарные науки в массовом сознании перешли в разряд «неточных наук», или вообще «не наук».

Специфика естественно-научной формы культуры заключается в том, что знание о природе отчуждено от исследователя. Последний находится как бы за пределами сферы знания, сторонним наблюдателем . Поэтому естественнонаучное знание может постоянно совершенствоваться: на смену одному естествоиспытателю приходит другой, потом третий и т. п. Одни и те же естественно-научные законы могут открываться разными учеными, могут быть «синтетическими», т. е. включать в себя несколько различных открытий.

В то же время естественно-научное знание становится все более специализированным, во многих случаях недоступным представителям других специальностей. В связи с этим широкое распространение получила научно-популярная литература, как бы «перекидывающая мост» между обыденным сознанием и узкоспециализированным научным знанием.

Когда возникли и обособились отдельные науки о природе, вызревание подобных идей не то чтобы затормозилось, но перешло в латентную (скрытую) фазу. Долгое время они формировались подспудно, так как параллельно шел независимый процесс накопления и осмысления того, что происходит в природе. Мультидисциплинарные идеи обретали плоть по мере умножения конкретных знаний.

Гуманитарная форма культуры ориентирована на общечеловеческие ценности, такие, как гуманизм, демократия, мораль, права человека и т. п. Но исследователь этой культуры находится внутри рассматриваемых проблем. Философские системы, религии, филологические исследования включают в себя особенности, присущие их творцу. Вся его жизнь часто неразрывно вплетена в «ткань» этих систем, религий и т.п. Поэтому и методы исследования, используемые в области гуманитарного знания, разительно отличаются от естественно-научных и сводятся преимущественно к интерпретациям, толкованиям, сравнениям.

Постепенно между двумя типами наук и форм культур образовалась научная пропасть, которая постепенно расширялась, и ученые, посвятившие себя изучению естественных и гуманитарных наук, стали все меньше понимать друг друга. Возникла опасная тенденция раскола научной интеллектуальной элиты современного общества.

К счастью, в последние десятилетия процесс конфронтации двух типов наук стал сменяться их сближением, а в ряде случаев и процессами интеграции.

Сама дифференциация наук по предметам изучения возникла сравнительно недавно. В древности существовала единая наука о природе. Она называлась натурфилософия. На природу смотрели как на единую сущность, и поэтому это была одна наука.

С течением времени в связи с расширением практических потребностей человека появились спектр отдельных наук о природе. Сначала астрономия и небесная механика, потом механика земных движений, далее учение о теплоте. Возник спектр междисциплинарных наук, таких как биохимия, физическая химия, и др. из-за специфических предметов исследования. При изучении пограничных явлений возникли методы смежных наук, в которых появилась новая тенденция, заключающаяся в интеграции научного знания, ибо много наук порождало больше незнания, специфичность отдельных наук и их языка. Создаются физическая, химическая, биологическая и др. картины мира, каждые из которых имеют свои границы. Вот и пришли к парадоксальной ситуации изучения единой природы по частям , которые отнюдь не способны естественным образом к взаимному проникновению и взаимопониманию. Это случилось по причине ухода от единого предмета и объекта, как бы его не называли. Ведь на улице «чужих детей не бывает», а «у семи нянек – дите без глаз». Так может быть в этом и состоит тормоз развития цивилизации, как закате единой культуры, понимаемой как способ жизни , а не выживания по второму сценарию?

Сумма частных картин не дает цельной картины и не только из-за неконтролируемого взаимодействия в природе и ничейных территорий (промежуточных предметов) разных наук, сколько в том, что такой подход и тенденции к дифференциации и интеграции оставляют за пределами наших формализованных знаний большие массивы тех знаний, умений и обладаний, которые как бы «выбрасывают с водой и ребенка».

Обращаясь к аналогиям, вспомним, что в искусстве также существуют направления, различающиеся методами отражения действительности. Это реализм, модернизм, импрессионизм и т. д. Нам трудно было бы оценить достоинства живописного произведения, в котором причудливо сочетались бы разные стили. Эклектика не порождает гармонии. Также и дисциплина «Концепции современного естествознания» может выродиться в набор большого числа отдельных наук, не рождающих вместе синергетического эффекта постижения природы на фундаментальном уровне без отторжения, поскольку упорное деление единого предмета по определению отторгает субъекта и делает его «сторонним наблюдателем», недоумевающим от того, что его готовят для энциклопедических знаний всего того, что содержится в этом множестве наук никогда не используемых в его жизни.

Необходимо отдавать себе отчет в том, что современное естествознание как мультидисциплинарная наука вовсе не сводится к совокупности знаний, полученных в частных науках. Оно использует эти знания, но особым образом. Здесь подразумевается более высокий уровень интеграции, усиления, взаимопроникновения, чем при традиционном междисциплинарном синтезе, а именно мультидисциплинарный синтез , порождающий взаимопроникновение наук, взаимоусиление итогового познавательного результата. Дело в том, что современное естествозна ние – это мультидисциплинарная научная область знания , предназначенная для формирования умений и обладаний человека, являющегося часть естественной и искусственной природы. Этим обозначается его направленность на поиск единых, универсальных закономерностей природы , воплощенных в объединяющих идеях и представлениях, признаваемых во всех естественных науках. Поэтому для становления современного естествознания необходим очень высокий уровень развития частных наук. Сейчас еще нельзя сказать, что он достигнут, поэтому современное естествознание находится в стадии формирования своих фундаментальных парадигм (систем основополагающих представлений), объединяющей идеей, например, служит синергетическая парадигма фундаментальности.

Другая важнейшая особенность современного естествознания связана с тем, что осмысление накопленного знания невозможно без ис следования процедур его получения, т.е. знания истории науки и техники . Они принципиально влияют на результаты, формируя ту или иную стратегию научного мышления. Однако сейчас отметим, что на этом уровне современное (со-временное) естествознание интегрирует не только совокупные знания о природе, но и возвращает исследователя в новый диалог с природой на фундаментальном уровне без отторжения. Человек не противопоставляется миру природы, а рассматривается как его органическая часть.

В XX в. на основе неклассической стратегии естественнонаучного мышления зародилась новая неклассическая научная ментальность, главный смысл которой – отражение мира не в виде аддитивного множества объектов, явлений и типов, форм культур, а в виде сложной нелинейной, (мультидисциплинарной ) системы взаимодействия частей и целого. Благодаря ей мир в нашем сознании обретает целостность , т. е. становится принципиально не делимым на отдельные фрагменты. Он наполняется внутренней гармонией вопреки внешне разрозненным и неоднозначным проявлениям. За многогранностью и многообразием объектов и процессов нашему пониманию открывается сложность открытого нелинейного мира.

В понимании всего сказанного выше заключается инновационная культура как специфика мышления современного образованного человека (см. разд. 9.7). Благодаря системе образования эти качества личности должны формироваться и воспроизводиться в последующих поколениях. Тем более огорчительно, что современная система образования фактически не выполняет этой миссии, т.е. не формируем инновационной и интеллектуальной культуры в процессе обучения, воспитания и развития. Даже в наметившемся «болонском процессе» в двухступенчатом образовании бакалавр-магистр образуются лестница компетенций: знать, уметь, владеть, быть , как бы перевернув познание с ног на голову и отделив его, т.е. субъекта познания (человека) от объекта (природы). Древние люди по меткому выражению П. Флоренского понимали, что «прежде чем хотеть, нужно быть» : в единстве с природой и познавать, не отторгаясь от нее. Стало быть, что стоит такое образование, которое, по сути, подразумевает бытие после становления . По алгоритму И. Пригожина новый диалог человека и природы должен происходить «от бытия к становлению, от существующего к возникающему», т.е. постижение природы на фундаментальном уровне без отторжения. То есть целью постижения должно быть не владение, а обладание , присущее познающему субъекту на всех стадиях, поскольку «знание действительно становится силой, когда через владение приводит к самообладанию» (прим. ред.) Таким образом, лестница компетенций должна быть такой: быть , (если не будешь, то и не станешь), знать, уметь, обладать . Что может быть выше этого? Владеть (овладеть можно и силой) не обладая это временно, поскольку силу и власть можно потерять, а «обладать, владея» это нельзя потерять, отнять, купить и т.д., поскольку это является атрибутом, внутренней сущностью образованного интеллигентного человека.

Классическая ментальность более соответствует грубому повседневному опыту человека, а потому ее становление происходит без особых затруднений, как бы самопроизвольно. Несмотря на это, наше образование от школы до университета построено так, что львиная доля усилий (явных и неявных) тратится именно на ее усовершенствование. При этом для всего иного уже не остается времени, и большая часть студентов университетов оказывается обладателями преимущественно классического, а не синергетического стиля мышления . Резонно все же поставить вопрос: а так ли уж это опасно?

Нам думается, что опасно по следующим причинам. Во-первых, такая личность духовно обделена – она имеет представление лишь о части мира, потому что неклассическая его сторона навсегда скрыта от нее. Во-вторых, доминирование классического подхода в преподавании настраивает на восприятие природных и социальных процессов как некоего нарушения здравого смысла, как экзотического отступления от нормы, требующего для своего объяснения особых, специфических теорий. За подобными представлениями кроется не только общая научная малограмотность, которая не должна проявляться у образованного человека. Это чревато и профессиональной несостоятельностью , поскольку инновационная культура определяет успешность деятельности в любой сфере. В-третьих, подобные реакции к тому же вызывают и психологический дискомфорт – ведь встречаясь с неожиданными для классического мировоззрения фактами, человек испытывает эмоциональный и интеллектуальный стресс вместо того, чтобы воспринять их как естественное проявление неклассичности, нелинейности окружающего мира.

Наилучшим тренировочным полем для овладения неклассической стратегией мышления является процесс освоения знаний в естественнонаучной области.

Человеческое общество вступило в век господства принципиально новых, высоких технологий в различных сферах деятельности. И совершенно естественно, что новому, более высокому уровню цивилиза­ции должна соответствовать новая, более высокая ступень развития человека и человеческого общества в целом в их взаимодействии с природой. Возникает задача целостного, гармонического развития духовных и материальных сил человека . А путь к ее решению – в единении и интеграции естественных и гуманитарных знаний, путь к единой (инновационной) культуре.

1.2. Научный метод

Исследование феномена история науки непременно приводит к конкретным личностям – ученым, сделавшими открытия, изобретения, являющиеся «посредниками» в инновационной среде развития цивилизации. Современное естествознание немыслимо без истории науки и техники, однако преподавание дисциплины «Концепции современное естествознание» может стать неэффективным, если будет превышена мера соотношение содержания истории науки и техники и самого предмета современного естествознания. По истории науки и техники последнее время написано много хороших пособий, и они имеют самостоятельный интерес.

С течением времени искусство сбора научной информации и выработки на ее основе определенных представлений подразделилось на ряд последовательных этапов. Появились научные методы, объе­динение которых в определенную систему привело к созданию методологии проведения научных исследований. Научный метод начинается с наблюдения объектов и событий и ведет к построению научных теорий и их проверке.

Научный метод – это совокупность приемов или операций практической или теоретической деятельности.

Конкретные, частные, специальные приемы и способы исследо­вания в разных науках могут заметно отличаться друг от друга, но общий подход к познанию, т.е. метод исследования, остается в сущности тем же самым. В этом смысле частные приемы и методы познания, используемые в конкретных науках, можно охарактеризовать как тактику исследования, а общие принципы и методы – как его стратегию.

Для анализа и оценки различных методов существует особое учение – методология.

Методология – это учение о принципах построения, формах и способах научного познания.

В методологии обычно выделяют общие методы исследования, используемые большинством наук на разных этапах познавательной деятельности.

Следует подчеркнуть, что методология тесно смыкается с так на­зываемой формальной логикой, которая главное внимание направ­ляет на выяснение структуры готового, оформившегося знания, на описание его формальных связей и элементов на языке символов и формул при отвлечении от конкретного содержания высказываний и умозаключений.

Метод – есть совокупность приемов и операций практического и теоретического познания действительности. Каждый акт познавательного процесса включает в себя в той или иной степени как наглядно-чувственные, эмпирические, так и абстрактные, теоретические элементы. Каждый акт живого созер­цания пронизан мыслью, опосредован понятиями, категориями.

Исторически путь естественно-научного познания окру­жающего мира начинался с живого созерцания – чувственного восприятия фактов на основе практики. От живого созерцания человек переходит к абстрактному мышлению, а от него – снова к практике, в которой он реализует свои мысли, выверяет их истинность. Идеи служат направляющей силой, но для своего воплощения они должны постоянно подтверждаться через наблюдения, эксперименты, т.е. посредством эмпирического познания. Эмпирическое и теоретическое познание – это единый процесс, характерный для любого естественно-научного исследования на любой его стадии. На эмпирическом и теоретическом уровнях используется понятийный аппарат мышления – понятия, суждения, умозаключения.

Эмпирический уровень познания. Эмпирическое познание имеет дело с фактами и их описанием. Проследим кратко всю последователь­ность наблюдаемых действий.

Вся научная информация основана на наблюдениях и подвергается объективной проверке . Непосредственные наблюдения ограничиваются только ощущениями , полученными от пяти органов чувств (зрение, слух, обоняние, осязание, вкус). Эти данные можно проверить, поскольку наши органы чувств могут обманываться (зрительные и звуковые галлюцинации, различное восприятие тепла и холода, вкусовых ощущений, запахов в зависимости от условий и т.д.). На этих иллюзиях часто строятся фокусы. До того как наблюдения станут фактом, они должны быть проверены.

Ощущение – это простейшие чувственные образы, отражения, «копии» предметов. Целостный образ, отражающий непосредственно воздействующие на органы чувств предметы, их свойства и отношения, называется восприятием. Опыт восприятия каждого из органов чувств опосредует восприятие, осуществляемое с помощью других органов чувств. Решающую роль играет зрение. Способность мозга запечатлевать, сохранять воздействие или сигналы вешней среды и в нужный момент воспроизводить их называется памятью. Память играет очень важную познавательную роль в жизни человека. Психические явления, сменяющие друг друга и не связанные с предшествующими явлениями прежде, чем закрепиться в памяти, не могут остаться фактом сознания. В результате восприятия внешних воздействий и сохранения их во времени памятью возникают представления .

Представления – это образы тех объектов, которые когда-то воздействовали на органы чувств человека, а потом восстанавливаются по сохранившимся в мозгу следам и при отсутствии этих объектов. Ощущения и восприятия – начало возникновения сознательного отражения. Память закрепляет и сохраняет полученную информацию. В представлении уже теряется непосредственная чувственная данность объекта сознания. Представление – промежуточная ступень при переходе от ощущения к мысли.

Научный факт. Необходимое условие естественно-научного исследования состоит в установлении фактов. Эмпирическое познание поставляет науке факты, фиксируя при этом устойчивые связи, закономерности окружающего нас мира. Без теоретического осмысления невозможно целостное восприятие действительности, в рамках которого многообразные факты укладывались бы в некоторую единую систему.

Наблюдение – преднамеренное, планомерное восприятие, осуществляемое с целью выявить существенные свойства объекта познания. Наблюдение относится к активной форме деятельности, направленной на определенные объекты и предполагающей формулировку целей и задач.

Эксперимент – метод, или прием, исследования, с помощью которого объект или воспроизводится искусственно, или ставится в заранее определенные условия. Метод изменения условий, в которых находится исследуемый объект, – это основной метод эксперимента.

Мышление – высшая ступень познания. Хотя его источник – ощущения и восприятие, но оно выходит за их границы и позволяет формировать знания о таких объектах, свойствах и явлениях, которые не доступны органам чувств. Мышление – целенаправленное, опосредованное и обобщенное отражение в мозгу человека существенных свойств, причинных отношений и закономерных связей вещей. Основными формами мышления являются понятия, суждения и умозаключения.

Понятие – это мысль, в которой отражаются общие и существенные свойства объектов и явлений. Понятия не только отражают общее, но и группируют, классифицируют объекты в соответствии с их различиями. Понятия возникают и существуют в определенной связи, в виде суждений. Мыслить – значить судить о чем-либо, выявлять определенные связи и отношения между различными сто­ронами объекта или между объектами.

Суждение – форма мысли, в которой посредством связи понятий утверждается (или отрицается) что-либо о чем-либо. По отношению к действительности суждения оцениваются как истинные или ложные. К тому или иному суждению человек может прийти путем непосредственного наблюдения какого-либо факта или опосре­дованным путем – с помощью умозаключения.

Умозаключение представляет собой рассуждение, в ходе которого из одного или нескольких суждений, называемых предпосылками или посылками, выводится новое суждение (заключение или следствие), логически непосредственно вытекающее из посылок.

Главная задача теоретического мышления – привести полученные данные в стройную систему и создать из них научную картину мира, лишенную логического противоречия.

Важной формой теоретического мышления является гипотеза (предположение) – вид умозаключения о сущности еще недостаточ­но изученной области действительности. Гипотеза требует проверки и доказательства, после чего она приобретает характер теории – системы обобщенного знания, объясняющей те или иные стороны действительности.

Теоретический уровень познания . Отдельные наблюдения и экспери­менты отвечают на строго конкретные вопросы. Затем из отдель­ных «кирпичиков» информации складывается целое здание – теория. Однако при построении теории, как правило, используют­ся уже другие, более высокие уровни познания, так называемые методы теоретического познания: формализация, абстрагирование, индукция и дедукция, анализ и синтез, моделирование.

Одна из важных задач естественно-научного познания – обобщение всего известного об окружающем мире. Эксперимент и наблюдение дают огромное многообразие данных, порой не согласованных между собой и даже противоречивых. Главная задача теоретического мышления – привести полученные данные в стройную систему и создать из них научную картину мира, лишенную логического противоречия.

Важной формой теоретического мышления является гипотеза – предположение, исходящее из ряда фактов и допускающее существование объекта, его свойств, определенных отношений. Гипотеза – это вид умозаключения, пытающегося проникнуть в сущность еще недостаточно изученной области действительности. Гипотеза требует проверки и доказательства, после чего она приобретает характер теории – системы обобщенного знания, объяснения тех или иных сторон действительности.

Описание, объяснение и предвидение. Эмпирическое познание имеет дело с фактами и их описанием. При теоретическом анализе эмпирического материала логической обработке подвергается вся совокупность эмпирических данных, полученных различными путями и зафиксированных в различных источниках информации. В процессе теоретического мышления познание идет от фактов и их описания к интерпретации, объяснению их. Первым и необходимым условием объяснения фактов является их понимание, т.е. осмысление фактов в системе понятий данной науки. Понять явление означает – выяснить те особенности, благодаря которым оно играет определенную роль в составе целого, раскрыть суть, способ его возникновения.

В современном понимании методология – учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности. В частности, методология естествознания – это учение о принципах построения, формах и способах естественно-научного познания. В естественно-научном исследовании природы важен не только хороший метод, но и мастерство его применения.

Сравнение есть установление сходства и различия объектов.

Анализ представляет собой мысленное или реальное разложение объекта на составляющие его части. Когда путем анализа частности достаточно изучены, наступает следующая стадия познания – синтез – объединение в единое целое расчлененных анализом элементов. Анализ фиксирует в основном то специфическое, что отличает части друг от друга. Синтез вскрывает то общее, что свя­зывает части в единое целое. Анализ и синтез – основные приемы мышления.

Абстрагирование – мысленное выделение какого-либо предмета, в отвлечении от его связей с другими предметами, какого-либо свойства предмета в отвлечении от других его свойств, какого-либо отношения предметов в отвлечении от самих предметов. Абстрагирование составляет необходимое условие возникновения и развития любой науки и человеческого познания вообще. Абстрагирование – это движение мысли вглубь предмета, выделение его существенных элементов.

Идеализация как специфический вид абстрагирования – это мыслительное образование абстрактных объ­ектов, не существующих и не осуществимых в действительности, но для которых имеются прообразы в реальном мире. Идеализация – это процесс образования понятий, реальные прототипы которых могут быть указаны лишь с той или иной степенью приближения.

Под абстрактным понимается одностороннее, неполное отражение объекта в сознании. Конкретное – результат научного исследования, отражение объективной действительности в системе понятий и категорий, теоретически осмысленное единство многообразного в объекте исследования. Методом теоретического познания объекта как целого является восхождение от абстрактного к конкретному.

Аналогией называется вероятное, правдоподобное заключение о сходстве двух предметов в каком-либо признаке на основании установленного их сходства в других признаках. Аналогии дают лишь вероятные заключения, они играют огромную роль в познании, так как ведут к образованию гипотез – научных догадок и предположений, которые в ходе последующего этапа исследований и доказательств могут превратиться в научные теории. Аналогия как метод чаще всего применяется в теории подобия , на которой основано моделирование.

В современной науке и технике все большее распространение получает метод моделирования, сущность которого заключается в воспроизведении свойств объекта познания на специально устроенном его аналоге – модели. Принцип моделирования составляет основу кибернетики. Моделирования стали применять в социологии, экономике и др.

В качестве метода естественно-научного исследования индукцию можно определить как процесс выведения общего положения из наблюдения ряда частных единичных фактов.

Дедукция – это процесс аналитического рассуждения от общего к частному или менее общему. Началом (посылками) дедукции являются аксиомы, постулаты или просто гипотезы, имеющие характер общих утверждений, а концом – следствия из посылок, теорем. Если посылки дедукции истинны, то истинны и ее следствия. Дедукция – основное средство доказательства. Применение дедукции позволяет вывести из очевидных истин знания, которые уже не могут с непосредственной ясностью постигаться нашим умом, однако представляются в силу самого способа их получения вполне обоснованными и тем самым достоверными. Дедукция, проводящаяся по строгим правилам, не может приводить к заблуждениям.

Открытие – установление новых, ранее неизвестных закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящих коренные изменения в уровень познания. За способностью как бы «внезапно» схватывать суть дела и чувствовать полную уверенность в правильности идеи по существу стоит накопленный опыт, приобретенные ранее знания и упорная работа ищущей мысли. При этом каждое новое открытие или изобретение подготовлено множеством предшествующих побед и заблуждений.

Одна из характерных особенностей творческой работы состоит в разрешении противоречий . Любое научное открытие или изобретение представляет собой создание нового, неизбежно связанного с отрицанием старого. В этом заключается диалектика развития мысли. Творческий процесс вполне логичен. Выстраивается логическая цепь операций, в которой одно звено закономерно следует за другим: постановка задачи , предвидение идеального конечного результата, отыскание противоречия , мешающего достижению цели, открытие причины противоречия и, наконец, разрешение противоречия.

Сила творческого воображения позволяет человеку взглянуть на примелькавшиеся вещи новыми глазами и различить в них черты, доселе никем не замеченные. Существенное значение в воспитании творческого воображения играет искусство.

В процессе научного открытия большую роль играет интуиция – способность постижения истины путем прямого ее усмотрения без обоснования с помощью доказательства. Многие ученые и художники считают, что самыми плодотворными в их творческом процессе являются моменты приливов вдохновения. После каких-то, может быть, очень долгих и мучительных исканий вдруг наступает удивительное чувство творческого порыва и ясности сознания . В этот момент человек работает быстро и сам чувствует, что делает хорошо, именно так, как нужно, как ему хотелось. Понятие интуиции сближает научное творчество с художественным.

Характерная черта научного мышления – доказательность . Истинность или ложность того или иного утверждения, как правило, не обладает прозрачной очевидностью. Во всяком доказательстве имеются: тезис, основания доказательства (аргументы) и способ доказательства. Тезисом называется положение, истинность или ложность которого выясняется посредством доказательства. Доказательство, посредством которого выясняется ложность, называется опровержением.

Все положения, на которые опирается доказательство и из которых необходимо следует истинность доказываемого тезиса, называются основаниями или аргументами. Основания состоят из положений о достоверных фактах, определений, аксиом и ранее доказанных положений.

Аксиомы – положения, не доказываемые в данной науке и играющие в ней роль допускаемых оснований доказываемых истин.

Связь оснований и выводов из них, имеющая результатом необходимое признание истинности доказываемого тезиса, называется способом доказательства. Доказательство одного и того же положения науки может быть различным. Связь оснований, ведущая к истинности доказательного тезиса, не единственная.

Рассмотренные методы и последовательное их применение по­зволили создать совершенную методологию научного исследования и решить основную задачу естественно-научного познания – правильно отражать объективную действительность в сознании человека, т.е. от­ражать ее такой, какая она существует сама по себе, независимо от человеческого сознания.

Между явлениями природы существуют устойчивые, повторяю­щиеся связи – проявления законов природы.

В системе научного знания большое значение имеют теории. Теории дают представление о закономерностях и существующих связях в определенной области.

Теория – это обобщение, логически объясняющее определенный набор фактов.

Теория сама по себе – не факт, так как недоступна для непосредственного наблюдения. Тем не менее, ее можно проверить и в зависимости от результатов признать или отклонить.

Главное отличие теории от гипотезы – ее достоверность, дока­занность. Естественно-научная теория дает объяснение целой области природных явлений с единой точки зрения. Квинтэссенцией теории являются законы, устанавливающие количественные связи и соотношения между различными наблюдаемыми в опыте величинами.

Нужно различать законы природы и законы науки. Первые про­являются в особенностях протекания природных явлений и процес­сов и во взаимосвязи некоторых величин. Они неизменны и всегда выполняются.

Научные законы – это попытка описать законы природы на языке математических формул или других точных формулировок.

Однако для понимания специфики теории как формы знания важно учитывать, что все теории оперируют не реальными объекта­ми, а их идеальными моделями , которые неизбежно абстрагируются от каких-то реальных сторон объектов и поэтому всегда дают не­полную картину действительности.

Главные элементы теории – ее принципы и законы. Принципы – наиболее общие и важные фундаментальные поло­жения теории. Как обобщающий результат предыдущего познания в данной теории, принципы всесторонне раскрываются и обосновы­ваются. При построении теории принципы играют роль исходных, основных и первичных посылок, закладываемых в фундамент теории. Законы конкретизируют принципы , раскрывают взаимосвязь вы­текающих из них следствий. Раскрывая сущность объектов, законы их существования, взаимодействия, изменения и развития, теория позволяет объяснить явления, предсказывать новые, еще неизвест­ные факты и характеризующие их закономерности, прогнозировать закономерное поведение изучаемой системы в будущем.

Таким образом, теория выполняет две важнейшие функции: объ­яснения и предсказания, научного предвидения. Теория – одна из наиболее устойчивых форм научного знания. Такая стабильность обеспечивается и ее системностью, и в большей или меньшей сте­пени ее общим характером. Чем более общим является знание, тем оно устойчивее.

Переход к новому принципу – по существу, переход к новой теории. При этом новая теория должна обязательно удовлетворять принципу соответствия , сформулированному Н. Бором. Согласно этому принципу каждая правильная новая, более общая теория должна не отвергать устоявшуюся, предшествующую ей менее общую теорию, а сводиться к ней в тех условиях, при которых она была получена. Так, например, более общая специальная теория относитель­ности не отвергает классическую механику, а сводится к ней при скоростях, много меньших скорости света.

Все теоретическое знание выражается не в одной теории, а в совокупности множества теорий. Изменения в наиболее общих теориях приводят к качественным изменениям всей системы теоретического знания, в результате чего происходит научная революция. Известные научные революции связаны с именами Н. Коперника, И. Ньютона, А. Эйнштейна.

Контрольные вопросы

1.В чем состоит взаимосвязь между естественно-научными и гуманитарными знаниями?

2.Какова специфика естественно-научной и гуманитарной форм культур?

3.В чем проблема «двух форм куль­тур»?

4.Каков предмет современного естествознания?

5.Каковы аксиологические и гносеологические проблемы естествознания?

6.Каковы важнейшие составляющие современной естественно-научной картины мира.

7.Какова последовательность развития научного знания?

8.Каковы уровни научного познания природы?

9.Какие методы научного познания относятся к числу общенаучных методов?

10. Что такое инновационная культура?

2. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

2.1. Корпускулярная и континуальная концепции

описания природы

2.1.1. Концепции строения материи и развития материального мира

Как известно, первый период становления естествознания относится к VII–IV вв. до н.э. и связан с греческой натурфилософией. В течение этого периода вырабатываются общие точки зрения на окружающий мир, ставятся вопросы о природе материи и духа, законах развития материального мира, о природе пространства и времени, движения и света.

Возникают также такие натурфилософские концепции, как ато мистика Левкиппа–Демокрита и натурфилософия Аристотеля.

Демокрит и Аристо тель , по сути, обобщили античную натурфилософию и сформулировали две принципиально различные концепции взглядов на строение материи и развитие материального мира: так называемые корпускулярную (Демокрит) и континуальную (Аристотель) концепции описания природы.

По Демокриту, материя состоит из вещества; вещество состоит из атомов-корпускул и пустоты; атомы находятся в постоянном движении; атомы вечны, не­изменны, неделимы и отличаются друг от друга лишь величиной и формой.

Демокрит считал, что движение присуще материи. Звук, теплота, свет – это субстанции, которые излучаются телами в виде частиц-корпускул.

По Аристотелю, мир материален, но объективно существуют конкретные вещи (предметы), а материя – некая субстанция, из которой при определенных условиях могут возникнуть те или иные предметы. Реальные тела можно дробить непрерывно, до бесконечности.

Синонимом непрерывности является континуальность. По Аристотелю, материя непрерывна (континуальна) и «природа не терпит пустоты».

Следует также отметить, что он первым стал рассматривать механическое движение тел в пространстве и во времени, а свет, например, представлял как движение в виде волн через некую среду – эфир.

Две выдвинутые концепции на природу материи, по существу, определили всю дальнейшую историю развития естествознания более чем на двухтысячелетний период, вплоть до XX в.

Развивая свою концепцию, Аристотель конкретизировал механизмы образования различных веществ. Он считал, что в основе материальных вещей лежит непрерьщная первоматерия, ее количество в природе неизменно. Первоматерии присущи четыре основных качества: тепло и холод, сухость и влажность. Разнообразие веществ зависит от сочетания этих качеств в различных пропорциях. Комбинируя качества попарно, Аристотель приходит к четырем элементам – земле, воде, огню и воздуху. Взгляды Аристотеля оказали большое влияние на развитие естествознания на более чем тысячелетний период и в дальнейшем получили своеобразное развитие в алхимии.

Напротив, учение Демокрита далеко опередило взгляды современников и вначале не получило понимания. Только впоследствии, в результате развития научного естествознания, оно через много веков было признано.

К XVII в. стало ясно, что главные цели алхимии — получение золота и «философского камня» – оказались недостижимыми и что существует некоторый предел возможных взаимопревращений веществ.

Постепенно наука начинает освобождаться от влияния учения Аристотеля, и возрождается античный атомизм Демокрита. Особенно важную роль при этом сыграли труды французского мыслителя П. Гассенди . Он возрождает представления о том, что материя состоит из постоянно движущихся атомов и пустоты, которая является условием возможности движения атомов. Развитие и конкретное приложение идей атомизма осуществил английский фи­зик и химик Р. Бойль .

Однако потребовалось еще около ста лет, чтобы ученые окончательно избавились от аристотелева представления о строении вещества, и вышли на путь атомистического понимания явлений природы.

Затем на рубеже XVIII–XIX вв. был открыт целый ряд новых важнейших законов химии, которые полностью утвердили атомно-молекулярную концепцию строения вещества. Среди них закон постоян­ства состава (закон Пруста), закон кратных отношений (Д. Дальтон), закон простых объемных отношений (Ж.Л. Гей-Люссак) и закон Авогадро. К середине XIX в. атомно-молекулярный взгляд на природу материи получил полное признание. Таким образом, был подведен итог развитию представлений того времени о природе вещества.

2.1.2. Развитие представлений о природе света.

Корпускулярно-волновой дуализм

По-иному шла история развития представлений о природе света и оптических явлениях. Напомним, что Аристотель считал, что свет – это движение волн, распространяющихся в некоторой непрерывной среде – эфире. Однако в дальнейшем И. Ньютон , быв­ший, как и большинство, ученых того времени, сторонником атом-но-корпускулярной концепции строения вещества, считал, что свет представляет собой поток частиц-корпускул, движущихся прямолинейно. Такая точка зрения, в частности, хорошо объясняла законы геометрической оптики. Однако при изучении других оптических явлений накапливались факты о таких процессах, как интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия света, которые, напротив, легко было объяснить, исходя из того, что свет – волновое движение через некоторое не­обычное вещество – эфир.

Во второй половине XIX в. точку в вопросе о природе света поставил Дж. Мак свелл , который, создав теорию электромагнетизма, доказал, что свет представляет собой электромагнитное поле, распространяющееся в виде волн. То есть была открыта новая материаль­ная субстанция – поле, свойства и законы движения которой в соответствии с развитой Дж. Максвеллом электродинамикой соответствовали в большей мере континуальной, непрерывной концепции Аристотеля.

Таким образом, к концу XIX в. сложилась следующая ситуация и изучении природы материи. Оказалось, что материя предстает в виде двух форм – вещественной и полевой с существенно разными свойствами, при этом вещественная форма материи находит объяснение в рамках корпускулярной, а полевая – напротив, в рамках континуальной концепции.

Начало XX в. ознаменовалось столькими неожиданными открытиями в изучении вещества и поля, полностью изменившими представления о природе материи. Вначале это относилось к световым, электромагнитным явлениям, в частности, к излучению абсолютно черного тела и фотоэффекту. Как известно, для объяснения излучения абсолютно черного тела М. Планку в 1900 г. и фотоэффекта Л. Эйнштейну в 1905 г. пришлось принять, что свет в ряде случаев ведет себя как поток отдельных частиц – фотонов (корпускул), а не как волна.

Таким образом, при рассмотрении электромагнитного поля воз­никло представление о корпускулярно-волновом дуализме. Причем при больших длинах волн электромагнитного излучения в большей мере проявляются непрерывные (континуальные) волновые свойства света, а при малых (рентгеновские и γ –лучи) – дискретные (корпускулярные), квантовые свойства.

Так физика начала XX в. открыла диалектическое единство двух классических противоположностей – частиц и волн

После установления такого удивительного факта французский физик Луи де Бройль , опираясь на законы симметрии в природе в 1923 г. выдвинул совершенно радикальную идею – идею распространения принципа корпускулярно-волнового дуализма света на все вещественные частицы микромира, имеющие массу покоя, – электроны, протоны и т.д. Таким образом, де Бройль предположил, что любые частицы вещественной материи наряду с корпускулярными (массой, импуль­сом, энергией) обладают также волновыми свойствами (частотой и длиной волны X ). Причем так же, как и для фотонов, энергия (Е) и импульс (р) частиц вычисляются по формулам

Е = hω , p = h / λ .

Откуда для так называемой длины волны де Бройля было получено выражение λ = h / p .

Вскоре гипотеза де Бройля нашла замечательное экспериментальное подтверждение. К. Дэвиссон и Л. Джермер открыли дифракцию электронов на кристаллах, т.е. доказали существование волновых свойств у частиц – электронов. А в даль­нейшем дифракционные (волновые) явления были обнаружены и у других атомных частиц. Оказалось, что наличие волновых свойств у микрочастиц-корпускул – это универсальное явление, общее свойство материи.

Наконец, созданные в 20-е гг. XX в. новые фундаментальные квантовые теории микромира–квантовая механика и квантовая теория поля (квантовая электродинамика) – показали, что корпускулярно-волновой дуализм в микромире отражает глубинную взаимосвязь материальных субстанций — вещества и полей и, в конечном счете, свидетельствует о единстве материи, проявляясь во взаимодействии частиц и полей таким образом, что кванты полей при взаимодействии с веществом могут исчезать, образуя пары вещественных частиц (электрон–позитрон, протон–антипротон), точно так же, как и вещественные частицы, в результате аннигиляции могут превращаться в кванты полей.

Таким образом, сформулированные еще древними греками две концепции взглядов на природу материи, несмотря на кажущиеся противоречия между ними, обе оказались справедливыми, но только отражающими две разные стороны единой материи.

Гипотеза о волновом характере движения микрочастиц впервые была выдвинута Луи де Бройлем в 1924г. Для доказательства их волновой природы в 1925 г. немецкий физик Эльзассер предложил использовать кристаллы для наблюдения дифракции электронов. А в 1927г. К Дэвинсон вместе со своим сотрудником Л.Джермером открыл явление дифракции электронов на кристалле никеля Независимо от него Дж. П. Томсон открыл явление дифракции электронов при прохождении через металлическую фольгу. Таким образом, идея де Бройля о волновых свойствах вещества нашла экспериментальное подтверждение. В 1937г. К Девинсон и Дж. П. Томсон были удостоены Нобелевской премии по физике.

Впоследствии дифракционные, а значит волновые, свойства были обнаружены у атомных и молекулярных пучков Корпускулярно-волновыми свойствами обладают не только фотоны и электроны, но и все микрочастицы.

Микрочастицами называют элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, фотоны и др.), а также сложные частицы, образованные из сравнительно небольшого числа элементарных частиц (ядра, атомы).

Микрочастица с энергией Е = m с² и импульсом р = mv ведет себя подобно волне с частотой v = E / h и длиной волны λ= h / p , где h – постоянная Планка (h = 6,626 • 10^-34 Дж/Гц) Например, если направить на преграду с двумя узкими щелями (порядка длины волны λ .) пучок микрочастиц (например, электронов) обладающих одинаковой кинетической энергией

В развитие идей о волновых свойствах вещества Э Шредингер в 1926 г. получил свое знаменитое уравнение. Шредингер сопоставил движению микрочастицы комплексную функцию координат и времени, которую он назвал волновой функцией и обозначил греческой буквой «пси» (ψ ). Она характеризует состояние микрочастицы.Интерпретацию ψ – функции дал М. Борн в 1926г. Согласно Борну, квадрат модуля пси-функции в пределах некото­рого объема определяет вероят­ность того, что частица будет об­наружена в пределах этого объема. Например, форма электронных облаков в атомах определяется ψ – функцией электронов. Таким образом, состояние микрообъекта описывается статистически и вол­новая функция содержит всю информацию о корпускулярных и вол­новых его свойствах. Вид функции получается из решения уравнения Шредингера, которое является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики. Оно не может быть выведено из других соотношений Его следует рассматривать как исходное предположение, справедливость которого доказывается тем, что все, вытекающие из него следствия, самым точным образом согласуются с опытными фактами. Уравнение Шредингера описывает взаимодействие электронов с ядрами атомов, описывает форму электронных оболочек атомов и ионов, химическую связь и строение молекул.

Волновая природа частиц отражается и в соотношениях неопределенностей, полученных в 1927 г. Гейзенбергом – ∆х∆р≥ h /2, ∆ E ∆ t ≥ h /2, где ∆х – неопределенность координат, ∆р – неопределенность импульса, ∆Е – неопределенность энергии и ∆ t – неопределенность времени.

2.2. Порядок и беспорядок в природе, детерминированный хаос

Обращая внимание на существующий порядок в природе, мы часто в качестве примера указываем на кристаллы, в кристаллической решетке которых строго чередуются ионы вещества (например, Na⁺ и Сl^– в поваренной соли). Строго упорядоченную структуру имеют и кристаллические металлы. В узлах кристаллической решетки меди располагаются положительно заряженные ионы.

Однако наряду с существующим порядком в природе часто соседствует и беспорядок (хаос). В тех же кристаллах металлов, наряду с упорядоченной ионной решеткой, имеются свободные электроны, которые беспорядочно и хаотично движутся.

Порядок и беспорядок наблюдаются, например, и в космосе. С одной стороны, мы знаем, что планеты движутся по определенным орбитам со строго определенной скоростью. А с другой стороны, в космосе, помимо планет, имеется межзвездное вещество, которое хаотически движется в пространстве, и там, где образуются большие скопления этого вещества, возникают значительные гравитационные силы, в результате чего могут образоваться звездные системы с высокой степенью упорядоченности.

Последний пример указывает на существование процессов и механизмов, ведущих от беспорядка к порядку. Эта особенность подмечена еще в древнегреческой мифологии, где под хаосом понималась «беспредельная, первобытная материя», из которой образовалось все существующее.

Можно привести еще больше примеров перехода от порядка, упорядоченности к хаосу. Так, если нагревать кристаллы поваренной соли, то амплитуда колебаний атомов увеличивается, связь между атомами уменьшается, упорядоченная структура кристалла разрушается и исчезает, а атомы начинают хаотически двигаться. Приведенный пример иллюстрирует процессы, связанные с действием одного из фундаментальных законов природы, имеющего универсальный характер, а именно: со вторым началом (законом) термодинамики.

Суть этого закона заключается в том, что во всех тепловых процессах, связанных с выделением тепла в результате трения, прохождения электрического тока и, как следствие, с выделением тепла при горении, экзотермических химических реакциях и т.д., тепло в естественных условиях всегда переходит от более горячего тела к более холодному, но не наоборот.

Имеется несколько формулировок данного закона. Одна из формулировок, принадлежащая создателю классической термодинамики Э. Клаузиусу , гласит: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более теплым.

Другая формулировка связана с понятием энтропии – одной из термодинамических функций, определяющих направление протекания тепловых процессов. В процессах теплопередачи изменение энтропии (Δ S ) определяется как Δ S = Δ Q / T , где Δ Q – количество переданного тепла, а Т – абсолютная температура.

Поскольку тепло всегда передается от теплого тела к холодному, то изменение количества тепла Δ Q – величина положительная, а следовательно, и изменение энтропии Δ S есть величина положительная, т.е. энтропия в таких процессах возрастает.

Этот закон носит всеобщий характер и формулируется следующим образом: в замкнутых системах (без притока энергии извне) про цессы протекают таким образом, что энтропия системы возрастает.

Таким образом, второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности всех самопроизвольно протекающих процессов.

И хотя количество энергии в замкнутых системах сохраняется, распределение энергии меняется необратимым образом – происходит деградация форм энергии с постепенным переходом всех форм энергии в тепловую. Иными словами, в замкнутых системах самопроизвольно осуществляется необратимый процесс перехода от более упорядоченных структур к менее упорядоченным, или к хаосу.

А поскольку в таких процессах энтропия систем возрастает, то ее принято характеризовать как меру хаоса.

Таким образом, из второго закона термодинамики вытекает, что в природе возможно только одно напраатение процессов – от по­рядка к беспорядку, хаосу.

Однако такой вывод противоречит многим фактам. Известны процессы развития от неупорядоченности, хаоса к порядку, перехода от структур, имеющих более низкую организацию, к структурам с более высокой организацией.

Примером может служить эволюционное развитие живых организмов от примитивных форм к высокоорганизованным. Долгое время противоречие между вторым законом термодинамики и эволюционной теорией поступательного развития живой природы Дарвина не находило разрешения. Однако сейчас объяснение такому противоречию найдено.

Дело в том, что второй закон термодинамики рассматривает процессы только в замкнутых системах, в то время как живые системы являются открытыми, т.е. обмениваются энергией и веществом с внешней средой. В открытых системах энтропия может, как возрастать, так и уменьшаться, тогда как в целом для открытых систем в совокупности с внешней средой обитания второй закон термодинамики справедлив. Таким образом, в открытой системе энтропия может уменьшаться за счет увеличения энтропии во внешней среде.

В результате при определенных неравновесных условиях в системе за счет внутренних перестроек могут возникнуть упорядоченные структуры. Эту особенность системы называют самоорганизацией, а сами структуры, возникающие в диссипативных (рассеивающих энергию) системах при неравновесных необратимых процессах, – диссипативными (по терминологии Пригожина). Под действием флуктуации возникают коллективные формы движения и новые структуры более высокой организации.

2.3. Структурные уровни организации материи

В настоящее время принято единую Природу для удобства делить на три структурных уровня – микро-, макро- и мегамир. Естест­венными, хотя отчасти и субъективными, признаками деления явля­ются размеры и массы исследуемых объектов.

Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микросистем с характерным размером от 10^–8 см и менее (атомы, атомные ядра, элементарные частицы).

Макромир – мир макротел, начиная от макромолекул (размеры от 10^–6 см и выше) до объектов, размерность которых соотносима с масштабами непосредственного человеческого опыта – миллиметры, сантиметры, километры, вплоть до размеров Земли (длина экватора Земли равна ~ 10⁹ см).

Мегамир – мир объектов космического масштаба от 10⁹ см до 10²⁸ см. Этот диапазон включает размеры Земли, Солнечной системы, Галактики, Метагалактики.

Хотя микро–, макро– и мегамир тесно взаимосвязаны и состав­ляют единое целое, тем не менее на каждом из этих структурных уровней действуют свои специфические законы: в микромире – законы квантовой физики, в макромире – законы классического естествознания, прежде всего классической физики: механики, термодинамики, электродинамики. Законы мегамира основаны в первую очередь на общей теории относительности.

2.3.1. Микромир

Атомная физика . Еще древние греки Левкипп и Демокрит выдвинули гениальную догадку, что вещество состоит из мельчайших частиц – атомов.

Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены гораздо позднее в работах русского ученого М.В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста , английского химика Дж. Дальтона , итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.

Периодический закон Д.И. Менделеева показал существование закономерной связи между всеми химическими элементами. Стало ясно, что в основе всех атомов лежит нечто общее. До конца XIX в. в химии царило убеждение, что атом есть наименьшая неделимая частица простого вещества. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части. И, наконец, в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие.

Первыми на сложную структуру атома указали немецкие ученые Г.Р. Кирхгоф и Р.В. Бунзен , изучая спектры испускания и поглощения различных веществ. Сложную структуру атома подтверждали также опыты по изучению ионизации, открытие и исследование так называемых катодных лучей и явления радиоактивности.

Г.Р. Кирхгоф и Р.В. Бунзен обнаружили, что каждому химическому элементу соответствует характерный, присущий только ему набор спектральных линий в спектрах испускания и поглощения. Это означало, что свет испускается и поглощается отдельными атомами, а атом, в свою очередь, представляет собой сложную систему, способную взаимодействовать с электромагнитным полем.

Об этом же свидетельствовало явление ионизации атомов, обнаруженное при исследованиях электролиза и газового разряда. Данное явление можно было объяснить, лишь предположив, что атом в процессе ионизации теряет часть своих зарядов или приобретает новые.

Свидетельством сложной структуры атома явились опыты по изучению катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается, по возможности, весь воздух, а затем сквозь нее про­пускается ток высокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его поверхности распространяются «не­видимые» катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить в движение легко подвижные тела и отклоняться от своего первоначального пути в магнитном и электрическом полях.

Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд. Позже удалось определить массу и величину их заряда. Оказалось, что масса частиц и величина их заряда не зависят ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества, из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут существовать без своих зарядов, не могут быть превращены в электроней­тральные частицы: электрический заряд составляет самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов.

В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического поля. Но они могут возникать и вне всякой связи с электрическим полем. Так, например, при электронной эмиссии металлы испускают электроны, при фотоэффекте многие вещества также выбрасывают электроны. Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывало на то, что эти частицы входят в состав всех без исключения атомов. Это позволило сделать вывод, что атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких составных частей.

В 1896 г., изучая люминесценцию различных веществ, А.А. Бек керель случайно обнаружил, что соли урана, излучают без предварительного их освещения. Это излучение, обладающее большой проникающей способностью и воздействующее на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу, было названо радиоак тивным излучением. Позднее было установлено, что оно состоит из тяжелых положительно заряженных α-частиц, легких отрицательных β-частиц (электронов) и электрически нейтрального γ-излучения.

Открытие электрона можно считать началом рождения атомной физики, обусловившим попытки построения моделей атома. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, а атом в целом устойчив и электронейтрален, то естественно было предположить наличие в атоме положительно заряженных частиц.

Первые модели атома на основе представлений классической механики и элек­тродинамики появились в 1904 г.: автором одной из них стал японский физик Хантаро Нагаока , другая принадлежала английскому физику Дж. Томсону – автору открытия электрона.

X. Нагаока представил строение ато­ма аналогичным строению Солнечной системы: роль Солнца играет положи­тельно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся «планеты» – электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны.

В модели атома Дж. Томсона положительное электричество «распределено» по сфере, в которую вкраплены электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Дж. Томсоном. Томсон считал, что каждая конфигурация определяет те или иные химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элемен­тов Д. И. Менделеева.

Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели. Эти факты были установлены Э. Резерфордом в 1912 г. В первую очередь следует отметить открытие им атомного ядра. Для выявления структуры атома Резерфорд производил зондирование атома с помощью α–частиц, которые возникают при распаде радия и некоторых других радиоактивных элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона.

В опытах Резерфорда пучок α–частиц падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (золото, медь и др.). После прохождения фольги α–частицы попадали на экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось сцинтилляцией (вспышкой света), которую можно было наблюдать. В отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных пучком частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, то вопреки ожиданиям α–частицы испытывали очень малое рассеяние на атомах фольги и распределялись на экране внутри круга чуть большей площади.

Совершенно неожиданным также оказалось, что небольшое число α–частиц (примерно одна из двадцати тысяч) отклонялись на углы больше 90°, т.е. практически возвращались назад. Резерфорд понял, что положительно заряженная α–частица могла быть отброшена на­зад лишь в том случае, если в атомах мишени положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к идее атомного ядра – тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

Подсчитывая число α–частиц, рассеянных на большие углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка

10^–12 –10^–13 см (у разных ядер). Размер же самого атома составляет примерно 10^–8 см, т.е. в 10 – 100 тысяч раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось точно определить и заряд ядра. Если принять заряд электрона за единицу, то заряд ядра оказался в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

Из опытов Резерфорда непосредственно вытекала планетарная модель атома с положительно заряженным атомным ядром. Учитывая, что в целом атом должен быть электронейтральным, следовало заключить, что число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Очевидно также, что находиться в покое электроны внутри атома не могут, так как они вследствие притяжения положительным ядром упали бы на него. Следовательно, они должны двигаться вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием электрических кулоновских сил со стороны ядра.

В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу примерно в 1836 раз большую массы электрона. Это ядро было названо Резерфордом протоном и стало рассматриваться как элементарная частица.

Размер атома определяется радиусом орбиты движения его электронов. Достаточно наглядная планетарная модель атома, как уже говорилось, является прямым следствием экспериментальных результатов Резерфорда по рассеянию α-частиц на атомах вещества.

Однако вскоре выяснилось, что такая простая модель противоречит законам электродинамики, из которых следует, что модель атома Резерфорда является неустойчивой системой и длительное время атом указанной конструкции существовать не может. Дело в том, что движение электронов по круговым орбитам происходит с ускорением, а ускоренно движущийся заряд, согласно законам электродинамики Максвелла, должен излучать электромагнитные волны (ω – частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра). Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому, как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы.

В действительности, однако, этого не происходит. Атомы устойчивы, могут существовать неограниченно долго, совершенно не из­лучая электромагнитные волны.

Выход из создавшегося положения нашел датский ученый Н. Бор. Он сделал радикальный вывод о том, что законы классической механики и электродинамики вообще не применимы в микромире и, в частности, в атоме. Тем не менее, чтобы сохранить планетарную модель атома Резерфорда, он сформулировал два постулата (постулаты Бора), идущие вразрез и с классической механикой, и с классической электродинамикой. Эти постулаты заложили основы принципиально новых теорий микромира – квантовой механики и квантовой электродинамики (квантовой теории электромагнитного поля). Обосновывая свои постулаты, Бор опирался на идею существования квантов электромагнитного поля, выдвинутую в 1900 г. М. Планком и развитую затем А. Эйнштейном (для объяснения фотоэффекта).

Постулаты Бора заключаются в следующем: электрон может двигаться вокруг ядра не по любым орбитам, а только по таким, ко­торые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых, или квантовых, орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую орбиту сопровождается потерей энергии.

Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до орбиты, на которую он переходит, тем больше частота излучения.

Простейшим из атомов является атом водорода: вокруг ядра вращается только один электрон. Исходя из приведенных постулатов Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1:2: : 3 : ... : п. Величина п получила название главного квантового числа. Радиус ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались точности совпадающими с частотами, найденными опытным путем для линий водородного спектра. Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых (стационарных) орбит для атома водорода, вместе с тем и приложимость постулатов Бора для таких расчетов.

В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов. Однако распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в многоэлектронном атоме, определить их орбиты, тем большими были расхождения результатов с экспериментальными данными. В ходе развития квантовой теории стало ясно, что эти расхождения носят принципиальный характер и связаны с так называемыми волновыми свойствами электрона.

Дело в том, что в 1924 г. Луи де Бройль распространил известный к тому времени корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного поля на вещественные частицы микромира (атомы, электроны, протоны и т.д.). Напомним, что согласно его идее частицы, имеющие массу, заряд и т.д., также обладают и волновыми свойствами. При этом длина волны де Бройля (λ) связана с импульсом частиц р и равна

λ = h /р, где h – постоянная Планка.

Идея де Бройля нашла блестящее подтверждение в опытах К. Дэвиссона и Л. Джермера (1927), в которых наблюдалось явление дифракции электронов – классический пример волнового явления.

Развивая волновые идеи частиц микромира, Э. Шрёдингер создал математическую волновую модель атома в виде знаменитого сейчас волнового дифференциального уравнения Шрёдингера:

Анализ волнового уравнения Шрёдингера показал, что с его помощью можно определить все возможные дискретные энергии Е_п в атоме. Кроме того, было выяснено, что волновая функция не позволяет абсолютно точно определить положение электронов в атомах, они расплываются в некое «облако»; таким образом, можно говорить лишь о вероятности нахождения электронов в том или ином месте атома, которая характеризуется квадратом амплитуды волны.

Учитывая законы квантовой волновой механики, становится ясно, почему оказалось невозможным точно описать структуру атома на основе представлений о боровских орбитах электронов в атоме. Таких, точно локализованных орбит в атомах просто не существует, а хорошее согласование расчета орбит электронов в атоме водорода, в соответствии с теорией Бора и экспериментальными данными связано с тем, что только для атома водорода электронные орбиты Бора хорошо совпали с кривыми средней плотности зарядов, вычисленных в соответствии с квантовой теорией Шрёдингера. Для многоэлек­тронных атомов такого совпадения не наблюдается.

В настоящее время на основе квантовой механики, а также квантовой электродинамики – квантовой теории электромагнитного поля, разработанной в 1927 г. П.А. Дираком , удалось объяснить многие особенности поведения многоэлектронных атомно-молекулярных систем. В частности, удалось разрешить важнейший вопрос о структуре атомов различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек им атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов, которые позволяют объяснить многие физические и химические свойства элементов.

Напомним, что число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Электроны расположены послойно. Каждому слою принадлежит определенное заполняющее или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются близкими значениями энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней (n ). Электроны каждого последующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Максимальное число электронов (N ), могущих находиться на данном энергетическом уровне (n), определяется по формуле N = 2n² , т.е. на первом уровне ( n = 1) может находиться два электрона, на втором (п = 2) – восемь электронов, на третьем ( n = 3) – восемнадцать.

Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженными положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот, атомы, присоединившие электроны, становятся заряженными отрицательно. Образующиеся заряженные частицы называются ионами. Многие ионы, в свою очередь, могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом в электронейтральные атомы или новые ионы с иным зарядом.

Подводя итог рассмотрению основных результатов квантово-механических подходов к строению и структуре атомов, отметим следующее. Состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами – n , l , т, s :

1) n – главное квантовое число, характеризует энергию электрона на соответствующей орбите (n );

2) l – орбитальное квантовое число, характеризует форму орбиты (электронного облака) и может изменяться в атоме от 0 до n = 1;

3) т – магнитное квантовое число, характеризует ориентацию орбит (электронных облаков) в пространстве и может принимать значения от +1 до –1;

4) s – спиновое квантовое число, характеризует вращение электрона вокруг собственной оси и может принимать только два значения: s = ±1/2.

Согласно одному из важнейших принципов квантовой механи­ки – принципу Паули, в атоме не может быть электронов, у кото­рых все четыре квантовых числа одинаковы. В рамках квантовой механики получили полное объяснение, как структура атомов, так и изменение свойств химических элементов в периодической системе Д.И. Менделеева.

Плодотворным оказалось также применение квантовой механики к физическим полям. Была построена квантовая теория электромагнитного поля – квантовая электродинамика, вскрывшая целый ряд фундаментальных законов микромира. Среди них важнейшие законы взаимного превращения двух видов материальных субстанций – вещественной и полевой материи – друг в друга.

Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон – частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя. Синтез квантовой механики и специальной теории относительности привел к предсказанию существования античастиц . Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой «двойник» – другая частица с той же массой, но противоположным электрическим или каким-либо другим зарядом. Английский физик П.А. Дирак – основатель релятивистской к пантовой теории поля – предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон-позитрон и обратно. Позитрон – античастица электрона – экспериментально был открыт и 1934 г. К.Д. Андерсоном в космических лучах.

Ядерная физика . По современным представлениям, атомные ядра элементов состоят из протонов и нейтронов. Первые указания на то, что и состав ядер входят протоны (ядра атомов водорода) были получены Резерфордом в 1919 г. в результате его нового (после открытия строения атома) сенсационного открытия – расщепления атомного ядра под действием α-частиц и получения новых химических элементов в результате первой искусственной ядерной реакции.

В одном из вариантов своих опытов с использованием камеры Вильсона, наполненной азотом, внутри которой имелся радиоактивный источник излучения, Резерфордом были получены фотографии треков α-частиц, на конце которых имелось характерное разветвление – «вилка». Одна из сторон «вилки» давала короткий трек, а другая – длинный. Длинный трек имел такие же особенности, как и треки, наблюдаемые ранее Резерфордом при бомбардировке α-частицами атомов водорода

Так впервые была высказана мысль, что ядра водорода представляют собой составную часть ядер других атомов. Впоследствии Резерфорд для этой составной части ядра предложил термин «протон».

Схема реакции Резерфорда может быть представлена следующим образом: α–частица попадает в атомное ядро азота и поглощается им. Образующееся при этом промежуточное ядро изотопа фтора оказывается неустойчивым: оно выбрасывает из себя один протон, превращаясь в ядро изотопа кислорода .

В 1932 г. Д.Д. Иваненко опубликовал заметку, в которой высказал предположение, что наряду с протоном структурным элементом ядра также является нейтрон. В 1933 г. он обосновал протон-нейтронную модель ядра и сформулировал основной тезис, заключающийся в том, что в ядре имеются только тяжелые частицы – протоны и нейтроны. При этом обе частицы могут превращаться друг в друга. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматривать как два состояния одной частицы – нуклона .

А в том же 1933 г. Дж. Чедвик экспериментально доказал существование нейтронов в атомных ядрах. Он облучал α–частицами бериллиевую пластинку и исследовал реакцию превращения бериллия (Be) в углерод (С) с испусканием нейтрона n).

Нейтроны, вылетающие из бериллия, направлялись в камеру Вильсона, наполненную азотом (N), и при попадании нейтрона в и протон атома азота образовывалось ядро бора (В) и α–частицы .

Сам нейтрон не дает трека в камере Вильсона, но по трекам ядра бора и α–частицы можно рассчитать, что данная реакция вызвана нейтральной частицей массой в одну атомную единицу массы, т.е. нейтроном. Отметим, что свободный нейтрон существует недолго, он радиоактивен, период его полураспада составляет около 8 мин, после чего он превращается в протон, испуская β–частицу (электрон) и нейтрино. После открытия нейтрона протон-нейтронная модель строения атомных ядер Д.Д. Иваненко стала общепризнанной.

Все ядерные реакции сопровождаются испусканием тех или иных элементарных частиц. Продукты ядерных реакций оказываются радиоактивными, их называют искусственно радиоактивными изотопами. Явление искусственной радиоактивности было открыто в 1934 г. известными французскими физиками Фредериком и Ирен Жолио-Кюри.

Как и естественно радиоактивные вещества, искусственно полученные радиоактивные изотопы испускают известные α, β, и γ–излучения. Но кроме перечисленных излучений Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли новый вид радиоактивности – испускание положительных электронов-позитронов.

Впервые это удалось установить с помощью камеры Вильсона при бомбардировке α–частицами некоторых легких элементов (бериллия, бора, алюминия), в результате чего был искусственно создан целый ряд новых радиоактивных изотопов, не наблюдаемых ранее в природе. Примером образования позитронного радиоактивного изотопа может служить реакция бомбардировки алюминия α–частицами. И данном случае ядро алюминия испускает нейтрон и превращается в ядро радиоактивного изотопа фосфора , который в свою очередь, испуская позитрон β⁺ , превращается в стабильный изотоп кремния .

В промышленном масштабе искусственные радиоактивные изотопы обычно получают облучением (главным образом нейтронным) соответствующих химических элементов в ядерных реакторах.

После того, как было установлено, что ядра атомов состоят и протонов и нейтронов, теория атомного ядра получила дальнейшее развитие в направлении изучения взаимодействий частиц внутри ядра, а также структуры атомных ядер различных элементов.

Ниже приведены основные сведения о свойствах и строении ядер.

1. Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона.

Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона е =1,6 ^–19 Кл и массу покоя т_р ~ 1,6726 • 10 ^{– 27} кг.

Нейтрон не имеет электрического заряда, его масса немног больше массы протона – т_п = 1,6749 • 10 ^–27 кг.

Массу ядер элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За атомную единицу массы принята 1/12 массы изотопа углерода : 1 а.е.м. = 1,66 • 10 ^–27 кг. Следовательно, т_р = 1,00728 а.е.м., а т_п = 1,00866 а.е.м.

2. Зарядом ядра называется величина Ze , где е – величина заряда протона; Z – порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре.

В настоящее время известны ядра с порядковым номером Z = 1 до Z = 114. Для легких ядер отношение числа нейтронов ( N ) к числу протонов ( Z ) близко или равно единице. Для ядер химических элементов, расположенных в конце периодической системы, отношение N/Z = 1,6.

3. Общее число нуклонов в ядре А = N + Z называется массовым числом. Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице. Ядра с одинаковыми Z , но различными А называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. Ядра химических элементов принято обозначать символом . X , А, Z где X – символ химического элемента; А – массовое число; Z – атомный номер.

Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных paдиоактивных изотопов.

Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек. Поэтому у изотопов данного элемента одинаковы все химические свойства. В настоящее время установлено, что большинство химических элементов, встречающих в природе, представляет собой смесь изотопов. Поэтому указанные в таблице Менделеева атомные массы элементов часто значительно отличаются от целых чисел.

4. Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границ ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра R = R А, где R = (1,3/1,7)10 ^–15 м, может быть истолкована как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем.

5. Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра (Р_тт ) в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ _яд = eh ,/2т_р, где е – абсолютная величина заряда электрона; h – постоянная Планка; т_р – масса протона. Ядерный магнетон μ _яд в 1836,5 раза меньше магнитного момента электрона в атоме, откуда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов.

6. Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения сферически симметричного является квадруполъный электрический момент ядра Q . Если плотность ядра считать везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра.

Нуклоны, составляющие ядро, связаны между собой особыми силами притяжения – ядерными силами. Устойчивость атомных ядер большинства элементов свидетельствует о том, что ядерные силы исключительно велики: они должны превышать значительные кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами, расположенными на расстояниях порядка 10^–13 см (порядок размеров ядра). Ядерные силы – силы особого рода, связанные с существованием внутри ядра особого вида материи – ядерного поля.

В настоящие время принята мезонная теория ядерных сил, согласно которой нуклоны взаимодействуют друг с другом путем обмена особыми элементарными частицами – π–мезонами – квантами ядерного поля.

Наличие обменных частиц в ядре – мезонов – вначале было предсказано теоретически японским ученым Хидоки Юкавой в 1936 г., а затем открыто в космических лучах в 1947 г.

Общая характеристика ядерных сил сводится к следующему.

1. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами ядра порядка 10 ^{– 15} м. Длина (1,5 ÷ 2,2) –10 ^{– 15} м называется радиусом действия ядерных сил.

2. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов – протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий в зеркальных ядрах (так называются ядра, в которых общее число нуклонов одинаково, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом).

3. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел А. Практически полное насыщение ядерных сил достигается у α–частицы, которая является очень устойчивым образованием.

Нуклоны прочно связаны в ядре ядерными силами. Для разрыва этой связи, т.е. для полного разобщения нуклонов, нужно совершить значительную работу. Энергия, необходимая для разобщения нуклонов, составляющих ядро, называется энергией связи ядра. Величину энергии связи можно определить на основе закона сохранения энергии и закона пропорциональности массы и энергии в соответствии с формулой Эйнштейна Е = тс² .

Согласно закону сохранения энергии, энергия нуклонов, связанных в ядре, должна быть меньше энергии разобщенных нуклонов на величину энергии связи ε₀ . С другой стороны, согласно закону пропорциональности массы и энергии, изменение энергии системы Δ W должно сопровождаться пропорциональным изменением массы системы на Δ m , т.е. Δ W = Δ mc ² , где с – скорость света в вакууме.

Так как в данном случае Δ W есть энергия связи ядра, то масса атомного ядра должна быть меньше суммы масс нуклонов, составляющих ядро, на величину Δ m , которая называется дефектом массы ядра. Из соотношения Δ W = Δ mc ² можно рассчитать энергию связи ядра, если известен дефект массы этого ядра Δ m .

В качестве примера рассчитаем энергию связи ядра атома гелия. Оно состоит из двух протонов и двух нейтронов. Масса протона т_р = 1,0073 а.е.м., масса нейтрона – т_п = 1,0087 а.е.м. Следовательно, масса нуклонов, образующих ядро, равна 2т_р + 2 т_п = 4,0320 а.е.м. Масса же ядра атома гелия т_я = 4,0016 а.е.м. Таким образом, дефект масс атомного ядра гелия равен Δ m = 4,0320 – 4,0016 = 0,03 а.е.м., или Δ m = 0,03 • 1,66 • 10~²⁷ = 5 • 10~²⁹ кг. Тогда энергия связи ядра гелия

Δ W = Δ mc ² =510-29 9-10¹⁶ Дж=28 МэВ.

Общая формула для расчета энергии связи любого ядра (в джоулях) будет иметь вид:

Δ W = c ² {[ Z - m_p +{ A - Z ) m_n ]- т_я },

где Z– атомный номер; А — массовое число.

Энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи ( ε). Следовательно, ε=Δ W /А (удельная энергия связи) характеризует устойчивость атомных ядер. Чем больше s, тем устойчивее ядро.

На рис. 1 представлены результаты расчетов удельных энергий связи для разных атомов (в зависимости от массовых чисел А).

Из графика на рис. 2.2 следует, что удельная энергия связи максимальна (8,65 МэВ) у ядер с массовыми числами порядка 100. У тяжелых и легких ядер она несколько меньше (например, 7,5 МэВ у урана и 7 МэВ у гелия), у атомного ядра водорода удельная энергия связи равна нулю, что вполне понятно, потому что в этом ядре нечего разобщать: оно состоит только из одного нуклона (протона).

а.е.м.

Рис. 1. Зависимость удельных энергий связи от массовых чисел

Всякая ядерная реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. При делении тяжелых ядер с массовыми числами А порядка 100 (и более) ядерная энергия выделяется.

Выделение ядерной энергии происходит и при ядерных реакционного типа – при объединении (синтезе) нескольких легких ядер в одно ядро. Таким образом, выделение ядерной энергии происходит как при реакциях деления тяжелых ядер, так и при реакциях синтеза легких ядер. Количество ядерной энергии Δ ε, выделяемое каждым прореагировавшим ядром, равно разности между энергией связи ε продукта реакции и энергией связи исходного ядерного материала.

Соотношение ∆ E ∆ t > ħ /2 означает, что преобразование энергии с точностью ∆Е должно занять интервал времени равный, по меньшей мере, ∆ t ~ ħ /∆ E . Это соотношение ответственно за есте­ственную ширину спектральных линий атомов и ионов. Время жизни возбужденного состояния атомов имеет порядок t ~10^-8 ÷10^-9 с. Следовательно, неопределенность энергии таких состояний составляет ∆ E ~ ħ / t , чему соответствует естественная ширина спектральных линий. Если неопределенность энергии ∆Е ~ ħ/∆ t соответствует энергии некоторой частицы (m с² , hv ), to эта частица, возникнув из «ничего», может находиться в виртуальном состоянии время ∆ t без нарушения закона сохранения энергии. В современной квантовой теории поля взаимодействие частиц и их взаимные превращения рассматриваются как рождение или поглощение каждой реальной частицей виртуальных частиц. Любая частица непрерывно испускает или поглощает виртуальные частицы разных типов. Так, например, электромагнитное взаимодействие – результат обмена виртуальными фо тонами, гравитационное – гравитонами. Поле ядерных сил обусловлено виртуальными π –мезонами. Слабое взаимодействие создают векторные бозоны (открытые в 1983 году в ЦЕРНе, Швейцария-Франция). А переносчиком сильного взаимодействия являются глюоны (от английского слова, означающего «клей»). Соотношение неопределенностей ограничивает применимость классической механики к микрообъектам. Оно вызвало многочисленные философские дискуссии. Координаты частицы и ее импульс, изменение энергии и время, в течение которого произошло это изменение, называются взаимно дополнительными величинами. Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрочастицу, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первым. Это утверждение, впервые сформулированное датским физиком Н. Бором, называется принципом дополни тельности. Бор объяснял принцип дополнительности влиянием измерительного прибора, который всегда является макроскопическим прибором, на состояние микрообъекта. Однако с позиций современной квантовой теории, состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенные значения, принципиально невозможны. Принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанные с существованием наблюдателя, а роль измерительного прибора заключается в «приготовлении» некоторого состояния системы. Любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физической реальности и на более широкую область применения, чем старая, должна включать предыдущую как предельный случай. Так релятивистская механика (специальная теория относительности) в пределе малых скоростей переходит в ньютоновскую. В квантовой механике принцип соответствия требует совпадения ее физических следствий в предельном случае с результатами классической теории. В принципе соответствия проявляется тот факт, что квантовые эффекты существенны лишь при рассмотрении микрообъектов, когда величины размерности действия сравнимы с постоянной Планка. С формальной точки зрения принцип соответствия означает, что в пределе ħ → 0 квантовомеханическое описание физических объектов должно быть эквивалентно классическому. Значение принципа соот ветствия выходит за рамки квантовой механики – он войдет составной частью в любую новую теоретическую схему. В современной физике термин «элементарные частицы» обычно употребляется не в своем точном значении, а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон). Наиболее важное свойство всех элементарных частиц – способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Сейчас общее число известных науке элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Некоторые из них стабильны и существуют в природе в свободном или слабосвязанном состоянии. Это – электроны, протоны, нейтроны, фотоны и различного сорта нейтрино.

Все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и образуются во вторичных космических лучах или получаются в лаборатории. Основной способ их генерации – столкновения быстрых стабильных частиц, в процессе которых часть начальной кинетической энергии превращается в энергию покоя образующихся частиц (как правило, не совпадающих со сталкивающимися).

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса m , время жизни t , спин J и электрический заряд Q.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон (t > 5 • 10²¹ лет), протон (t > 5 • 10 ³¹ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их времена жизни t > 5 • 10^-20 с. Пример квазистабильной частицы – нейтрон.

Он распадается из-за слабого взаимодействия, среднее время жизни – 15,3 мин: .

Резонансами называют элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия; их характерные времена жизни t~ 10^-22 - 10^-24 с.

Электрические заряды элементарных частиц являются целыми кратными величины е ≈1,6-10^-19 Кл, называемой элементарным электрическим зарядом (зарядом электрона). У известных элементар­ных частиц Q = 0, ±1, ±2.

Спин элементарных частиц является целым или полуцелым кратным постоянной Планка ħ.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами. К фермионам относятся лептоны (например, электрон и нейтрино) и барио ны, состоящие из кварков (например, протон и нейтрон). Системы фермионов описываются квантовой статистикой Ферми-Дирака. Фермионы подчиняются принципу запрета Паули и в данном квантовом состоянии системы фермионов не может, находится более одной час-тицы. Фермионы образуют материальные структуры.

Частицы с целым или нулевым спином называются бозонами. К бозонам относятся частицы с нулевой массой покоя (фотон, гравитон), а также мезоны , состоящие из кварков (например π–мезоны). Системы таких частиц описываются статистикой Бозе-Эйнштейна. Бозоны не подчиняются принципу запрета Паули и для них не накладывается ограничения на число частиц, которые могут находиться в некотором квантовом состоянии. Они образуют поле взаимодействия (согласно квантовой теории поля) между фермионами.

Так, например, материальные структуры образованы электронами и нуклонами (протонами и нейтронами, образующими ядра атомов), а электромагнитное поле взаимодействия между ними образуют фотоны (точнее сказать виртуальные фотоны) (рис. 2).

Рис.2. Классификация элементарных частиц

Мезоны и барионы состоят из кварков, и поэтому имеют общее название – адроны. Все известные адроны состоят либо из пары кварк-антикварк (мезоны), либо из трех кварков (барионы). Кварки и антикварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. Кварки различаются по «аромату» и «цвету». Каждый кварк может находиться в одном из трех цветовых состояний: «красном», «синем» и «желтом». Что касается «ароматов», то их известно 5 и предполагается наличие шестого. Ароматы кварков обозначаются буквами u , d , s , с, b , t , которые соответствуют английским словам up , down , strange , charmed , beaty и truth . Более того, каждому кварку соответствует его антикварк. Ни один кварк, ни разу не был Зарегистрирован в свободном виде, несмотря на многолетние поиски. Кварки можно наблюдать только внутри адронов.

Физика элементарных частиц базируется на понятии о фундаментальных взаимодействиях гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом.

Электромагнитное взаимодействие обусловлено обменом фотонами, которые изучены лучше остальных бозонов. Источник фотонов – электрический заряд. Гравитационное взаимодействие связано с пока гипотетическими частицами – гравитонами . Нейтральный (Z ⁰ ) и заряженные (W ⁺ ,W ^– )бозоны являются переносчиками слабого взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами и нейтрино. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны . Они как бы склеивают кварки в адронах. Источники глюонов – так называемые «цветовые» заряды. Они не имеют никакого отношения к обычным цветам и названы так для удобства описания. Каждый из шести ароматов кварков существует в трех цветовых разновидностях: желтой, синей или красной (ж, с, к соответственно). Антикварки тоже несут цветовые антизаряды. Важно подчеркнуть, что три заряда и три антизаряда совершенно не зависят от ароматов кварков. Таким образом, в настоящее время полное число кварков и антикварков (с учетом трех цветов и шести ароматов достигло 36. Кроме того, имеется еще девять глюонов. Глюоны, как и кварки, не наблюдаются в свободном состоянии.

Существование кварков и глюонов приводит к появлению нового, состояния вещества, которое носит название кварк-глюонной плазмы.

Это плазма, состоящая не из электронов и ионов, как обычная плазма, а из кварков и глюонов, слабо взаимодействующих друг с другом или не взаимодействующих вообще.

Одной из главных задач микрофизики, о решении которой мечтал еще А. Эйнштейн, является создание единой теории поля, которая объединила бы все известные фундаментальные взаимодействия. Создание такой теории означало бы фундаментальный прорыв во всех областях науки.

К настоящему времени создана и признана теория, которая объединяет два фундаментальных взаимодействия – слабое и электромагнитное. Она называется единой теорией слабого и электромаг нитного (электрослабого) взаимодействия и утверждает, что существуют особые частицы – переносчики взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами, нейтрино. Эти частицы, названные бозонами W ⁺ , W ^– и Z°, были теоретически предсказаны в 70-х гг. прошлого века и экспериментально обнаружены в 1983 г.

Теория сильного взаимодействия именуется квантовой хромоди намикой. Данная теория, описывающая взаимодействие кварков и глюонов, построена по образу квантовой электродинамики, которая, в свою очередь, описывает электромагнитные взаимодействия, обусловленные обменом фотонами. В отличие от электрически нейтральных фотонов, глюоны являются носителями «цветовых» зарядов. Это приводит к тому, что при попытке развести их в пространстве энергия взаимодействия возрастает. В результате глюоны и кварки не существуют в свободном состоянии: они «самозапираются» внутри адронов.

Современную теорию элементарных частиц, состоящую из теорий электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики, принято называть стандартной моделью . Эта сложная, но уже почти законченная феноменологическая теория – главный теоретический инструмент, с помощью которого решаются задачи микрофизики

«Великое объединение» – так называют теоретические модели, исходящие из представлений о единой природе сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий. Оно призвано объединить все существующие частицы: фермионы, бозоны и скалярные частицы. В рамках теории «Великого объединения» хорошо объясняются многие очень важные явления, в частности такие, как наблюдаемая глюонная асимметрия Вселенной, малая ненулевая масса покоя нейтрино, квантование электрического заряда и существование решений типа магнитных монополей Дирака. По последним данным, среднее время жизни протона составляет более 1,6• 10³³ лет. Доказательство нестабильности протона явилось бы открытием фундаментальной важности. Однако пока этот распад не зафиксирован. Ученые надеются, что дальнейшее развитие моделей «Великого объединения» приведет к объединению всех взаимодействий, включая и гравитационное (суперобъединение). Но это – дело будущего.

В микрофизике известна и играет важную роль некая фундаментальная длина, называемая планковской, или гравитационной, длиной – l_g = 1,6^–33 см. Считается, что длины меньше планковской в природе не существует. Совместно с планковским временем t _g ~ 1,6•10^–43 с они составляют пространственно-временные кванты, которые призваны лечь в основу будущей квантовой теории гравитации. По мнению академика В.Л. Гинзбурга, физический смысл длины l_g заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользоваться классической релятивистской теорией гравитации и, в частности, общей теорией относительности (ОТО), построение которой было завершено Эйнштейном в 1915 г.

В настоящее время наименьший «прицельный параметр», достигнутый на современных ускорителях, составляет l_f ~ 10 ^–17 см. Таким образом, можно заключить, что вплоть до расстояний l_f ~ 10 ^–17 см и времен l_f / c ~ 10^–27 с существующие пространственно-временные координаты справедливы. Значение l_f отличается от значения l_g на целых 16 порядков, поэтому вопрос о фундаментальной длине еще остается актуальным для науки.

В первой половине XX в., когда объектами изучения микрофизики были атом, а затем атомное ядро, для того чтобы понять поведение электронов в атомах, пришлось совершить подлинную революцию в науке – создать квантовую механику. Микрофизика занимала тогда в естествознании совершенно особое место. Благодаря ее успехам мы смогли разобраться в строении вещества. Микрофизика – это фундамент современной физической науки.

2.3.2. Макромир

От микромира к макромиру . Теория строения атома дала химии ключ к познанию сущности химических реакций и механизма образований химических соединений – более сложного молекулярного уровня организации вещественной материи по сравнению с элементной атомной формой.

Квантовая механика позволила решить очень важный вопрос о расположении электронов в атоме и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. При их построении ученые исходили из общих соображений об устойчивости различных комбинаций электронов. И естественно, что путеводной нитью при этом служил периодический закон Д.И. Менделеева.

При разработке схем строения атомов элементов учитывалось следующее:

1)принималось, что число электронов в атоме равно заряду атомного ядра, т.е. порядковому номеру элемента в периодической системе;

2)вся электронная оболочка распадается на несколько слоев соответствующих определенным энергетическим уровням (n = 1, 2,3,4,...);

3)на каждом уровне п может находиться не более N электронов, где N = 2п² ;

4)состояние каждого электрона в атоме определяется совокупностью четырех квантовых чисел п, l , т и s .

В соответствии с принципом Паули все электроны в атоме отличаются друг от друга хотя бы одним квантовым числом. В атоме нет двух электронов, у которых все квантовые числа одинаковы, соответствии с указанными допущениями построены упрощенные схемы строения атомов для первых трех периодов таблицы Менделеева.

Несмотря на условность и простоту этих схем, они тем не менее достаточны для объяснения важнейших свойств элементов и ия соединений.

Так, например, на первом энергетическом уровне ( n = 1, l =0, т = 0) могут находиться только два электрона, отличающиеся своими спиновыми квантовыми числами ( s = ±1/2). Других электронов при п = 1 быть не может. Это соответствует тому, что если на первом уровне имеется один электрон, то это — атом водорода; если два электрона, то это – атом гелия. Оба элемента заполняют первый ряд таблицы Менделеева.

Второй ряд таблицы Менделеева занимают элементы, электроны которых расположены на втором энергетическом уровне (п = 2). Всего на втором энергетическом уровне может быть восемь электронов (N=2 · 2² ).

Действительно, при п = 2 могут иметь место следующие состояния электронов: если l = 0 и т = 0, то может быть два электрона с противоположными спинами; если l = 1, то т может принимать три значения (т = –1; 0; +1), и каждому значению т соответствует также по два электрона с разными спинами. Таким образом, всего будет восемь электронов.

Второй ряд элементов в таблице Менделеева, у которых последовательно добавляется по одному электрону на втором энергетическом уровне, — литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор, неон.

При главном квантовом числе п = 3 l может принимать три зна­чения (l =0; 1; 2), а каждому l соответствует несколько значений т. при l = 0 т = 0; при l ~ 1 т = –1; 0; +1; при l =2 т = –2; -1; 0; I 1; +2 (рис. 2.4).

Так как всего может быть девять значений т, а каждому состоянию т соответствует два электрона с разными значениями s = ±1/2, nо всего на третьем энергетическом уровне (п = 3) может быть 18 электронов ( N = 2 · З² ).

Третий ряд в таблице Менделеева соответствует последователь­ному заполнению электронами внешнего энергетического уровня у элементов от натрия до аргона (натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, аргон).

Энергетические уровни и возможные состояния электронов в атоме: возможные орбиты, на которых электрон в атоме движется вокруг ядра, можно изобразить в виде окружностей (А), в каждой из которых точно укладывается целое число длин световых волн, равное главному квантовому числу п. Двумерный аналог атома может быть описан двумя квантовыми числами, а реальный атом характеризуют три квантовых числа.

Следующие ряды периодической системы соответствуют более сложным правилам заполнения внешних уровней атомов электронами, поскольку при увеличении общего числа электронов, а атомах начинают проявляться коллективные взаимодействия между разными группами электронов, расположенных на разных энергетических уровнях. Это приводит к необходимости учитывать ряд более тонких эффектов.

Выяснение строения электронных оболочек атомов оказало влияние и на саму структуру периодической системы, несколько изменив существовавшее до тех пор деление элементов на периоды. В прежних таблицах каждый период начинался с инертного газа, причем водород оставался вне периодов. Но теперь стало ясно, что новый период должен начинаться с того элемента, в атоме которого впервые появляется новый электронный слой в виде одного валентного электрона (водород и щелочные металлы), и заканчиваться тем элементом, в атоме которого этот слой имеет восемь электронов, образующих очень прочную электронную структуру, свойственную инертным газам.

Теория строения атомов разрешила также вопрос о положении в периодической системе редкоземельных элементов, которые ввиду их большого сходства друг с другом нельзя было распределить по различным группам. Атомы этих элементов отличаются друг от друга строением одного из внутренних электронных слоев, в то время как число электронов в наружном слое, от которого главным образом зависят химические свойства элемента, у них одинаково. По этой причине все редкоземельные элементы (лантаноиды) помещены теперь вне общей таблицы.

Однако основное значение теории строения атомов заключалось в раскрытии физического смысла периодического закона, который, но времена Менделеева был еще неясен. Достаточно взглянуть на таблицу расположения электронов в атомах химических элементов, чтобы убедиться, что с увеличением зарядов атомных ядер постоянно повторяются одни и те же комбинации электронов в наружном слое атома. Таким образом, периодическое изменение свойств химических элементов происходит вследствие периодического возвращения к одним и тем же электронным конфигурациям.

Попытаемся установить более точно, в какой зависимости от строения электронных оболочек находятся химические свойства атомов.

Рассмотрим сначала изменение свойств в периодах. В пределах каждого периода (кроме первого) металлические свойства, наиболее резко выраженные у первого члена периода, при переходе к последующим членам постепенно ослабевают и уступают место металлоидным свойствам: в начале периода стоит типичный металл, в конце – типичный металлоид (неметалл) и за ним – инертный газ.

Закономерное изменение свойств элементов в периодах может быть объяснено следующим образом. Наиболее характерным свойством металлов с химической точки зрения является способность их атомов легко отдавать внешние электроны и превращаться в положительно заряженные ионы, тогда как металлоиды, наоборот, характеризуются способностью присоединять электроны с образованием отрицательных ионов.

Для отрыва электрона от атома с превращением последнего в положительный ион нужно затратить некоторую энергию, которая называется потенциалом ионизации.

Потенциал ионизации имеет наименьшее значение у элементов, начинающих период, т.е. у водорода и щелочных металлов, и наибольшее – у элементов, заканчивающих период, т.е. у инертных газов. Величина его может служить мерой большей или меньшей «металличности» элемента: чем меньше потенциал ионизации, чем легче оторвать электрон от атома, тем сильнее должны быть выражены металлические свойства элемента.

Величина потенциала ионизации зависит от трех причин: от величины заряда ядра, радиуса атома и особого рода взаимодействия между электронами в электрическом поле ядра, вызванного их волновыми свойствами. Очевидно, что чем больше заряд ядра и чем меньше радиус атома, тем сильнее притягивается электрон к ядру тем больше потенциал ионизации.

У элементов одного и того же периода при переходе от щелочного металла к инертному газу заряд ядра постепенно возрастает, а радиус атома уменьшается. Следствием этого и является постепенное увеличение потенциала ионизации и ослабление металлических свойств. У инертных газов, хотя радиусы их атомов больше, чем радиусы атомов галогенов, стоящих в том же периоде, потенциалы ионизации больше, чем у галогенов. В этом случае сильно сказывается действие третьего из вышеупомянутых факторов – взаимодействия между электронами, вследствие чего внешняя электронная оболочка атома инертного газа имеет особую энергетическую устойчивость, и удаление из нее электрона требует значительно большей затраты энергии.

Присоединение электрона к атому металлоида, превращающее его электронную оболочку в устойчивую оболочку атома инертного газа, сопровождается выделением энергии. Величина этой энергии при расчете на 1 грамм-атом элемента служит мерой так называемого сродства к электрону. Чем больше сродство к электрону, тем легче атом присоединяет электрон. Сродство атомов металлов к электрону равно нулю, – атомы металлов не способны присоединять электроны. У атомов же металлоидов сродство к электрону тем больше, чем ближе к инертному газу стоит металлоид в периодической системе. Поэтому в пределах периода металлоидные свойства усиливаются по мере приближения к концу периода.

В повседневной жизни нам не приходится иметь дело с атомами. Окружающий нас мир построен из объектов, образованных из гигантского числа атомов в виде твердых тел, жидкостей и газов. Следовательно, нашим следующим шагом должно быть изучение того, как атомы взаимодействуют друг с другом, образуя молекулы, а затем и макроскопическое вещество. Даже человеческая индивидуальность (и вообще поведение всех живых организмов) является результатом различий в структурах гигантских молекул, несущих генетическую информацию.

Молекулы состоят из одинаковых или различных атомов, соеди­ненных между собой межатомными химическими связями. Устойчивость молекул свидетельствует о том, что химические связи обусловлены силами взаимодействия, связывающими атомы в молекулу.

Силы межатомного взаимодействия возникают между внешними электронами атомов. Потенциалы ионизации этих электронов значительно меньше, чем у электронов, находящихся на внутренних энергетических уровнях.

Нахождение конкретных формул химических соединений значительно упрощается, если воспользоваться понятием о валентности элементов, т.е. свойством его атомов присоединять к себе или замещать определенное число атомов другого элемента.

Понятие о валентности распространяется не только на отдельные атомы, но и на целые группы атомов, входящие в состав химических соединений и участвующие как одно целое в химических реакциях. Такие группы атомов получили название радикалов.

Физические основы химических связей в молекулах вещества . Однако природа сил, обусловливающих связь между атомами в молекулах, долгое время оставалась неизвестной. Только с развитием учения о строении атома появились теории, объясняющие причину различной валентности элементов и механизм образования химических соединений на основе электронных представлений. Все эти теории основываются на существовании связи между химическими и электрическими явлениями.

Остановимся, прежде всего, на отношении веществ к электрическому току.

Одни вещества являются проводниками электрического тока, как и твердом, так и в жидком состоянии: таковы, например, все металлы. Другие вещества в твердом состоянии тока не проводят, но элекропроводны в расплавленном виде. К ним принадлежит огромное большинство солей, а также многие окислы и гидраты окислов. Наконец, третью группу составляют вещества, не проводящие тока ни в твердом, ни в жидком состоянии. Сюда относятся почти все металлоиды.

Опытом установлено, что электропроводность металлов обу­словлена движением электронов, а электропроводность расплавленных солей и им подобных соединений – движением ионов, имеющих противоположные заряды. Например, при прохождении тока через расплавленную поваренную соль к катоду движутся положительно заряженные ионы натрия Na⁺ , а к аноду – отрицательно за­ряженные ионы хлора Сl^– . Очевидно, что в солях ионы существуют уже в твердом веществе, расплавление лишь создаст условия для их свободного движения. Поэтому такие соединения получили название ионных соединений. Вещества, практически не проводящие тока, не содержат ионов: они построены из электрически нейтральных молекул или атомов. Таким образом, различное отношение веществ к электрическому току является следствием различного электрического состояния частиц, образующих эти вещества.

Указанным выше типам веществ отвечают два различных ти­па химической связи:

а)ионная связь, иначе называемая электровалентной (между противоположно заряженными ионами в ионных соединениях);

б)атомная, или ковалентная, связь (между электронейтральными атомами в молекулах всех остальных веществ).

Ионная связь . Такого типа связь существует между противополож­но заряженными ионами и образуется в результате простого электро­статического притяжения ионов друг к другу.

Положительные ионы образуются путем отщепления от атомов электронов, отрицательные – путем присоединения электронов к атомам.

Так, например, положительный ион Na⁺ образуется при отщеплении от атома натрия одного электрона. Так как в наружном слое атома натрия находится только один электрон, то естественно предположить, что именно этот электрон, как наиболее удаленный от ядра, и отщепляется от атома натрия при превращении его в ион. Подобным же образом ионы магния Mg²⁺ и алюминия А1³⁺ получаются в результате отщепления от атомов магния и алюминия соответственно двух и трех внешних электронов.

Напротив, отрицательные ионы серы и хлора образуются путем присоединения к этим атомам электронов. Поскольку внутренние электронные слои в атомах хлора и серы заполнены, дополнитель­ные электроны в ионах S² и Сl^– , очевидно, должны были занять места во внешнем слое.

Сравнивая состав и строение электронных оболочек ионов Na⁺ , Mg²⁺ , А1³⁺ , мы видим, что у всех этих ионов они одинаковы – такие же, как у атомов инертного газа неона (Ne).

В то же время ионы S² и Сl^– , образующиеся в результате при­соединения электронов к атомам серы и хлора, имеют такие же элек­тронные оболочки, как и атомы аргона (Аг).

Таким образом, в рассмотренных случаях при превращении атомов в ионы электронные оболочки ионов уподобляются оболочкам атомов инертных газов, наиболее близко к ним расположенных в периодической системе.

Современная теория химической связи объясняет это тем, что электронные группировки в атомах инертных газов (два электрона в наружном слое атома гелия и восемь электронов в атомах остальных инертных газов) являются особенно устойчивыми. Именно вследствие устойчивости этих группировок инертные газы и не способны вступать в соединение с другими элементами. Атомы, имеющие в наружном слое менее восьми электронов, стремятся приобрести структуру инертных газов, отдавая «лишние» электроны или пополняя их число в своем наружном слое до восьми за счет электронов других атомов, что и происходит при образовании большинства химических соединений, состоящих из ионов.

Процесс образования химического соединения ионного типа из атомов можно представить следующим образом.

Сначала атомы превращаются в разноименно заряженные ионы вследствие перехода электронов от одного атома к другому, а затем уже ионы взаимно притягиваются, образуя соединение с ионной связью.

Положим, например, что атомы натрия, имеющие в наружной оболочке только один электрон, встречаются с атомами хлора, наружная оболочка которых содержит семь электронов. Атомы натрия отдают свои «лишние» электроны, атомам хлора, превращаясь в положительные однозарядные ионы с электронной конфигура­цией инертного газа неона. В то же время атомы хлора, присоеди­нившие к своему наружному слою по одному электрону, становятся отрицательными однозарядными ионами со структурой атомов аргона. После этого сила электрического притяжения между разноименными зарядами связывает образовавшиеся ионы друг с другом, в результате чего получается соль – хлористый натрий (рис. 3).

Рис.3. Схема образования хлористого натрия

Изложенные выше представления о механизме образования ионных соединений приводят к заключению, что валентность элементов в ионных соединениях характеризуется числом электрических заря­дов их ионов. Иначе ее называют электровалентностью.

Величина электровалентности определяется числом электронов, отданных атомом при образовании положительного иона или присоединившихся к нему при образовании отрицательного иона. В первом случае электровалентность считается положительной, во втором – отрицательной.

Способность атомов превращаться в положительные или отрицательные ионы зависит от положения соответствующих элементов в периодической системе. Атомы элементов, стоящих в начале периода, имеют меньший заряд ядра, чем атомы элементов, находя­щиеся в конце периода. В первом случае электроны притягиваются слабее, чем во втором, поэтому склонность атомов к превращению в положительные ионы, вообще говоря, уменьшается в периоде в направлении слева направо.

Ковалентная связь . Предположение об электростатическом при­тяжении между противоположно заряженными ионами, как о причине возникновения химической связи, явно неприменимо к молекулам простых веществ (водорода Н₂ , кислорода О₂ и др.), а также к молекулам веществ, образованных близкими по химическим свойствам элементами, так как в этом случае трудно допустить возникновение противоположно заряженных ионов. Поэтому по отноше­нию к таким веществам бьиа выдвинута другая теория их образова­ния, получившая название теории ковалентных связей. При разработке этой теории тоже учитывалась химическая устойчивость атомов инертных газов.

Согласно теории ковалентных связей при образовании молекул (как и при образовании ионных соединений) атомы химических эле­ментов приобретают устойчивые электронные оболочки, подобные оболочкам атомов инертных газов. Однако устойчивость эта дости­гается не путем перехода электронов от одних атомов к другим, а путем образования одной или нескольких пар электронов, которые становятся общими для соединяющихся атомов, т.е. входят одновременно в состав электронных оболочек двух атомов. Можно представить себе, что эти «спаренные» электроны вращаются по орбитам, охватывающим ядра обоих атомов, и таким образом связывают атомы в молекулу.

Химическая связь, обусловленная наличием электронных пар, называется ковалентной, или атомной, связью, в отличие от электровалентной, или ионной, связи, основанной на электростатическом притяжении между разноименно заряженными ионами.

Предположение о паре электронов, как бы «обслуживающей» два ядра, как о причине возникновения ковалентной связи получило обоснование в волновой механике. Два положительно заряженных ядра можно рассматривать как одно ядро с большим зарядом, чем у каждого из ядер в отдельности. Электрон, вращающийся вокруг такого комбинированного ядра, удерживается более сильно, чем, если бы он вращался около одного из ядер. Этим объясняется энергетическая выгодность образования ковалентных связей. Новая орбит движения электрона в молекуле называется молекулярной. Движение электронов по молекулярным орбитам подчиняется тому же правил Паули, что и движение по атомным орбитам. Поэтому на одной той же молекулярной орбите не может быть больше двух электронов, причем они должны иметь противоположные спины. Электроны одинаковыми спинами на одной и той же молекулярной орбите находиться не могут. Вот почему каждая ковалентная связь образована лишь парой электронов.

Образование молекулярных орбит с точки зрения волновой механики является следствием «перекрывания» атомных орбит. В результате такого перекрывания наибольшая электронная плотность молекулярной орбите, если ее представить, как электронное облако оказывается между ядрами. Это значит, что электроны при движении по молекулярной орбите наиболее часто попадают в область, находящуюся между ядрами. В результате между ядрами создается как бы прослойка из отрицательного электричества, способствующая сближению ядер. Поэтому чем сильнее «перекрываются» атомные орбиты при образовании молекулярных орбит, тем прочнее связь. Валентность или, точнее, ковалентность элемента в данном соединена, определяется числом электронов его атома, идущих на образование общих, или «связующих», электронных пар.

Итак, ковалентная связь между атомами в молекулах обусловливается наличием одной или нескольких общих пар электронов. Так как при образовании ковалентной связи, как правило, не происходит ни потери, ни присоединения электронов к атомам, то понятно, что молекулы с ковалентной связью не содержат ионов. Примером молекул с ковалентной связью может служить вода (Н₂ ,О).

Одним из элементов, образующих ковалентные связи, является углерод. Углерод участвует в молекулярных структурах почти всегда с четырьмя ковалентными связями.

Большая часть животного и растительного мира образована соединениями углерода (С) с водородом (Н) и некоторыми другими элементами, прежде всего азотом (N), кислородом (О), фосфором (Р) и серой (S). Эти соединения первоначально называли органическими соединениями, в отличие от ионных (неорганических), так как по своему химическому составу все животные и растения почти на 98% состоят из указанных шести химических элементов.

Простейшими из органических молекул являются углеводороды, состоящие только из атомов углерода и водорода. Каждая черточка – ковалентная связь, осуществляемая двумя электронами. При комнатной температуре первые четыре вещества данного углеводородного ряда – газы, следующие десять –жидкости, а все последующие – твердые вещества, или парафины.

Сложные органические соединения содержат ряд других элементов. Так, все органические кислоты (например, лимонная) и все спирты (например, этиловый) содержат кислород.

Многие молекулы в живой природе, в частности молекулы белков, чрезвычайно сложны. Несмотря на это, в последнее время были достигнуты большие успехи в определении состава, структуры и функции этих молекул. В частности, многое стало известно о структуре ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), несущей генетическую информацию. Хотя эта молекула может содержать до миллиона атомов, ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

После того, как была выяснена природа сил, приводящих к объединению атомов в молекулы, т.е. природа «химизма», проявляющаяся в огромном многообразии химических превращений вещества, в том числе приводящая к образованию многоатомных сложных молекул, стал ясен механизм первой ступени самоорганизации материи в природе от более простых атомных систем к гораздо более сложным молекулярным системам. Диапазон известных молекулярных структур огромен – от двухатомных молекул типа Н₂ , О₂ до макромолекул органических соединений, состоящих из сотен и тысяч атомов, – белков и нуклеиновых кислот.

Из огромной совокупности разных молекул состоит все неживое и живое вещество природы – макротела. Количественные изменения при переходе от микрообъектов (атомов, молекул) к макротелам большой совокупности микросистем – приводят к существенным качественным изменениям в поведении, следовательно, в описании этих объектов исследования.

На макроуровне принято отдельно рассматривать вещественную молевую материю. Вещество может находиться в четырех агрегат­ных состояниях – твердые тела, жидкости, газы, плазма . Все явления и процессы в макромире связаны с процессами сохранения и преобразования одних форм движения в другие на основе двух всеобъемлющих законов – закона сохранения и превращения энергии и закона возрастания энтропии.

Указанные макропроцессы изучаются в рамках так называемой физической картины мира – в виде законов механики, статистической фишки, термодинамики и электродинамики. А вся совокупность явлений макромира изучается многочисленными естественно-научными дисциплинами (физикой, химией, геологией, биологией и т.д.).

2.3.3. Мегамир

Объектами мегамира являются тела космического масштаба – кометы, метеориты, астероиды (малые планеты), планеты, планетные пстемы, Солнечная система, звезды (нейтронные, белые и желтые карлики, красные гиганты), звездные системы, черные дыры, квази-звезды (квазары), Галактика (Млечный Путь), Метагалактика, системы галактик.

Огромные расстояния между космическими объектами вызывают необходимость ввода новых величин для измерения расстояний.

1.Астрономическая единица – среднее расстояние от Земли до солнца: 1 а.е. = 1,5 • 10 ^{11 м} = 1,5 10⁸ км.

2.Световой год – расстояние, которое проходит свет за один год: 1 световой год = 9,46 • 10¹⁵ м = 9,46 • 10¹² км.

3.Парсек – расстояние, которое в 3,26 раз больше светового года: 1 парсек = 3,1 • 10¹⁶ м = 3,1 • 10¹³ км.

Мегамир (космос) – взаимодействующая и развивающаяся система, а также одна из форм системной организации во Вселенной.

2.4. Пространство и время

Пространство и время – категории, обозначающие основные фундаментальные формы существования материи. Пространство выражает порядок существования отдельных объектов, время – порядок смены явлений и состояний материи. Они играют главную роль на эмпирическом уровне физического познания – непосредственное содержание результатов наблюдений и экспериментов состоит фиксации пространственно-временных совпадений.

Пространство и время служат также одним из важнейших средств конструирования теоретических моделей, интерпретирующих экспериментальные данные. Пространство и время имеют решающее значение для построения физической картины мира.

Все тела имеют определенную протяженность – длину, ширину, высоту. Они различным образом расположены друг относительно друга, составляют части той или иной системы.

Пространство есть форма координации существующих объектов, состояний материи. Порядок сосуществования этих объектов и их состояний образуют структуру пространства.

Явления характеризуются длительностью существования, последовательностью этапов развития. Процессы совершаются либо одновременно, либо один раньше или позже другого. Все это означает, что тела существуют и движутся (изменяются) во времени.

Время – это форма координации сменяющихся объектов и их состояний. Порядок смены этих объектов и состояний образуют структуру времени.

Пространство и время – всеобщие формы существования, координации объектов. Всеобщность данных форм бытия заключается в том, что они есть формы бытия всех предметов и процессов, которые были, есть и будут в мире. В мире все простирается и длится.

2.4.1. Единство и многообразие свойств пространства и времени

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Но при позна­нии пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. Обычно выделяют всеобщие и специфические свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства и времени в микромире и мегамире. Из всеобщих свойств пространства и времени следует отметить их:

1. Объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире.

2. Абсолютность – они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования.

3.Неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей.

4.Единство прерывности и непрерывности в их структуре – наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо «разрывов» в самом пространстве.

5.Количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи – невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а также неисчерпаемость их свойств.

Всюду, где есть любое взаимодействие и движение материи, сосуществование и связь ее элементов, обязательно наличествует пространство и время; всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, будет и время, включающее в свое содержание все эти процессы.

К общим свойствам пространства относятся:

1. Протяженность – рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу неко­торого следующего элемента либо возможность уменьшения числа элементов. Протяженность тесно связана со структурно­стью материальных объектов, обусловлена взаимодействием между составляющими тела элементами материи.

2. Связность и непрерывность – проявляются в характере перемещений тел от точки к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля в виде близкодействия передаче материи и энергии. Связность означает отсутствие каких-либо «разрывов» в пространстве и нарушений в распространении воздействий в полях.

3. Трехмерность – общее свойство пространства, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях, органически связано со структурностью систем и их движением. Все материальные процессы и взаимодействия реализуются в пространстве трех измерений (длина, ширина, высота). Три измерения являются тем необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов.

4. Пространству на всех известных структурных уровнях материи присуще единство метрических и топологических свойств. Метрические свойства проявляются в протяженности и характере связи элементов тел. Метрика может быть различной – евклидовой и неевклидовой, причем возможно много разновидностей неевклидовых пространств с различными значениями кривизны. Топологические свойства характеризуют связность, трехмерность, непрерывность, неоднородность, бесконечность пространства, его единство со временем и движением.

Рассмотрим теперь общие свойства времени:

1. Длительность – выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующих. Длительность предполагает возможность прибавления к каждому дан­ному моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы. Длительность обусловлена сохранением материи и ее атрибутов, единством устойчивости и изменчивости в мире. Никакой процесс в природе не может происходить сразу, мгновенно, он обязательно длится во времени, что обусловлено конечной скоростью распространения взаимодействий и изменения состояний.

Аналогично протяженности пространства, длительность относится к метрическим свойствам. Отсутствие же всякой длительности, связанное, например, с состоянием материи типа сингулярности (объект с бесконечной плотностью, гравитационным полем и точечными размерами), означало бы, что материя в этом состоянии не обладает способностью к сохранению и последовательной смене состояний, что равносильно отрицанию всякого материального бытия.

2. Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Сохраняемость материи и непрерывная последовательность ее изменений, близкодействие в причинных отношениях определяют и общую непрерывность времени , проявляющуюся в непрерыв­ном переходе предшествующих состояний в – последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения, которые его вызывают. Но время как форма бытия материи складывается из множества последовательностей и длительностей существования конкретных объектов, каждый из которых существует конечный период. Поэтому время характеризуется прерывностью бытия конкретных качественных состояний. Но эта прерывность относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход.

3. Всеобщим свойством времени является необратимость , означающая однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события – это те, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимодействию между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов. Объекты, сосуществовавшие в прошлом, но перешедшие в другие последующие состояния материи, уже недоступны никакому воздействию. На прошлое физически воздействовать невозможно, можно только изменить представление о прошлом в сознании реально существующих людей.

На отдаленное будущее также нельзя воздействовать, пока оно не возникнет, поскольку реально оно еще не существует. Воздействовать можно на события настоящего и на те ближайшие события будущего, которые из них непосредственно вытекают. Понятие настоящего многозначно (как и понятие современности ), ибо охватывает различные временные интервалы. Так, для человека предельно суженное настоящее – это сиюсекундное переживание, фиксируемое с большим трудом. Все, что было до него, относится к прошлому, все последующее – к будущему. Но это настоящее может быть расширено, в зависимости от сопоставляемых интервалов и масштабов события, до часа, дня, года и большего отрезка времени, как и понятие современности.

Для объективно существующих систем настоящее время охватывает тот интервал, в течение которого они физически могут взаимодействовать между собой путем обмена материей и энергией. Если бы скорость распространения воздействий была бесконечной, то это настоящее представляло бы собой сколь угодно малый миг, дающий мгновенное сечение всех событий во Вселенной – настоящих, прошлых и будущих. Но скорость распространения воздействий всегда конечна и не превышает скорости света в вакууме. Для элементарных частиц это будут очень малые отрезки, но для Галактики они возрастают до сотни тысяч лет, а в больших системах они будут еще более значительными. Внутри этого настоящего для больших систем могут укладываться события прошлого, настоящего и будущего малых систем, существующих намного меньшее время, например, жизни конкретных поколений людей. Действие всегда происходит только в одном направлении: от прошлого к настоящему и от него – к будущему , но никогда наоборот.

Какие причины лежат в основе асимметрии и необратимости времени? Сегодня их связывают с процессами самоорганизации материи, законами неравновесной термодинамики. Обратное движение времени означало бы обращение вспять всех процессов развития в мире и причинных отношений, что привело бы к нарушению закона причинности.

Необратимость времени, неэквивалентность прошлого и будущего во все большей мере осознаются различными науками. Раньше считалось, что все физические законы инвариантны относительно замены знака времени, поскольку время в уравнениях квантовой и классической механики берется в квадрате. Это наводило на мысль, что все физические процессы могут происходить одинаково как в прямом, так и в обратном направлении. Но за последние годы были открыты процессы, демонстрирующие необратимость изменений в микромире: распады неустойчивых частиц (нейтронов, мезонов) с излучением нейтрино.

4. Одномерность времени проявляется в линейной последова­тельности событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной. Если бы время имело не одно, а два, три и больше измерений, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с ним миры-двойники, в которых те же самые события разворачивались бы в одинаковой последовательности.

Рассмотрим теперь специфические и локальные пространственно-временные свойства систем. К пространственным свойствам относятся:

1. Конкретные пространственные формы тел, их положение в пространстве по отношению друг к другу, скорость пространственного перемещения, размеры тел.

2. Наличие у них внутренней симметрии или асимметрии. Различные виды симметрии (речь о них пойдет ниже) свойственны как макромиру, так и микромиру, являясь фундаментальным свойством неживой природы. Живому веществу присуще свойство пространственной асимметрии, которым обладает молекула живого вещества.

3. Изотропность и неоднородность пространства . Изотропность означает отсутствие выделенных направлений (верха, низа и других), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Полная изотропность присуща лишь вакууму, а в структуре вещественных тел проявляется анизотропия в распределении сил связи. Они расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других. Точно так же полная однородность свойственна лишь абстрактному евклидовому пространству и является идеализацией. Реальное пространство материальных систем неоднородно, различается метрикой и значениями кривизны в зависимости от распределения тяготеющих масс.

В биологических системах есть специфические пространственно-временные свойства: асимметрия расположения атомов в молекулах белка и нуклеиновых кислот, собственные временные ритмы и темпы изменения внутри организменных и надорганизменных биосистем, взаимосвязь и синхронизация ритмов друг с другом, а также с вращением Земли вокруг оси и сменой времен года.

Так же и в обществе есть специфические пространственные отношения между его элементами, собственные ритмы и темпы изменения в различных сферах общественной жизни, проявляется ускорение темпов развития с прогрессом науки и техники.

Но во всех этих и других системах проявляются указанные выше всеобщие свойства пространства и времени и большинство их общих свойств.

Пространство-время в макро- и мегамире. В локальных областях макромира, когда можно абстрагироваться от искривления пространства-времени вблизи больших тяготеющих масс, пространство-время характеризуется евклидовой геометрией. В масштабах Галактик и Метагалактики существенную роль начинает играть кривизна пространства-времени, связанная с взаимодействием тяготеющих масс, характер кривизны пространства зависит от средней плотности вещества и поля. При плотности больше критической (10 ^{- 29} г/см³ ) пространство будет замкнуто, а время имеет точки, в которых Метагалактика может сжиматься до сверхплотного состояния. В такой математической точке, как плотность вещества, так и кривизна пространства должны стать бесконечными (большими). В современной общей теории относительности эта точка называется сингулярностью. Сингулярность – это не объект, а то место, где заканчивается действие известных нам физических законов. Наличие нескольких таких временных точек означает, что Метагалактика пульсирует, переходя от стадии расширения к стадии сжатия.

При плотности, меньшей критической, кривизна пространства соответствует незамкнутой Вселенной, имеющей особую временную точку, в которой происходит Большой Взрыв и далее начинается стадия неограниченного расширения. По современным научным данным, более характерен второй сценарий эволюции Метагалактики – сценарий Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной,

Биологическое пространство-время. Оно как бы вписано в пространство-время неживой природы. Левая и правая асимметрия в группировках атомов. Отсутствие тождественности левого и правого, резкое проявление левизны организации живого – свидетельство особенностей биологического пространства. Биологическое пространство – сложная композиция различных, неевклидовых пространств организмов и локальных евклидовых пространств неорганических объектов. Биологические часы. Внутреннее время организма: в ритмах биологических часов внешнее время как бы сжимается, затем происходит активный перенос на будущее этих спрессованных ритмов, протекшего внешнего времени. Биологический организм обгоняет время.

Социальное пространство-время. Функциональное расчленение на ряд подпространств, характер которых и взаимосвязь исторически меняются по мере развития общества. Пространство непосредственного обитания. Пространство – зона плодо­носных земель. Очеловеченное и не очеловеченное пространство. Природа социального пространства включает: предметный мир, который человек создает и обновляет в своей деятельности, самого человека и его отношение с другими людьми, состояние человеческого сознания, регулирующие его деятельность. Это единое системное целое существует при взаимодействии составляющих его частей – мира вещей «второй природы», мира идей и мира человеческих отношений. Социальное пространство имеет особую пространственную архитектонику, которая не сводится только к отношениям материальных вещей, а включает их отношение к человеку, его социальные связи и те смыслы, которые фиксируются в системе общественно значимых идей.

Специфика социального пространства тесно связана со спецификой социального времени, которая является внутренним и вписана во время природных процессов. Социальное время на ранних стадиях общественного развития замедлено. Социально-историческое время проходит неравномерно. Оно уплотняется и ускоряется в ходе общественного развития. Развитие человеческого общества намного ускоряет все эволюци­онные процессы, происходящие на Земле.

Поле и вещество, и их взаимосвязь. Под веществом понимают различные частицы и тела, которым присуща масса покоя, тогда как поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и множеством других свойств. Поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет «занято» полями, на долю собственно частиц приходится ничтожная часть общего объема системы, т.е. поля входят в структуру вещества. В свою очередь, квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей можно видеть одно из важнейших свойств проявления единства прерывности и непрерывности в природе.

Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они проявляются относительно дискретно – в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования.

Характеризуя единство прерывного и непрерывного в природе, следует упомянуть единство корпускулярных и волновых свойств частиц вещества. Обладая относительной дискретностью, микрообъекты при взаимодействиях и движении могут проявлять волновые свойства, способность к дифракции и интерференции, они характеризуются длиной волны, обратно пропорциональной их массе и скорости. Это соотношение выражает корпускулярно-волновой дуализм Луи де-Бройля, причем постоянная h Планка имеет смысл минимального действия в природе , соизмеримость взаимодействия с этой универсальной постоянной указывает на учет квантовых эффектов и дискретности природы.

Согласно идее Планка, универсальной количественной харак­теристикой минимального квантового воздействия на объекты, находящиеся в микросостояниях, в природе служит постоянная h = 1,054* 10 ^-34 Дж с, названная постоянной Планка или, иначе, элементарным квантом действия. Любое воздействие, происходящее в природе, можно охарактеризовать целым числом квантов действия N h , так что постоянная Планка играет роль неделимой более «порции» или «атома» воздействия. Поскольку она очень мала, атомизм воздействия, как и всякий другой атомизм, в макроскопических опытах себя не проявляет, что согласуется с наблюдаемой непрерыв­ностью воздействия в классической физике.

К настоящему времени идея Планка обоснована бесчисленными опытами с самыми различными объектами в микросостояниях, из которых следует одно и то же значение h. Они подтвердили универсальный характер постоянной Планка, характеризующей не какое-то конкретное микросостояние объекта или конкретное воздействие (включая наблюдение), а фундаментальный закон природы – существование универсального ограничения на минимально возможную величину квантового воздействия. В этом смысле постоянная Планка h – столь же фундаментальная физическая величина, что и скорость света в вакууме с, значение которой также характеризует не просто скорость какого-то конкретного физического процесса, а фундаментальный закон природы – существование универ сального ограничения на максимально допустимую скорость любого материального объекта.

Универсальный характер постоянной Планка проявляется и в том, что через нее могут быть выражены любые физические характеристи­ки, которыми обмениваются два взаимодействующих объекта (из которых один обязательно микроскопичен). Действительно, размерность элементарного кванта действия

[h] = [энергия х время] = [импульс х расстояние] = [момент].

Поскольку время и расстояние в микромире остаются непрерывными, отсюда непосредственно следует представление о дискретности, квантованности энергии, импульса и момента.

Таким образом, вытекающий из реального существования атомов и электронов принцип атомизма вещества (все элементы состоят из дискретных одинаковых атомов определенной массы) удалось ввести в физику лишь после того, как открытый ранее атомизм вещества и электричества был дополнен идеей Планка об атомизме воздействия и его физических характеристик. Дальнейшая разработка этой идеи и применение ее к объяснению все новых и новых экспериментов в микромире привели в конце 20-х годов XX в. к созданию квантовой физики. Ее законы последовательно описывают природу в условиях, когда значение постоянной Планка существен­но, и воспроизводят результаты классической физики в тех случаях, когда постоянной Планка в сравнении с другими величинами той же размерности можно пренебречь.

Однако значение открытия Планка, его квантовой гипотезы, не сводится только к построению еще одной фундаментальной физической теории. Как будет продемонстрировано ниже, речь идет о принципиальном изменении взгляда на природу и методов познания ее че­ ловеком . Величайшее достижение квантовой физики состоит в том, что она позволила последовательно развить качественно новый, неклассический взгляд на природу, органично сочетающий описание самой физической системы и ее окружения, включая условия наблюдения за системой. В рамках такой концепции нашло себе место и адекватное описание тепловых явлений, первоначально развитое в статистической физике Гиббсом. Таким образом, появление идеи Планка по своей значимости можно сравнить лишь с появлением учения Коперника, положившего начало развитию классического естествознания. В свою очередь, Планк открыл эпоху неклассического естествознания, приведшего к формированию современной физической картины мира.

Конечно, осознание значения открытия Планка как скачка в духовном развитии всего человечества может прийти только после глубокого самостоятельного обдумывания идей неклассической физики. Однако направление, в котором необходимо изменить описание природы в рамках неклассической физики, можно указать уже сейчас. Оно связано с решением проблемы сочетания целостности и сложности в микромире .

Дело в том, что открытие Планка, с одной стороны, создало основу для объяснения существования в природе атомизма, а с другой стороны, показало всю ограниченность, всю «классичность» самого принципа атомизма. Как известно, классическая физика знает только одну форму описания сложной системы – это составная система, т. е. система, состоящая из элементарных объектов. Любая фундаментальная физическая характеристика такой системы «состоит» из нескольких «порций» той же характеристики, присущей составляющим систему более элементарным объектам. Например, заряд системы из трех электронов равен утроенному заряду электрона. Пока предел делимости материи и ее характеристик на отдельные «порции» не был фиксирован, такой подход к описанию сложности за счет отказа от целостности системы был оправдан.

Ситуация коренным образом изменилась с установлением фундаментальной роли в природе постоянной Планка h . Можно утверждать, что фундаментальные физические характеристики обладают определенной целостностью и дальнейшему дроблению не подлежат. В этом смысле классический принцип атомизма себя полностью исчерпал. В то же время, как следует из опыта, микрообъекты отнюдь не являются элементарными бесструктурными образованиями. Они обладают разнообразными свойствами, и более того, существует определенная иерархия микрообъектов: молекулы, атомы, ядра, нуклоны, элементарные частицы. Таким образом, неделимость кванта действия приводит с неизбежностью к требованию целостности микросистем, чуждому классической физике.

2.4.2. Принцип причинности

Классическая физика основывается на следующем понимании причинности: состояние механической системы в начальный момент времени с известным законом взаимодействия частиц есть причина, а ее состояние в последующий момент времени – следствие.

Известны простая причинно-следственная связь: одна причина – одно следствие; сложные причинные связи: несколько причин – одно следствие; одна причина – несколько следствий; прямые и опосредованные причинно-следственные отношения. Различают взаимодействие: явление-причина испытывает обратное действие со стороны собственного действия. Дальнейшее развитие причинно-следственных отношений – учет условий, поводов, причинных оснований.

В вопросах природы причинности в настоящее время произошла реабилитация схоластики и аристотелизма.

Открытие Макса Планка, предложившего рассматривать излучение абсолютно черного тела не как непрерывный процесс, но как сумму дискретных актов излучения послужило основанием для создания квантовой механики. Уже в самом термине «квант» было нечто от схоластического «quantitas» (количество). Вскоре после открытия Планка событийность восторжествовала над процессуальностью в биологии в результате рождения генетики и теории наследственности Грегори Менделя: в итоге было предложено рассматривать «процесс» эволюции как связанный с последовательностью элементарных квантовых событий – мутаций.

А. Эйнштейн предложил свою знаменитую формулу, определяющую связь между массой и энергией. Вскоре стало ясно, что в природе возможны превращения одних элементарных частиц в другие.

Поль Дирак уже выдвинул гипотезу о существовании античастиц, которые, взаимодействуя с частицами, антиподами которых они являются, превращались в другие частицы – световые кванты, не обладающие массой покоя. При взаимодействии частицы и античастицы вся их суммарная масса покоя превращалась в квантованную энергию. Этот вид взаимодействий получил название аннигиляции.

События, связанные с превращениями элементарных частиц, оказались непредсказуемыми. Здесь реализуется та многовариантность, о которой робко задумывался еще Фома Аквинский, когда ставил вопрос, может ли быть источником непредсказуемости то, что материя сама по себе безразлична к принятию той или иной формы. Само существование нестабильных частиц вернуло смысл казавшимся нелепыми рассуждениям схоластов, например, Суареса о длительности существования формы. В итоге физика элементарных частиц, по крайней мере, отчасти, «реабилитировала» три положения схоластики:

1. Элементы, из которых создан мир, состоят из материи и формы (энергии и специфических свойств: заряд, импульс, спин и т.п.);

2. Мир элементарных превращений событиен;

3. Форма может характеризоваться длительностью существования. К этим трем положениям, известным на метафизическом уровне еще схоластам, физика элементарных частиц добавила еще два положения, которые схоласты считали справедливыми лишь в духовном мире:

1. Не все события предсказуемы («в начале было слово», «первое слово – дороже второго»);

2. Материя обладает определенной свободой в выборе различных форм. Оставался невыясненным вопрос о «локальном движении». На этот вопрос ответила квантовая механика, определив, элементарный квант действия или минимальное действие, возможное в природе равное постоянной Планка (h). Квантовая механика «событийна», а не «процессуальна», и более того, события в квантовой механике не имеют ближайшей производящей причины. С позиций событийного видения мира роль флуктуаций, в конечном счете, играют именно единичные непредсказуемые квантовые события, для которых характерна многовариантность . Разумеется, в большинстве случаев уравнения классической механики с достаточной точностью описывают поведение макросистем в устойчивом и равновесном состоянии. Но если сами эти уравнения указывают на неустойчивость макросистемы, то в игру вступают так называемые «ничтожно малые флуктуации», и если эти флуктуации действительно достаточно малы, то они суть не что иное, как квантовые явления.

То же самое можно, рассуждая по аналогии, сказать и о социуме. Мы далеки от того, чтобы утверждать, что поведение больших групп людей всегда непредсказуемо. Здесь, как и в любом другом случае, когда взаимодействует достаточно большое число объектов, действуют статистические законы, а также могут быть применены критерии, определяющие устойчивость или неустойчивость системы. Если система устойчива, поведением отдельных людей можно пренебречь, подобно тому, как при описании устойчивых макрообъектов мы пренебрегаем квантовыми эффектами. Но если социальная система неустойчива, то роль дестабилизирующих флуктуаций в ней всегда будет играть непредсказуемое поведение отдельных людей, наделенных свободой воли. Именно свобода воли отдельного человека будет тогда причиной многовариантности и непредсказуемости поведения социальной макросистемы. Таким образом, мы можем сделать следующий вывод: самоорганизация как свойство неравновесной системы устремляться к одному из устойчивых состояний и связанная с ней многовариантность и непредсказуемость ее поведения, есть прорыв законов квантового мира в область мира классического; в случае, когда такой прорыв имеет место, классическая система характеризуется той же непредсказуемостью и многовариантностью, которая присуща квантовым объектам. Аналогично, самоорганизация в социальных группах есть свойство социальной системы, находящейся в состоянии нестабильности, устремляться к одному из возможных устойчивых состояний; возникающая при этом многовариантность может быть объяснена как прорыв личного в область социального; поведение социальной системы характеризуется той же непредсказуемостью и многовариантностью, которая присуща свободной воле отдельного человека.

Одним из важных понятий теории динамических систем стало понятие бифуркации. Событийное прочтение бифуркаций таково: в каждой точке бифуркации система как бы обретает новую форму, новую структуру. Еще более естественным выглядит событийное истолкование некоторых «маршрутов» перехода к хаотическому поведению. Бифуркации, за которыми стоят флуктуации, делают движение необратимым. Система превращается в исторический объект, так как ее дальнейшая эволюция зависит от того, по какому маршруту она пошла в точке бифуркации.

Каков наш мир: событиен ли он или процессуален, и каковы причины наблюдающейся в нашем мире необратимости и многовариантности? Вывод, таков: мир событиен, событиям внутренне присуща многовариантность, отсутствие жесткого детерминизма делает невозможным обратить события вспять, что делает наш мир необратимым.

2.4.3. Необратимость – неустранимое свойство реальности .

Стрела времени

На существование парадокса времени было обращено внимание почти одновременно с естественнонаучной и философской точек зрения в конце XIX века. В работах философа Анри Бергсона время , или «длительность», играют главную роль при обсуждении взаимоотношений между человеком и природой, а также пределов науки. Наука успешно развивалась только в тех случаях, когда ей удавалось свести происходящие в природе процессы к монотонному повторению. Но всякий раз, когда наука пыталась описывать созидающую силу времени, возникновение нового, она неизбежно терпела неудачу. Согласно Бергсону, наше понимание природы должно опираться не на объекты, выделенные наукой вследствие их повторяющегося временного поведения, а на наш субъективный собственный опыт, который является в первую очередь и по большей части опытом длительности и творчества. Проблема времени была частью нового осознания становления как фундаментальной категории умопостигаемости .

В XIX веке возникли две концепции времени . Одна из них восходит к динамике, другая – к термодинамике . С точки зрения классической динамики время отнюдь не означает становления. Возникло противоречие теорий: обратимые во времени законы динамики против второго начала термодинамики, связанного с необратимой эволюцией к равновесию. Из классической динамики вытекает отрицание стрелы времени. Принцип, которым руководствовались Галилей, Гюйгенс был явно сформулирован Лейбницем, который назвал его «принципом достаточного основания». Этот принцип утверждает, что в природе «полная» причина любого превращения эквивалента его «полном» следствию. До Больцмана принцип достаточного основания традиционно приравнивался детерминистической связи между причиной и следствием. Эквивалентность между причиной и следствием, требуемая принципом достаточного основания , является важнейшим исходным пунктом.

Обратимых процессов в мире не бывает. Мы живем в «невероятном» мире, и «стрела времени», указывающая на различия между прошлым и будущим – следствие из этого факта. Почему все выглядит так, будто одна единственная стрела времени управляет всем наблюдаемым миром? Открытие самоорганизации, детерминированного хаоса указывают направление науки с ориентированным временем, свободной от парадокса времени, квантового парадокса и космологического парадокса.

Пространство и время в греческой натурфилософии

Наиболее видные представители античного естествознания – Демокрит и Аристотель – высказали следующие суждения о пространстве и времени.

Демокрит считал, что все природное многообразие состоит из мельчайших частиц материи – атомов, которые двигаются в пустом пространстве. Поэтому атомы и пустота являются первоначалами мира, и пустота — это особый род бытия. Пустое пространство Демокрита – арена действия атомов, некий «ящик», в котором они заключены и который может существовать независимо от атомов. пространство является бесконечным, и атомы двигаются в нем бесконечное время. Наряду с бесконечным пространством атомисты рассматривали и дискретные единицы пространства – амеры, которыми характеризовали пространственный минимум, занимаемый минимумом материи – атомом.

Таким образом, у Демокрита мы сталкиваемся с двумя пространствами: непрерывным физическим пространством как вместилищем материи в целом и дискретным пространством как масштабной единицей протяженности единицы материи – атома.

В соответствии с атомической концепцией пространства Демокрит решал и вопросы о природе времени и движения. В дальнейшем они были развиты Эпикуром , который исходил из дискретного характера пространства и времени. Рассматривая равномерное движение, Эпикур считал, что в процессе перемещения атомы проходят один «атом» пространства за одни «атом» времени.

Аристотель больше внимания уделял анализу существования времени, затем трансформировал его в вопрос о существовании делимого времени. Наконец, уделяя основное внимание взаимосвязи времени и движения, он показал, что время немыслимо, не существует без движения. Аристотель указывал, что понятие времени вырабатывалось в результате наблюдений реальных процессов:

«…мы время распознаем, когда разграничиваем движение, определяя предыдущее и последующее, и тогда говорим, что протекло время, когда получим чувственное восприятие предыдущего и последующего в движении».

В другом месте он говорит, что «мы не только измеряем движение временем, но и время движением, вследствие их взаимного определения, ибо время определяет движение, а движение – время».

Аристотель не отрывал время от процессов, происходящих в реальных телах.

Что касается понятия пространства, то Аристотель также отмечал неразрывную связь движения и пространства. Он нащупывает связь между пространственными и материальными отношениями: пространственные отношения – это материальные отношения, если нет материальных тел – нет и пространства. И если у атомистов пустое пространство является вместилищем материальных атомов, то у Аристотеля «пустоты быть не может».

Позже математическая теория пространства была развита другим древнегреческим ученым Евклидом (Евклидова геометрия), которая в дальнейшем была широко использована многими поколениями ученых при построении физических картин мира.

Пространство и время в классической физике

Идеи Демокрита, приписывающего пустоте особый род бытия, были развиты и в наиболее полной форме воплощены в ньютоновских понятиях абсолютного пространства и абсолютного времени. Согласно Ньютону, абсолютные пространство и время представляют собой самостоятельные сущности, которые не зависят ни друг от друга, ни от находящихся в них материальных объектов и протекающих в них процессов.

И. Ньютон следующим образом определяет абсолютные пространство и время в своих «Началах»: .. .Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и недвижимым.

Пространство и время в специальной теории относительности (СТО)

В специальной теории относительности А. Эйнштейна выявилась взаимозависимость пространственных и временных характеристик объектов, а также их зависимость от скорости движения относительно определенной системы отсчета.

Коренным отличием СТО от предшествующих теорий является признание пространства и времени в качестве внутренних элементов шмжения материи, структура которых зависит от природы самого движения и является его функцией.

Рассматривая относительность длин и промежутков времени, А. Эйнштейн приходит к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла: «Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы, движущейся относительно данной».

В связи с этим возникла необходимость преобразований координат (положения тел) и времени от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой. Из этих преобразований вытекает отрицание неизменности протяженности и длительности, величина которых зависит от движения системы отсчета.

Выяснились относительность длины и временного промежутка, равноправность пространства и времени, инвариантность пространственно-временного интервала.

Важный вклад в понятие «равноправности» пространства и времени внес Г. Минковский . Он показал органическую взаимосвязь пространства и времени, которые оказались компонентами единого четырехмерного континуума (три пространственных координаты и одна временная). С этой точки зрения разделение пространства и времени не имеет смысла. В соответствии с СТО статусом самостоятельной субстанции природы является единое четырехмерное пространство-время.

Пространство и время в общей теории относительности (ОТО)

Еще более сложную связь, по сравнению с СТО, между пространством и временем, с одной стороны, и движением и материей (массой вещества) – с другой, была установлена А. Эйнштейном в рамках созданной им общей теории относительности (ОТО).

Оказалось, что наличие в пространстве материальных тел (масс тел) приводит к изменению структуры пространства и оно искривляется. Поэтому для пространственно-временного описания событий в ОТО необходима другая геометрия пространства – неевкли дова геометрия. При разработке ОТО А. Эйнштейн положил основу геометрию искривленного пространства, разработанную ранее немецким математиком Б. Риманом .

Таким образом, в ОТО А. Эйнштейн доказал, что структура четырехмерного пространства-времени определяется распределением масс материи. Сам А. Эйнштейн так определил суть ОТО: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе в вещами исчезли бы пространство и время.

Следует подчеркнуть, что в ОТО находит наиболее полное воплощение современное представление о пространстве и времени как формах существования материи.

Общая теория относительности – это теория тяготения, теория гравитационного поля. Ее законы проявляются в основном в космических масштабах. Новые свойства искривленного пространства-; времени поставили целый ряд новых вопросов и проблем в космо логии и космогонии. Это, например, вопросы однородности и изотропности в искривленном пространстве, вопросы конечности бесконечности Вселенной и ряд других.

Пространство и время в физике микромира

Еще более углубились представления о пространстве и времени в связи с изучением микромира квантовой механикой и квантовой теорией поля, выявившими тесную связь структуры пространства-времени с материей.

Например, по-иному следует понимать пустоту — вакуум. В квантовой электродинамике вакуум является сложной системой виртуально рождающихся и поглощающихся фотонов, электронно-позитронных пар и других частиц. На этом уровне вакуум рассматривается как особ ый вид материи — как поле в состоянии с минимально возможной энергией. Квантовая электродинамика впервые наглядно показала, что пространство и время нельзя оторвать от материи, что так называемая пустота (вакуум) — это одно из состояний материи.

Квантовая механика была применена к вакууму, и оказалось, что минимальное состояние энергии не характеризуется ее нулевой плотностью. Минимум ее оказался равным уровню осциллятора 0,5 hν .

Допустив скромные 0,5 hν для каждой отдельной волны, — пишет известный академик физик-ядерщик Я. Зельдович, — мы немедленно с ужасом обнаруживаем, что все волны вместе дают бесконечную плотность энергии.

Эта бесконечная плотность энергии пустого пространства таит в ебе огромные возможности, которые еще предстоит освоить физике.

Продвигаясь вглубь материи, там, где определяющую роль играют глюоон-кварковые взаимодействия, становятся совершенно иными пространственно-временные понятия. Специфике микромира не соответетствуют обыденные представления о соотношении части и целого, нарушается пространственная и временная четность, т.е. правое и иное пространственные направления оказываются неэквивалентными. Все эти и многие другие особенности пространства и времени в микромире являются фундаментальными проблемами современной теоретической физики.

2.4.4. Современные взгляды на пространство и время

Ранее мы выяснили, какие из свойств пространства и времени являются универсальными (всеобщими), а какие – специфическими (их всеобщность не доказана). Отнесение к специфическим характеристикам некоторых свойств пространства и времени еще не означает, что где-то опытным путем найдены исключения. Однако логика стремительного развития естествознания последнего столетия свидетельствует о том, что подобные открытия возможны.

Существуют веские основания считать, что на глубинных уровнях микромира пространство и время прерывны и подобно материи квантованы», т.е. складываются из неделимых «порций». Прогнозируемый квант пространства может иметь размер порядка 10^–33 см (порядка планковской длины, характеризующей масштаб проявления квантовых свойств), но до реального проникновения в мир таких масштабов современной науке еще далеко.

Немало сомнений возникает и по поводу универсальности пространства, насчитывающего только три измерения, поскольку построены теоретические модели многомерных пространств (в теории супергравитации, например, использовано одиннадцать измерений; пространства-времени).

То же самое можно сказать и о времени. Сейчас уже не считается универсальной характеристикой однонаправленность времени от прошлого к будущему. Так, в модели «пульсирующей Вселенной» предполагается, что ныне наблюдаемое расширение Вселенной может при определенных условиях смениться сжатием. А в описывающих эту фазу ее эволюции математических уравнениях время сменит свой знак с положительного на отрицательный, т.е. как бы «потечет вспять». Имеется и целый ряд других парадоксальных, с нашей точки зрения, явлений.

Универсальные же свойства пространства и времени экспериментально подтверждены более надежно. Специальная теория относительности объединила пространство и время в единое четырехмерное пространственно-временное многообразие (пространство-время). Кроме того, СТО установила зависимость свойств пространства-времени от скорости движения тел.

Общая теория относительности (ОТО) привела к не менее фундаментальному выводу относительно пространства-времени. Его общий смысл таков: метрические свойства пространства-времени определяются распределением и движением тяготеющих масс материи, и наоборот, силы тяготения в каждой точке пространства зависят от: его метрики. Таким образом, пространство и время существуют «сами по себе», а в тесной зависимости от свойств материи.

2.5. Принципы относительности

2.5.1. Принцип относительности в классической механике

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности для механического движения, впервые установленный Г. Галилеем и окончательно сформулированный в механике И. Ньютоном. Для его понимания потребуется ввести понятие системы отсчета, или координат.

Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называется системой отсчета и с которым может быть жестко связана система координат. Таким образом, механическое движение тогда относительно, и его описание зависит от того, по отношения к какой системе координат оно рассматривается.

Среди систем отсчета особо выделяются инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, либо равномерном и прямолинейном движении.

Смысл принципа относительности Галилея заключается в том, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической механики имеют одинаковую математическую форму записи.

По существу, это означает, что из совокупности инерциальных систем невозможно выделить какую-либо одну преимущественную систему. Например, на судне, движущемся равномерно, тело, выпущенное из рук, падает вертикально вниз независимо от того, стоит судно или движется; вода, налитая в сосуд, на движущемся судне, как и в покое, имеет горизонтальную поверхность; на движущемся корабле при выстреле пуля летит столько же времени от носа к корме, сколько от корме к носу, и т.д.

Для описания механических движений в разных инерциальных системах координат обычно пользуются так называемыми преобразованиями Галилея, которые выражают связь координат материальной точки в условно движущейся (х', у', z ' ) со скоростью V в момент времени t и условно неподвижной (x , y , z ) системах координат

Очевидно, что координаты точки А в движущейся системе (х', у', z ' ) связаны с координатами этой же точки в неподвижной системе (х, y , z ) следующими соотношениями х' = x - Vt ; у' = у, z ' = z .

В классической механике, например, закон сложения скоростей выглядит следующим образом. Пусть материальная точка А движется в системе координат х', у', z ' со скоростью U , а сама система координат (х', у', z ') движется со скоростью V относительно системы координат (х, у, z ). Тогда в системе координат ( x , y , z ) точка А будет двигаться со скорость W = U + V . Действительно, по определению скорость U =

х = х ± Vt (преобразование Галилея).

Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной инерциальной системы к другой такие величины, как координаты тела, скорость, импульс, кинетическая энергия, изменяются. А такие величины, как время, масса, ускорение, сила, и, следовательно, все законы Ньютона, при подобных преобразованиях остаются неизменными, т.е. инвариантными. Это и отражено в механическом: принципе относительности Галилея.

2.5.2. Специальная теория относительности

После создания электродинамики, доказавшей существование в природе еще одного вида материи – электромагнитного поля, которое математически описывается системой уравнений Максвелла, возник естественный вопрос: распространяется ли принцип относительности Галилея на электромагнитные явления, т.е. сохраняется ли вид уравнений Максвелла при рассмотрении их в различных инерциальных системах координат. Оказалось, что если воспользоваться преобразованиями координат Галилея, то вид уравнений Максвелла не сохраняется. Это приводило к далеко идущим выводам, в частности, к фундаментальному выводу о том, что законы; движения двух материальных субстанций – вещества и поля – существенно различны. В виду важности этого обстоятельства начался период длительного и всестороннего рассмотрения данного вопроса, как в части экспериментального подтверждения такого заключения, так и в части анализа уравнений Максвелла.

Одно из направлений исследований уравнений Максвелла, проведенных Лоренцем, показало, что можно формально добиться сохранения вида уравнений Максвелла при переходе от одной (х,у, z , t ) к другой (х', y ', z ', t ') инерциальной системе координат, если преобразование координат и времени произвести в соответствии со следующей схемой, которую сейчас называют преобразованиями Лоренца:

В дальнейшем оказалось, что соотношения Лоренца на самом деле имеют очень глубокое физическое содержание, а вначале преобразования Лоренца только вызвали целый ряд недоуменных вопросов. Например, из формул Лоренца следовало, что:

1) пространственные и временные преобразования не являются независимыми: в преобразование координат входит время, а в преобразование времени – координаты, что было совершенно непонятно;

2)время в разных системах координат течет по-разному.

Все возникшие противоречия разрешил А. Эйнштейн, создав специальную теорию относительности. Он выдвинул новую радикальную идею о связи пространства и времени. Найденное Эйнштейном решение проблемы потребовало отказа от прежних представлений о том, что пространство и время – совершенно различные и не связанные друг с другом понятия. С точки зрения Эйнштейна, реальный мир представляет собой не трехмерное, а четырехмерное пространство, поскольку оно также должно включать время, так как пространственные и временные координаты неразрывно связаны друг с другом и равноправны, образуя четырехмерное пространство-время.

Затем анализ принципа относительности Галилея привел А. Эйнштейна к выводу, что этот принцип является одним из фундаментальных законов, который применим не только к механическим, но и к любым другим явлениям природы – тепловым, электромагнитным, оптическим и т.д. В результате Эйнштейн сформулировал два постулата, легшие в основу специальной теории относительности:

1. Принцип относительности, который гласит, что в любой инерциальной системе все физические законы описываются одинаковым образом.

2. Принцип постоянства скорости света, утверждающего, что во всех инерциальных системах скорость света с одинакова и равна с= 10⁸ м/с.

Первый принцип, по сути, распространяет принцип относительности Галилея для законов механики на законы электродинамики.

Второй принцип основан на уже достаточно хорошо установленном экспериментальном факте постоянства скорости света независимо от характера относительного движения источника и приемника света.

Специальная теория относительности Эйнштейна привела к необходимости пересмотра всех фундаментальных понятий естествознания – пространства и времени, материи и движения. Оказалось, что: с увеличением относительной скорости уменьшаются линейные размеры тел вдоль направления движения и увеличивается масса по законам:

где L ₀ и М₀ – линейные размеры и масса тела в состоянии покоя.

Независимость скорости света ни от направления распространения, ни от скорости источника ставит точку в спорах относительно существования «мирового эфира», возмущениями которого являются электромагнитные волны. Таким образом, инвариантность скорости света является существенным подтверждением принципа относительности.

Установлена новая фундаментальная связь между энергией массой материальных тел, выражающаяся соотношением Е = тс² .

Из СТО, как видно, следует, что время, линейные размеры и масса тел являются относительными. Их величина зависит от того, в какой инерциальной системе координат мы их рассматриваем.

Оказывается, время в разных системах отсчета течет по-разному, а это значит, промежуток времени между какими-либо двумя событиями будет зависеть от выбора системы координат, и, следовательно, события, одновременные в одной инерциальной системе координат, будут не одновременными в других системах отсчета.

Как и в механике Ньютона, в СТО считается, что пространстве однородно и изотропно, а время однородно. Но если в механике Ньютона пространство и время не были связаны между собой, то в СТО они оказываются взаимосвязанными, образуя единое четырехмерное пространство-время.

Одно из следствий СТО – новый (по сравнению с классической механикой) закон сложения скоростей. Основанная на инвариантности скорости света специальная теория относительности приводит к интересным результатам, которые подтверждаются практикой. Прежде всего, это «парадокс близнецов», а также тот факт, что скорость сигнала, несущего информацию, не может превышать скорость света.

Из закона сложения скоростей следует, что если скорость света в какой-либо системе координат равна с, то она будет такой же и ппюсительно любой другой инерциальной системы координат. Действительно, если У_х =с и F₀ =c, то V_x >с, т.е. при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света. Таким образом, скорость света является максимально возможной скоростью в природе.

Из приведенных соотношений относительно длины, времени, массы видно, что эффекты СТО могут быть заметны только при скоростях, близких к скорости света, если же V , т.е. V /с «1, то так называемые релятивистские эффекты становятся малы, ими можно пренебречь и тогда релятивистская механика Эйнштейна переходит в классическую механику Ньютона.

В заключение следует подчеркнуть, что все выводы СТО в настоящее время нашли полное экспериментальное подтверждение.

2.5.3. Общая теория относительности

В СТО законы формулируются для инерциальных систем, движущихся с постоянной скоростью. В ОТО рассматриваются любые системы отсчета, в том числе и движущиеся с ускорением. Таким образом, ОТО обобщила СТО также на ускоренные системы. Главное приложение ОТО нашла в изучении движения ускоренных тел в гравитационных полях. Иногда ОТО называют теорией тяготения, или гравитации, поэтому она нашла наибольшее применение в вопросах космогонии.

Из ОТО был получен ряд важных выводов:

1) свойства пространства-времени зависят от движущейся материи, в частности от массы тел. вблизи, тел, обладающих значительной массой, пространство-время искривляется, так что в гравитационном поле распределенных масс пространство становится неевклидовым, а ход времени вблизи тел замедляется;

2) луч света должен искривляться в поле тяготения;

3) частота света в результате действия поля тяготения дол: изменяться. В результате этого эффекта линии солнечного света, под действием гравитационного поля Солнца должны смещаться в сторону красного спектра по сравнению со спектрами соответсвующих земных источников.

Все это было настолько принципиально ново, что для утверждения ОТО нужна была ее тщательная экспериментальная проверка.

Вскоре нашло подтверждение отклонение луча света в гравитационном поле Солнца, которое было обнаружено во время солнечного затмения 29 мая 1919 г. в полном согласии с предсказанием ОТО.

Красное смещение в спектрах небесных тел также было обнаружено в 1923—1926 гг. при изучении Солнца, а в 1925 г. — при наблюдении спектра спутника Сириуса.

Экспериментальное подтверждение выводов ОТО явилось ее триумфом. ОТО произвела переворот в космологии. На ее основе появились различные модели Вселенной.

2.6. Принципы симметрии и законы сохранения

2.6.1. Симметрия: понятие, формы и свойства

Понятие симметрии. Как известно, в физике имеется целый ряд законов сохранения, например закон сохранения массы вещества, энергии, количества движения, момента количества движения, электрического заряда.

Законы сохранения в науке играют особую роль. Они отражают стабильность природы. Закон сохранения энергии обусловливает постоянство энергии, закон сохранения импульса определяет незыблемость движения, неуничтожимость поступательного движения, закон сохранения момента импульса – незыблемость вращательного движения, закон сохранения электрического заряда – кулоновское взаимодействие, которое, наряду с гравитационным, слабым и сильным взаимодействиями, определяет структуру мира. Поэтому принципиально важно знать причину появления в физике этих законов.

В математике известен целый ряд так называемых инвариантных преобразований (например, в механике – преобразования Галилея, в электродинамике – преобразования Лоренца). В результате инвариантных преобразований Галилея сохраняются законы механики Ньютона, а в результате преобразований Лоренца в электродинамике сохраняется вид уравнений Максвелла в различных инерциальных системах координат

Во всех перечисленных случаях – различного рода физических процессах и математических преобразованиях – некоторые ветчины или параметры остаются неизменными. Оказывается, что тем законам в физике или преобразованиям в математике соответствует некоторая симметрия.

С другой стороны, установление некоторой симметрии в физике и математике ведет к установлению новых законов сохранения или инвариантных преобразований. Поэтому выявление и установление симметрии – одна из наиболее эффективных методологических основ открытия новых законов сохранения в природе. Особенно успешно подобный путь познания законов сохранения используется в области изучения физики микромира, физики элементарных частиц, где исследования прямыми методами затруднены в силу малых размеров физических объектов.

В связи с исключительной важностью принципов симметрии рассмотрим подробнее, что понимается под симметрией и почему она играет столь важную роль в современной науке. Что же такое симметрия?

Симметрия (от греч. – соразмерность) в широком смысле – инвариантность (неизменность) структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований.

Согласно современным представлениям, симметрию можно определить примерно так: симметричным называется такой предмет, который можно как-то изменять, получая в результате то же, с чего начали (Р. Фейнман).

Таким образом, симметрия предполагает неизменность объекта (каких-либо свойств объекта) по отношению к каким-либо преобразованиям или операциям, выполняемым над объектом.

Понятие симметрии имеет определенную «структуру», состоящую из трех факторов:

1) наличие объекта или явления, симметрия которого рассматривается;

2) процедура изменения (преобразования), по отношению к которому рассматривается симметрия;

3) установление инвариантности (неизменности, сохранения) каких-либо свойств объекта, выражающей рассматриваемую симметрию.

Подчеркнем, что инвариантность существует не сама по себе, не вообще, а лишь по отношению к определенным преобразованиям. С другой стороны, изменение (преобразование) представляет интерес постольку, поскольку что-то при этом сохраняется. Иными словами, без изменений не имеет смысла рассматривать сохранение, равно как без сохранения исчезает интерес к изменениям.

Формы симметрии . Симметрия выражает сохранение чего-либо каких-либо изменениях, другими словами, сохранение чего-либо, несмотря на изменения. Таким образом, понятие симметрии основывается на на диалектике сохранения и изменения. В физике общепринято выделять две формы симметрии: геометрическую и динамическую.

Симметрии, выражающие свойства пространства и времени, относят к геометрической форме симметрии.

Примерами геометрических симметрии являются: однородное пространства и времени, изотропность пространства , пространственная четность, эквивалентность инерциальных систем отсчета.

Симметрии, непосредственно не связанные со свойствами простран ства и времени, выражающие свойства определенных физических взаимодействий, относят к динамической форме симметрии.

Примерами динамических симметрии являются симметрии электрического заряда. Вообще говоря, к динамическим симметриям относят симметрии внутренних свойств объектов и процессов. Так что геометрические и динамические симметрии можно рассматривать как внешние и внутренние симметрии.

К основным формам геометрической симметрии, прежде всего, относятся:

1) зеркальная симметрия (симметрия отражения);

2) поворотная симметрия (центральная симметрия);

3) трансляционная симметрия (симметрия повторения).

Зеркальной называют симметрию, имеющую плоскость, линию, или временной раздел двух совершенно одинаковых относительно, друг друга частей одного целого (например, цветной узор крыльев бабочки).

Поворотная симметрия предполагает наличие некоторого центра, относительно которого происходит многократный поворот одного итого же структурного фрагмента. В зависимости от повторяющегося кругового сектора а (в угловых градусах) определяется порядок поворотной симметрии п. Например, для снежинки с α = 60° порядок поворотной симметрии п = 6.

Трансляционной симметрией называется многократное повторение одного и того же фрагмента структуры в пространстве или во времени. Примером трансляционной симметрии может служить любой орнамент.

Примером симметрии в неживой природе являются кристаллические структуры твердых тел. В 1890 г. русский ученый Фёдоров описал все возможные сочетания элементов в пространстве, причем доказал, что таких пространственных групп симметрии – 230. Используя математический аппарат, Фёдоров как бы пересчитал все возможные пространственные решетки задолго до того, как с помощью рентгеноструктурного анализа была подтверждена истинность этих расчетов.

Свойства симметрии . Особое внимание к вопросам симметрии было привлечено после того, как немецкий математик Э. Нётер сформулировала в 1918 г. фундаментальную теорему теоретической физики, установившую связь между симметрией свободного пространства, симметрией времени и законами сохранения в механике.

Пространство можно считать свободным, если вблизи нет тел большой массы. Таковым является пространство на значительном расстоянии от Земли и других планет и звезд.

Важным свойством свободного пространства являются однород ность и изотропность . Под однородностью пространства понимают тот факт, что в этом пространстве нет особых точек, обладающих особыми свойствами. Из однородности пространства вытекает закон сохранения импульса, из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.

Под однородностью времени понимается тот факт, что любые явления, происходящие в разное время, но при одних и тех же условиях, протекают совершенно одинаково. Из этого утверждения вытекает закон сохранения энергии.

Важным подтверждением универсальной значимости законов сохранения является то, что они вытекают из самых общих представлений о симметрии, с одной стороны, а также законов движения и взаимодействий – с другой.

В частности, Э. Нётер при доказательстве своей знаменитой теоремы провела исследование широко используемого в аналитической механике интеграла действия:

где L ( q , q , t ) – функция Лагранжа, с помощью которой описывается неко­торая система; q , q , t – соответственно обобщенные координаты (скорости) и время. В соответствии с вариационным принципом действие S имеет экстремум вблизи истинной траектории, вариация действия вдоль истинной траектории остается неизменной, т.е. δS = 0. Вариации действия δS зависят от вариации времени δ t и вариации координат δq . Дифференцируя подинтегральное выражение по t и q и приравнивая его к нулю, поскольку δS = 0, имеем сумму двух дифференциалов

Если рассматривать только изменение по времени, то получим, что энергия системы (выраженная через функцию Лагранжа и ее производные) есть величина постоянная. Тем самым симметрии преобразования времени следует закон сохранения механической (кинетической плюс потенциальной) энергии.

Если преобразование не затрагивает времени (δ t = 0), а учитывается только однородный пространственный сдвиг (δq = 0), то получим в качестве сохраняющейся величины вектор импульса материальной системы (который следует из преобразованной функции Лагранжа). Аналогично выводится закон сохранения момента импульса. Кроме того, во всех процессах, происходящих в мире элементарных частиц, выполняется также закон сохранения электрического заряда. Принцип симметрии, лежащий в основе этого закона сохранения, оказывается более тонким, нежели рассмотренные выше симметрии физических законов относительно пространственно-временных преобразований, выражающихся в виде законов сохранения энер гии, импульса, момента импульса.

Закон сохранения электрического заряда является следствием так называемой калибровочной инвариантности . Калибровочная инвариантность – один из важнейших принципов теории поля. Можно показать, что если записать интеграл действия S для системы «заряд– поле» и провести калибровочное преобразование, то действие остается неизменным, а вариация действия будет равна нулю, если заряд является постоянной величиной.

Инвариантность действия при преобразовании калибровки будет иметь место при условии сохранения заряда, т.е. симметрия калибровочного преобразования полей напрямую связана с законом сохранения заряда. Эта общая закономерность справедлива для полей любого характера.

Исследование реакций с участием элементарных частиц и античастиц и процессов их распада привело к открытию некоторых новых свойств симметрии, в том числе симметрии относительно зарядового сопряжения. Если в уравнении какой-либо реакции каждую частицу заменить на античастицу, то получится уравнение, описывающее новую реакцию. Эта операция называется зарядовым сопряжением.

Еще большее значение симметрия играет в квантовой механике. Если здесь установлен принцип какой-либо симметрии, то окажется, что он всегда позволяет вывести соответствующий закон сохранения.

Возникает вопрос, почему симметрия играет такую исключительную роль в установлении законов сохранения, какое значение она имеет в отражении свойств самой природы. Для этого необходимо обратиться к истории изучения вопроса о симметрии в природе.

2.6.2. Принципы симметрии и законы сохранения

Что такое симметрия? Слово это греческое и переводится как «соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей». Часто проводятся параллели: симметрия и уравновешенность, симметрия и гармония, симметрия и совершенство. Согласно современным представлениям, симметрию можно определить примерно так: «Симметричным называется такой предмет, который можно как-то изменять, получая в результате то же, с чего начали» Таким образом, симметрия предполагает неизменность объекта (каких-то свойств объекта) по отношению к каким-нибудь преобразованиям, каким-нибудь операциям, выполняемым над объектом.

Молекулы, из которых построены живые организмы, зеркально асимметричны, т.е. киральны. – от греческого «кир», что означает «рука». Специфика живой материи – киральная чистота молекул.

Возникновение жизни обусловлено нарушением существовавшей до того зеркальной симметрии, образованием кирально чистых молекул, в виде Большого своеобразного биологического взрыва. Это была бифуркация, акт самоорганизации материи.

Понятие симметрии имеет определенную «структуру» состоящую из трех факторов: объект или явление, симметрия которых рассматривается; изменение (преобразование), по отношению к которому рассматривается симметрия; инвариантность (неизменность, сохранение) каких-то свойств объекта, выражающая рассматриваемую симметрию. Инвариантность существует не сама по себе, не вообще, а лишь по отношению к определенным преобразованиям. С другой стороны, изменения (преобразования) представляют интерес постольку, поскольку что-то при этом сохраняется. Иными словами, без изменений не имеет смысла рассматривать сохранение, равно как без сохранения исчезает интерес к изменениям. Симметрия выражает сохранение чего-то при каких-то изменениях или, иначе, сохранение чего-то, несмотря на изменения.

Необходимо отметить взаимное влияние друг на друга одновременно происходящих необратимых процессов. Существует принцип симметрии Кюри, который гласит: «Если условия, однозначно определяющие какой-либо эффект, обладают некоторой симметрией, то результат их действия не нарушит эту симметрию». Поэтому формально все неравновесные процессы разделяют на скалярные (химические реакции), векторные (теплопроводность, диффузия) и тензорные (вязкое трение). В соответствии с принципом симметрии величины разных размерностей не могут быть связаны друг с другом. Так скалярная величина (химическое сродство) не может вызвать векторный поток (теплопроводность).

«Закон есть идентичное в явлениях». Предположим, что берем провод с некоторым определенным сопротивлением, прикладываем электрическое напряжение и наблюдаем явление – по проводнику течет ток. Можно многократно наблюдать данное явление – с разными проводами, сопротивлениями, гальваническими элементами. И всякий раз будет иметь место нечто идентичное, нечто инвариантное – это нечто выражается законом Ома: I = V/R. Таким образом, в самом понятии закона заложена симметрия. Каковы свойства симметрии физических законов?

1) Симметрия по отношению к переносам во времени означает, что законы природы со временем не меняются. Симметрия физических законов относительно переносов во времени означает однородность времени, то есть все моменты времени физически равнозначны, любой из них может быть выбран в качестве начала отсчета.

2) Симметрия по отношению к переносам в пространстве означает, что законы природы не зависят от выбора места - они одинаковы в Москве и Вашингтоне. Имея в виду симметрию физических законов, говорят об однородности пространства, т.е. физической равнозначности всех точек пространства.

3) Симметрия по отношению к поворотам в пространстве означает, что в пространстве нет физически выделенных направлений – пространство изотропно.

4) Симметрия по отношению к переходу из одной инерциальной системы отсчета в другую есть не что иное, как сформулированный А.Эйнштейном принцип относительности.

5) Симметрия относительно зеркального отражения означает, что физические законы не меняются при замене левого на правое, а правого на левое.

Немецкий математик Эмми Нетер доказала теорему, сущность которой заключается в утверждении, что различным симметриям физических законов соответствуют определенные законы сохранения. Связь между законами сохранения и симметрией законов природы можно сформулировать следующим образом.

Закон сохранения энергии есть следствие однородности времени или, иначе говоря, следствие симметрии законов природы по отношению к переносам во времени. Энергия – физическая величина, сохранение которой обусловлено указанной симметрией.

Закон сохранения импульса есть следствие однородности пространства (следствие симметрии законов природы по отношению к переносам в пространстве). Импульс – физическая величина, сохранение которой связано с однородностью пространства.

Закон сохранения момента импульса есть следствие изотропности пространства (следствие симметрии законов природы по отношению к поворотам) Момент импульса – величина, сохранение которой связано с изотропностью пространства.

Трехмерность пространства предопределяет векторную природу импульса и момента импульса; законы сохранения этих величин – векторные законы. Одномерность времени предопределяет скалярную природу энергии и соответствующего закона сохранения.

Законы природы неинвариантны относительно, например, преобразования подобия, т.е. преобразования, связанного с изменением пространственного масштаба. Геометрический принцип подобия не применим к физическим законам. И.Пригожин описал процесс самоорганизации в неравновесных системах через нарушение симметрии в точках бифуркации.

2.6.3. Диалектика симметрии и асимметрии

С давних времен симметрия форм, наблюдаемых в природе, производила на человека сильное впечатление. Он видел в симметрии порядок, гармонию, совершенство, вносимые всемогущим творцом в изначальный хаос.

Убеждение в том, что симметрия есть не что иное, как проявление мудрости творца, просуществовало фактически вплоть до нашего столетия. Очарование симметрией, мистическое преклонение перед ней сменилось пониманием действительного содержания симметрии.

Современный взгляд на симметрию: идея сохранения, выявление общего в объектах или явлениях, ограничение числа возможных вариантов. Симметрия связана с сохранением. Она выделяет в нашем изменчивом, динамичном мире инварианты, своеобразные «опорные точки». Тем самым в мир вносится порядок.

Симметрия выделяет общее, как в объектах, так и в явлениях. Мир многообразен, но в то же время он един; в его разнообразных проявлениях присутствуют черты общности. Параллель симметрия-общее, связана с параллелью симметрия-сохранение – обе выходят на законы сохранения. Симметрия предопределяет необходимость: она действует в направлении сокращения числа возможных вариантов. Симметрия накладывает ограничения на разнообразие структур молекул и кристаллов. Возможны лишь те процессы, которые согласуются с законами сохранения. Например, закон сохранения энергии делает невозможным вечный двигатель, а закон сохранения импульса «не позволяет самого себя поднять за волосы».

Итак, с идеей симметрии органически связаны идеи сохранения, общности, тождества и необходимости. Реальный мир – это мир, основанный на симметрии и асимметрии.

Связь между симметрией и вероятностью можно усмотреть, из формулы в теории вероятности Шеннона. Симметричному состоянию соответствует меньшая информация. Можно утверждать, что с повышением симметрии состояния возрастает его энтропия. Большей симметрии соответствует большая вероятность.

Симметрия действует в направлении ограничения числа возможных вариантов поведения систем. Необходимость действует в том же самом направлении. Асимметрия действует в направлении увеличения числа вариантов; в том же направлении действует случайность, но случайности создают новые возможности, порождают новые альтернативы.

Сокращая число возможных вариантов, симметрия и необходимость вносят в мир порядок (это мы оцениваем положительно). В то же время симметрия и необходимость, сокращая число альтернатив, могут привести к безвыходной ситуации, завести в тупик, создать обреченность, потерять интерес к жизни (мы это оцениваем отрицательно). В подобных «тупиковых» ситуациях жизненно важна спасительная случайность, способная разрушить симметрию, создать неожиданный выход из тупика.

Создавая новые возможности, новые альтернативы, асимметрия и случайность обеспечивает развитие, способствуют творческому поиску, появлению новой информации (мы оцениваем это положительно). В то же время асимметрия и случайность вносят дезорганизацию, увеличивают степень беспорядка в мире (оцениваем отрицательно). Обилие альтернатив, разнообразных вариантов может стать чрезмерным – тогда на помощь приходит упорядочивание в лице симметрии и необходимости.

Так и живем, находясь под воздействием, с одной стороны, симметрии и необходимости, с другой – асимметрии и случайности, «жизнь прожить – не поле перейти» и не каждому одинаково удается лавировать между этих «двух огней».

Красота как путеводная нить к истине, «красота спасет мир?»

Красота – понятие туманное, однако нет сомнений в том, что именно она служит источником вдохновения ученых. В некоторых случаях, когда дальнейший путь не ясен, именно математическая красота и изящество ведут ученых к истине. Между наукой и искусством существует множество параллелей, которые сразу же бросаются в глаза. Подобно художникам, каждый ученый имеет свой неповторимый стиль. Представления ученых о том, какой должна быть хорошая научная теория, удивительно схожи с аналогичными воззрениями представителей искусства. Корректной считается та теория, которая предположительно допускает экспериментальную проверку.

Можно ли из этого сделать вывод, что по отношению к асимметричным условиям вообще не может быть законов и что законы действуют только при наличии симметричных условий? Нет, нельзя.

Следует признать истинным и другой вывод: асимметричности условий не исключает существования закономерностей. Не исключаем асимметричность условий и инвариантности законов. Обоснованность этого положения в том, что симметрия – не единственны источник инвариантности, что инвариантность законов обеспечива­ется теми связями, которые входят в их содержание.

Таким образом, изучение связи между симметрией, асимметрией и законом дает возможность более глубоко представить и содержание этих категорий, и их роль в нашем познании.

История формирования понятия «симметрия» в науке начиналась с понимания ее как «од­нородность, соразмерность, пропорциональность, гармония». Философское значение принципов симметрии воспринималось как наиболее общая форма выражения принципа детерминизма. Принцип причинности имеет симметрический аспект: симметрия причин сохраняется в симметрии следствий.

Использование понятия «симметрия» рационально в двух значениях: во-первых, равновесие, во-вторых, нечто пропорциональное.

Симметрия объектов и симметрия у законов природы наблюдалась людьми в ревности, в частности при оражении объектов от глади вод. Ощущение симметрии отражения связывалось со сменой правого на левое и наоборот. То есть свойства зеркальной симметрии были изучены еще в древности. Симметрия кристаллизации льда, снега уже не относятся к зеркальной симметрии, также была известна в древности.

Симметрия объектов: объект является симметричным, если над ним можно произвести некоторые операции, в результате которых объект будет выглядеть точно так же, как и прежде сформулировал (Г. Вейль). В результате сформировалась классическая симметрия с основными понятиями симметрии и геометрии природных форм: ось симметрии, плоскость симмет­рии, центр симметрии. Операции симметрии: двустороннее от­ражение, повороты фигур вокруг определенных осей, трансля­ция и т.д. Все элементы симметрии конечных фигур встречают­ся и на бесконечных.

Позднее сформировалась криволинейная симметрия (гомология), симметрия подо­бия, многоцветная симметрия. Введено понятие об асимметрии.

Повторяемость видов симметрии в неживой и живой мате­рии. Основные виды классической симметрии в природе: зер­кальная (билатеральная), радиально-лучевая, шаровая. Основ­ной закон, объясняющий проявление симметричности природ­ных тел, закон Пьера Кюри: симметрия тела формируется под воздействием симметрии среды (на Земле это, прежде всего, сим­метрия сил земного тяготения). Наиболее вероятная эволюция форм симметрии: симметрия шара, двусторонняя симметрия, радиально-лучевая.

Симметрия в неживой и живой природе. Идеи Л. Пастера и В.И. Вернадского об отличии симметрии живых организмов от косной материи: преобладание в живой материи либо левых (в аминокислотах), либо правых изомеров (ДНК-РНК) - дисимметрия в живой природе, запрет на наличие пятой оси симмет­рии в неживой материи.

Симметрия в физике – свойство физических законов, де­тально описывающих поведение систем, оставаться инвариант­ными (неизмененными) при определенных преобразованиях, которым могут подвергнуться входящие в них величины.

Явные симметрии , непосредственно наблюдаемые, напри­мер симметрии пространства и времени или выводимые из за­конов сохранения.

Скрытые симметрии: скрытость симметрии исходной си­туации, возникающая после неустойчивого симметричного со­стояния.

Принципы и законы симметрии . Пространственно-временные, геометрические или внешние и связанные с ними за­коны сохранения.

1. Сдвиг времени, т.е. изменение начала отсчета, времени не меняет физических законов. Время однородно. Из инвариантности физических законов относительно этого преобразования вытекает закон сохранения энергии.

2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат не меняет физи­ческих законов. Однородность пространства. Из этой симмет­рии вытекает закон сохранения импульса.

3. Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические за­коны неизменными. Изотропность пространства. Закон сохра­нения момента импульса.

4. Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Принцип относительности. Закон сохранения скорости движения центра масс изолирован­ной системы.

5. Фундаментальные физические законы не изме­няются при обращении знака времени. Все соответствующие процессы в природе обратимы во времени. Необратимость, на­блюдаемая в макромире, имеет статическое происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной.

6. Зеркальная симметрия природы: отражение пространства в зеркале не ме­няет физических законов.

7. Замена всех частиц на античастицы (операция зарядового сопряжения) не изменяет характера про­цессов природы.

Иерархия принципов симметрии в физике . Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняются только при сильных и электромагнитных взаимодействиях. При слабых взаимодействиях эти симметрии нарушаются.

Внутренние симметрии, описывающие специфические свойства элементарных частиц.

1. При всех превращениях эле­ментарных частиц сумма электрических зарядов частиц остает­ся неизменной. Закон сохранения электрического заряда.

2. За­кон сохранения бариационного заряда.

3. Закон сохранения лептонного заряда. В современных теориях принимается, что только электрический заряд сохраняется. Барионный и лептонный заряды, возможно, не сохраняются строго, хотя экспери­ментально это не обнаружено.

4. Изотопическая инвариант­ность: зарядовая независимость сильных взаимодействий. Гейзенберг: протон и нейтрон – два различных состояния нуклона.

5. Симметрия (закон), связанная с сохранением нового кванто­вого числа, – странности. При сильных и электромагнитных взаимодействиях сумма странностей всех частиц остается неиз­менной.

Теория взаимодействий элементарных частиц развивается благодаря принципам симметрии. Роль принципа симметрии в познании весьма велика, например, из соображений симметрии Дираком были постулированы античастицы, Д.И. Менделеевым сформулирован периодический закон и т.д. Общенаучность принципов симметрии многократно подтверждается в таких научных методах как аналогия, анализ, синтез, моделирование, принцип подобия.

2.7. Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие

2.7.1. Концепции близкодействия и дальнодействия

Дальнодействие . После открытия закона всемирного тяготения И. Ньютоном, а затем закона Кулона, описывающего взаимодействие элек­трических заряженных тел, возник вопрос, почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на больших расстояниях через пустое пространство и почему заряженные тела взаимодействуют между собой даже через электрически нейтральную среду?

До введения понятия «поле» на этот вопрос не было удовлетворительного ответа. Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может непосредственно осуществляться через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействий, а передача взаимодействия от тела к телу передается мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия, которую обосновал Р. Декарт. Большинство ученых придерживалось этой концепции вплоть до конца XIX в.

Принцип дальнодействия утвердился в физике еще и потому, что гравитационное взаимодействие макроскопических тел в соответствии с законом всемирного тяготения И. Ньютона малозаметно, – притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Поэтому экспериментально это было трудно подтвердить или опровергнуть. Только известные опыты Г. Кавендиша были первыми лабораторными наблюдениями гравитационного притяжения.

Близкодействие . Напротив, законы взаимодействия электрически заряженных тел допускали возможность их относительно простой проверки. Вскоре было установлено, что взаимодействие электрических зарядов происходит не мгновенно. Каждая электрически заряженная частица создает электрическое поле, действующее на другие частицы не в тот же момент, а спустя некоторое время.

Иными словами, взаимодействие передается через посредника – электромагнитное поле, а скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света. Это составляет суть концепции близк одействия.

2.7.2. Фундаментальные типы взаимодействий

Согласно концепции близкодействия все взаимодействия между юлами (помимо прямого контакта между ними) осуществляются с помощью тех или иных полей (например, взаимодействие в теории тяготения – с помощью гравитационного поля, электромагнитные взаимодействия – с помощью электромагнитных полей). Вплоть до ХХ в. были известны лишь два типа взаимодействий: гравитацион ное и электромагнитное.

В настоящее время, помимо гравитационного и электромагнитного взаимодействий, известны еще два – так называемые слабые и сильные взаимодействия. Указанные типы взаимодействий в современной физике являются фундаментальными.

Слабое взаимодействие отвечает за внутриядерное взаимодействие, приводящее, например, к распаду нейтрона с испусканием электронов (β -излучение), сильное взаимодействие – за внутринуклонные взаимодействия, оно удерживает кварки внутри нуклонов.

Пространственно действие четырех взаимодействий различно. Так, гравитационные и электромагнитные взаимодействия описываются законами «обратных квадратов расстояний» и проявляются во всем пространстве формально до бесконечности. Сильные взаимодействия проявляются только в пределах размера ядра ~10^–13 см, а слабые взаимодействия — на расстояниях в несколько порядков раз меньших размеров ядер.

Относительная сила взаимодействий различна. Если сильное взаимодействие условно принять за единицу, то электромагнитное взаимодействие будет в 10² раз меньше, слабое – в 10¹⁰ , а гравитационное – в 10³⁸ раз меньше сильного взаимодействия.

И хотя сила взаимодействий существенно различна, ни одним из них пренебрегать нельзя. Каждое взаимодействие может оказывать решающее влияние на процессы в том или ином конкретном случае. Даже такое взаимодействие, как гравитационное, несмотря на свою кажущуюся малость (в 10³⁸ раз меньше сильного взаимодействия) играет, например, доминирующую роль в процессах космического порядка, где присутствуют объекты с огромной массой и большие пространственные масштабы явлений.

Во второй половине XX в. велись интенсивные работы по возможному объединению электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.

Пока что С. Вайнбергу , Ш. Глэшоу и А. Саламу удалось создать единую теорию электрослабого взаимодействия. В соответствии с этой теорией за электрослабые взаимодействия отвечают частицы – кванты электрослабого поля — бозоны W ~ и Z⁰ . Вскоре такие частицы были обнаружены экспериментально К. Руббиа и С. ван дер Меером .

Как отмечалось выше, сильное фундаментальное взаимодействие отвечает за связь частиц в ядре, и поэтому часто называется ядерным. Вначале это взаимодействие изучалось в рамках квантовой мезонодинамики. Японский ученый Х Юкава выдвинул идею, что взаимодействие между нуклонами (протонами и нейтронами) в атомных ядрах обусловлено специальными частицами – квантами ядерного поля, названными мезонами. В дальнейшем такие частицы были открыты и получили название π – мезонов.

Следующим этапом развития теории сильных взаимодействий было создание квантовой хромодинамики. Необходимость в создании новой теории объясняется следующим: в дальнейшем было выяснено, что отдельные единицы ядра – нейтроны и протоны – сами состоят из более мелких единиц – кварков, поэтому исследования переместились в область изучения взаимодействий между кварками в нуклонах. По современным представлениям, в соответствии с квантовой хромодинамикой, сильное вздимодействие связано с существованием квантов внутринуклонного поля глюонами. Таким образом, теория сильных взаимодействий – квантовая хромодинамика – описывает взаимодействие кварков и глюонов.

Теорию электрослабых и сильных взаимодействий называют Стан дартной моделью макромира.

После того, как была создана единая теория электрослабых взаимодействий, появилась реальная перспектива построения ядерной теории всех трех форм взаимодействий элементарных частиц (программа «Великого объединения»).

А в самое последнее время появились новые идеи, которые открывают, может быть, далекие, но все же реальные перспективы объединения всех известных четырех взаимодействий, включая и гравитационное. Решение этой задачи ознаменовало бы грандиозную научную революцию, которую трудно измерить масштабами всех предшествующих научных революций.

Иными словами, на сегодняшний день мы имеем очень продуктивную исследовательскую программу, дающую направление ее развития, которое ориентированно ведет к единству всех фундаментальных теорий.

Если такая программа будет реализована, то это будет означать что природа, в конечном счете, подчинена действию некой суперсилы проявляющейся в некоторых частных взаимодействиях. Эта суперсила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную, наделить ее энергией в соответствующих формах и материей с определенной структурой.

Но суперсила – нечто большее, чем просто сила. В ней материя, пространство-время и взаимодействие слиты в нераздельное гармоническое целое, порождающее такое единство Вселенной, о котором раньше никто и не предполагал. Современная наука в поиске такого единства.

С концепциями взаимодействия в физике тесно связана концепция физического вакуума. По современным представлениям, вакуум – это не «абсолютная пустота», а реальная физическая система, например электромагнитное поле в одном из своих состояний. Более того, согласно квантовой теории поля, из состояния вакуума можно получить все другие состояния поля. Вакуум можно определить как поле с минимальной энергией. В вакууме постоянно протекают сложнейшие физические превращения, например особого рода вакуумные колебания электромагнитного поля, не вырывающиеся из него и не распространяющиеся, однако отчетливо проявляющиеся в физическом эксперименте.

2.8. Состояние, принципы суперпозиции, неопределенности,

дополнительности

Мы часто говорим о том или ином состоянии материи. Например, мы выделяем несколько агрегатных состояний вещества: твердое, жидкое, газообразное, плазма. Говорим о состояниях электромагнитного поля, имея в виду, какие процессы происходят в нем, об энергетических состояниях атома и т.д.

Говоря о газах, мы характеризуем их изотермическим, адиабатическим, изобарическим, изохорическим сотоянием. Говоря о жидкостях, мы характеризуем их состояние ламинарным или турбулентным движением, а состояние твердого тела – наличием или отсутствием кристаллической решетки. Говоря о состоянии плазмы, мы часто имеем в виду наличие тех или иных плазменных частот и.т.д. Состояние определяется параметрами состояния, сохраняющих свои значения при неизменных внешних условиях. Эту величину ввел в науку И. Ньютон. Различают устойчивое (стационарное) и неустойчивое состояние. Переход системы из одного состояния в другое означает процесс. Так, например, в классической термодинамике тепловых процессов предполагается, что параметры состояния, такие как, например, температура должна оставаться постоянной, только при таких условиях рассматриваются тепловые изопроцессы, поясняющие даже работу тепловой машины. Однако непонятно, и ни в каком учебнике по физике не поясняется, как может передаваться тепло от тел одинаковой температуры и может ли вообще работать тепловая машина, если нет флуктуации температуры?

Температура в термодинамическом смысле понимается (определяется) как мера средней статистической скорости молекул вещества. Чтобы обойти эту неопределенность (не сказав большее, – нелепость) проф. Сухановым обосновывается идея неконтролированного воздействия и трансдисциплинарные (над) дисциплинарные идеи. Остается только недоумевать, а есть ли предмет у современного естествознания, который по стихийному подходу авторов многих учебников по дисциплине «Концепции современного естествознания» видимо мыслится как некоторый многоголовый монстр, содержащий предметы (дисциплины), составляющие по всеобщему заблуждению междисциплинарный синтез этого, хотя и ограниченного множества предметов. Все дело в том, что синтез возможен по принципу наложения (суперпозиции) и справедлив лишь для линейных замкнутых систем. Совокупность наук и дисциплин, составляющих современное естествознание, как общеизвестно является нелинейной, открытой, самоорганизующейся системой, для которой принцип суперпозиции несправедлив. Стало быть, имеет место не интеграция ряда дисциплин, не декларируемый междисциплинарный их синтез, и, к сожалению, реализованный во многих учебниках по КСЕ дифференциальный подход к изучению природы по частям, а хотим мы этого, или не хотим в этом курсе имеет место взаимопроникновение, мультидисциплинарное взаимодействие, «эмерджентный нелинейный синтез» с алгоритмом реальности открытых нелинейных систем различной природы (прим. ред.). Этот алгоритм работает в природе, особенно в живой, имеет отношение к естественному отбору, борьбе за существованию к превосходству сложного, и приоритету простого. В этом природу подгонять нельзя, но и оставаться «сторонним наблюдателем» за этим неуправляемым процессом как-то не в правилах человека, поэтому необходимо постижение Природы в дисциплине «Концепции современного естествознания» в соответствии с синергетической парадигмой фундаментальности без отторжения.

2.8.1. Принцип неопределенности

Используемые в квантовой механике волновые функции для описания микрочастиц дают возможность установить вероятность нахождения микрочастиц в том или ином месте пространства в соответствии с принципом неопределенности.

Такое положение связано с двойственностью частиц микромира. С одной стороны, если считать микроструктуру частицей, то она должна быть локализована в пространстве, а если ее считать волной, то она формально занимает все пространство.

Вероятностный характер волновых функций приводит к парадоксальному выводу: если мы какую-то группу параметров микрочастиц можем знать более или менее точно (с небольшой погрешностью), то существует однозначно связанная с ней другая группа параметров, одновременные сведения о которых принципиально получить нельзя. Такими взаимно противоположными, дополнительными, или канонически сопряженными, переменными в микромире являются координаты и скорость (или импульс), энергия, и время, направление и величина момента количества движения, кинетическая и потенциальная энергии напряженность электрического поля в данной точке и число фотонов и др. В общем случае из теории следует, что дополнительными друг к другу являются физические величины, которым в квантовой механике соответствуют некоммутирурующие между собой операторы.

В 1927 г. один из создателей квантовой механики В. Гейзенберг установил фундаментальное положение квантовой теории – принцип неопределенности.

Принцип неопределенности: любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульса одновременно принимают вполне определенные точные значения.

Количественно соотношение неопределенности формулируется следующим образом. Если ∆х – неопределенность значения координаты х – центра инерции системы, а ∆р – неопределенность импульса р, то произведение этих неопределенностей должно быть по порядку величины не меньше постоянной Планка h , т.е. ∆х∆р > h . Ввиду малости h по сравнению с макроскопическими величинами той же размерности действия соотношение неопределенности существенно только для явлений атомных масштабов и не проявляется в опытах с макроскопическими телами.

Из соотношения неопределенности следует, что чем точнее определена одна из величин, входящих в неравенство, тем менее определенно значение другой. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению таких динамических переменных. При этом неопределенность в измерениях связана не с несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами микрообъектов. Таким образом, соотношение неопределенностей является квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам.

2.8.2. Принцип дополнительности

Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал принципиальное положение квантовой механики – принцип допол нительности, который наиболее четко изложил в следующей форме:

Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных.

По современным представлениям, квантовый объект – это одновременно и частица, и волна, которые являются классическими понятиями. Для возможно полного представления о микрообъекте мы должны использовать два разных типа приборов: один – для излучения волновых свойств, другой – для корпускулярных. Эту свойства несовместимы в отношении их одновременного проявления, но оба они в равной мере характеризуют микрообъект, а поэтому не противоречат, а дополняют друг друга. Эта идея и положена Бором в основу важнейшего методологического принципа современной науки – принципа дополнительности.

2.8.3. Принцип суперпозиции

В физике при изучении линейных систем широко используется принцип суперпозиции.

Принцип суперпозиции: общий результат воздействия на систему многих факторов равен сумме результатов воздействия каждого отдельного фактора.

Принцип суперпозиции играет большую роль во многих разделах физики и техники, в том числе и в теории колебаний и волновых процессов.

Например, если среда, в которой распространяется негармоническая волна S , линейна, т.е. ее свойства не меняются под воздействием возмущений, создаваемых этой волной, то все эффекты, вызываемые данной негармонической волной, могут быть определены как сумма эффектов, создаваемых каждой из гармонических составляющих (поскольку каждую негармоническую волну можно представить в виде суммы гармоник), т.е. S = S ₁ , + S ₂ + ... + S_n , +...

Особенно плодотворным оказалось применение принципа суперпозиции при изучении микромира. Здесь он стал одним из фундаментальных принципов (наряду с соотношением неопределенностей), составляющих основу математического аппарата квантовой механики. Как известно, состояния микросистем описываются волновыми функциями. Из принципа суперпозиции, например, следует, что если квантово-механическая система может находиться в некоторых конкретных состояниях, описываемых волновыми функ­циями, то физически допустимым будет состояние, изображаемое другой волновой функцией, т.е. су­перпозицией исходных волновых функций. Принцип суперпозиции в описании микромира отражает волновую природу микрочастиц.

2.9. Динамические и статистические закономерности в природе

Рассмотрим два типа физических явлений: механическое движе­ние тел и тепловые процессы. В первом случае движение тел подчиняется законам Ньютона, законам классической механики. Законы классической механики называются динамическими законами, тем самым подчеркивается, что движение происходит под действием тех или иных сил. Динамические законы имеют строго однозначный характер всех связей и зависимостей.

Зная начальное состояние механической системы, можно однозначно определить ее последующие состояния. Динамические закономерности не допускают какой-либо неопределенности системы. Они действуют во всех автономных, мало зависимых от внешней среды системах с относительно малым количеством входящих в нее элементов (например, характер движения планет Солнечной системы).

Во второй половине XIX в. наряду с динамическими в ряде разделов физики получили широкое развитие статистические методы исследования.

Классическим примером является статистическое рассмотрение тепловых термодинамических процессов. В данном случае рассматриваемая система, в отличие от динамической, включает огромное число отдельных элементов (например, полное число молекул газовой системы). И здесь рассматривается не движение каждой отдельно взятой молекулы, а лишь вероятностные ее характеристики. Затем, используя теорию вероятностей, теорию случайных событий, можно определить усредненные характеристики всей системы и установить статистические закономерности поведения всей системы.

Примером тому может служить установление статистической закономерности между температурой газа и кинетической энергией совокупности молекул системы в молекулярно-кинетической теории газа.

Статистические закономерности действуют во всех неавтономных, сильно зависящих от внешней среды системах, с большим количеством элементов.

При статистических закономерностях данное состояние системы определяет все ее последующие состояния не однозначно, а лишь с определенной вероятностью.

В классической термодинамике в основном рассматриваются изолированные системы, которые не обмениваются с внешней средой энергией. Именно для таких систем установлен закон возрастания энтропии. Этот закон имеет простое статистическое толкование. Действительно, энтропия изолированной, т.е. предоставленной самой себе, системы не может убывать. С другой стороны, очевидно, что предоставленная самой себе система будет переходить из менее вероятного состояние в более вероятное. Таким образом, энтропия и вероятность состояний изолированной системы ведут себя аналогично: они могут либо возрастать, либо оставаться неизменными.

В последние годы широкое развитие получили исследования в области термодинамики неизолированных, так называемых открытых систем, т.е. систем, которые обмениваются энергией и веществом с внешним миром. Открытыми являются биологические системы, в частности клетка живых организмов. Для таких систем энтропия может как возрастать, так и убывать.

В изолированных системах естественные процессы идут в направлении от упорядоченных структур к неупорядоченным, т.е. от порядка к беспорядку, хаосу . И в этом смысле можно говорить о том, что энтропия есть мера хаоса.

Для неизолированных, открытых, систем эволюция, например, живых организмов ведет от менее совершенных форм к более совершенным, от меньшего порядка в природе к большему, и в этих системах энтропия может не увеличиваться, а уменьшаться.

2.10. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах

2.10.1. Формы энергии

Энергия (от греч.– действие, деятельность) – общая ко­личественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, Понятие «энергия» связывает воедино все явления природы.

В соответствии с различными формами движения материи рас­сматривают и разные формы энергии: тепловую, механическую, внут­реннюю, химическую, электромагнитную, ядерную и др. Это деление в известной степени условно.

Механическая энергия подразделяется в свою очередь на кинетическую и потенциальную.

Внутренняя энергия равна сумме кинетических энергий хаотического движения молекул относительно центра масс и потенциальных энергий взаимодействия молекул друг с другом.

Химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии взаимодействия электронов друг с другом и с атомными ядрами молекул химически веществ. Энергия химических связей для двухатомных молекул – это энергия, требуемая для удаления атомов на бесконечно большое расстояние друг от друга. Для многоатомных молекул, радикалов ионов рассматривается также энергия диссоциации. Суммарная энергия удаления всех атомов многоатомных молекул друг от друга на бесконечное расстояние называется энергией образования молекулы и приблизительно равна сумме энергий химических связей.

В атомной физике используется понятие энергии ионизации. Она равна работе, затрачиваемой на удаление одного внешнего электрона из атома, или ионизационному потенциалу.

В микрофизике широко используется понятие энергии связи. Энер гия связи системы каких-либо частиц (например, атома как системы, состоящей из ядра и электронов) равна работе, которую необходимо затратить, чтобы разделить данную систему на составляющие ее частицы и удалить их друг от друга на такое расстояние, при котором их взаимодействием можно пренебречь. Энергия связи определяется взаимодействием частиц и является отрицательной величиной, так как при образовании связанной системы энергия выделяется. Абсолютная величина энергии связи характеризует прочность связи и устойчивость системы.

Энергия связи электронов в атоме или молекуле определяется электромагнитными взаимодействиями и для каждого электрона пропорциональна ионизационному потенциалу.

Энергия связи в атомных ядрах определяется сильным взаимодействием нуклонов и, согласно соотношению Эйнштейна ΔЕ = Δтс² , пропорциональна дефекту масс атомных ядер Δm .

Энергия связи, обусловленная гравитационным взаимодействием, обычно мала и имеет значение лишь для космических объектов.

2.10.2. Закон сохранения энергии для механических процессов

Одним из наиболее фундаментальных законов природы является закон сохранения энергии, согласно которому важнейшая физическая величина – энергия – сохраняется в изолированной системе.

Закон сохранения энергии : в изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но ее количество оста­ ется постоянным.

Если система не изолирована, то ее энергия может изменяться либо при одновременном изменении энергии окружающих тел на такую же величину, либо за счет изменения энергии взаимодействия тела с окружающими телами. При переходе системы из одного состояния в другое изменение энергии не зависит от того, каким способом (в результате каких взаимодействий) происходит переход, т.е. энергия – однозначная функция состояния системы.

Закон сохранения энергии является строгим законом природы, справедливым для всех известных взаимодействий. Согласно известной теории Э. Нётер, он связан с однородностью времени, т.е. с тем фактом, что все моменты времени эквивалентны и физические законы не меняются со временем.

Закон сохранения энергии для механических процессов был установлен Г. Лейбницем (1686) а для немеханических – в середине XIX в. Ю.Р. Майером (1845), Дж. Джоулем и Г. Гельмгольцем (1847).

В термодинамике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики.

Открытие закона сохранения и превращения энергии вначале было итогом развития механики. Но затем, благодаря дальнейшим экспериментальным исследованиям и теоретическому осмыслива­нию их результатов, становилось ясно, что содержание этого закона значительно глубже, что он – всеобщий закон природы. Это позволило быстрыми темпами развивать теорию тепловых процессов, что привело к появлению термодинамики. Особо важную роль закон сохранения и превращения энергии сыграл в изучении электрических и магнитных явлений, своеобразие и специфика которых не допускали применения других механических (по своему происхождению) понятий.

Становление и утверждение закона сохранения энергии охватывает длительный период – более полутораста лет. Как уже указыва­лось, первым был установлен закон сохранения энергии для меха­нического движения.

Первый период был связан с длительной дискуссией о так на­зываемых «мерах движения» и введением понятия «работа».

В первой половине XVII в. Р. Декарт ввел понятие меры движе­ния — количество движения, или импульс, которое в современных обозначениях выглядит следующим образом: Р = mv , где т – масса (во времена Декарта понятия массы т еще не было), v – скорость (Р и v – векторные величины).

Понятием количества движения, равного mv , пользовались мно­гие ученые того времени, в том числе и И. Ньютон. Однако в 1686 г. появилась статья Г. Лейбница «Краткое доказательство ошибки Декарта... о количестве движения...», в которой он в качестве меры движения предлагал считать величину mv ² , названную им «живой силой». «Живая сила» при определенных условиях в механических дви­жениях была величиной постоянной.

По Лейбницу, основной закон природы состоит не в сохранении количества движения, но в том, что необходимо сохранить одно и то же количество двигательной деятельности, которое означает совсем не то, что понимают сторонники Декарта под количеством движения.

При введении меры движения в виде величины mv ² Лейбниц рассуждал следующим образом. Известно, что для поднятия тела весом в 1 фунт на высоту в 4 локтя требуются такие же усилия, как и для поднятия веса тела в 4 фунта на 1 локоть. Если же предоставить этим телам возможность падать, то в момент касания земли скорость первого тела будет в два раза больше скорости второго () . Значит, они будут обладать разным количеством движения ( mv — по Декарту). Но если взять произведение массы т на v ² , то mv ² будет величиной, одинаковой для обоих тел.

Это произведение mv ² он и выбрал в качестве меры движения. «Живая сила» (mv ² ), по мнению Лейбница, выражает то «количество двигательной деятельности, которое сохраняется в природе».

Теперь мы знаем, что mv ² есть удвоенная кинетическая энергия движущегося тела. Таким образом, Лейбниц, по сути, вначале сформулировал закон сохранения кинетической энергии. Кинетическая энергия, по современной терминологии, определяется как физическая величина, равная половине произведения массы частицы на квадрат ее скорости: . Это уже знакомая «живая сила» Лейбница, только разделенная пополам. Разделить ее на два предложил французский механик Г. Кориолис .

Основанием послужила теорема, доказанная за несколько лет до этого французским математиком Л.Н. Карно . Согласно его теореме, если тело движется под действием постоянной силы, то удвоенное произведение силы ( F ) на перемещение ( s ) равно разности «живых сил» в конце и начале перемещения:

.

Тогда это было новым словом в практической механике.

Произведение силы на перемещение в формуле (2.1) Г. Кориолис вслед за другим французским механиком, Ж.В. Понселе , назвал работой. Если работу обозначить через А и записать как

A = Fs ,

то формулу следует переписать в виде:

.

Появившиеся в знаменателях этой формулы двойки дали основание Г. Кориолису принять за меру движения половину лейбницевой «живой силы».

Теорему, выраженную формулой, принято называть теоремой о кинетической энергии. В соответствии с ней работа сил, действующих на тело, равна изменению кинетической энергии этого тела:

А = E_{K 2} - E_{K 1} = ΔE_K .

Из теоремы следует, что кинетическая энергия равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему заданную скорость движения.

Следующий важный шаг в развитии понятия механической энергии был сделан Г. Гельмгольцем, чей вклад в обоснование закона сохранения энергии будет более подробно рассмотрен ниже. Изучая движение тел под действием сил, которые постоянны или зависят от расстояния, но не от времени и скорости, он обратил внимание на то, что левую часть уравнения в таком случае всегда можно представить в виде разности значений некоторой величины, характеризующей взаимодействие рассматриваемых тел.

Поскольку новая величина имела такую же размерность, что и «живая сила», Г. Гельмгольц предложил и ее назвать «силой», но не «живой», а «напряженной». Впоследствии «напряженная сила» Гельмгольца была переименована в потенциальную энергию. Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия. Она определяется работой, которую должны совершить силы, чтобы переместить тело из данного положения в нулевое:

Е_П =А₁ – 0.

Выбор нулевого положения произволен. Поэтому потенциальная энергия определена неоднозначно: по отношению к разным нулевым уровням потенциальная энергия одного и того же тела будет различной. Например, потенциальная энергия тела, взаимодействующего с Землей, может быть найдена по формуле Е_П = mgh , где h — высота центра тяжести тела, отсчитываемая от нулевого уровня. Принимая за нулевой уровень поверхность Земли, пола в комнате или, наконец, стола, над которым находится рассматриваемое тело, мы получим разные значения h и соответственно разные значения потенциальной энергии.

Для потенциальной энергии справедлива теорема, аналогичная теореме о кинетической энергии. По теореме о потенциальной энер гии, работа консервативных сил при любом движении тела равна разности потенциальных энергий в начальном и конечном состояниях:

А = Е_П1 – Е_{П2 = –} Е_П.

Рассматривая консервативные системы, т.е. системы, в которых действуют лишь консервативные силы, Гельмгольц пришел к выводу, что одна и та же величина может быть выражена и через прира­щение кинетической энергии системы, и через убыль ее потенци­альной энергии. Это означает, что увеличение кинетической энер­гии рассматриваемой системы всегда сопровождается соответст­вующим уменьшением ее потенциальной энергии, и наоборот:

.

Если переписать равенство в виде

,

то станет ясно, что сумма кинетической и потенциальной энергий рассматриваемой системы в процессе ее движения не меняется. На основании этого можно объединить обе величины в одну — полную механическую энергию системы:

Е = Е_К + Е_П .

Из отношения следует, что Е = const.

Итак, при любых процессах, происходящих в консервативной системе, ее полная механическая энергия остается неизменной. Это утверждение называется законом сохранения механической энергии.

Поскольку кинетическую энергию Г. Гельмгольц называл «живой силой», а потенциальную энергию – «напряженной», то первая формулировка закона сохранения энергии, данная Гельмгольцем, такова:

Когда тела природы действуют друг на друга с силами притяжения или отталкивания, не зависимыми от времени и скорости, то сумма живых сил и напряженных сил остается постоянной.

Следующий этап установления закона сохранения и превращения энергии связан с изучением превращения различных форм энергии друг в друга.

На начальном этапе изучения превращения различных форм движения друг в друга исключительную роль сыграл С. Карно , который впервые занялся изучением вопроса превращения теплоты в работу паровых машин.

Поставив вначале достаточно скромную техническую задачу, как наиболее экономно использовать топливо в паровых машинах, он решил не только эту проблему, но и получил целый ряд принципи­ально новых результатов, имеющих важное значение для развития многих направлений естествознания.

Во-первых, С. Карно нашел наиболее оптимальные условия рабо­ты тепловой машины (цикл Карно), при которых можно добиться максимального коэффициента ее полезного действия. Теорема Карно о максимальном коэффициенте полезного действия тепловых машин сыграла в дальнейшем важную роль в установлении одного из фун­даментальных законов природы — второго начала термодинамики.

Затем, продолжая свои исследования, он пришел к правильным взглядам на природу теплоты, как на совокупность механического движения атомов, из которых состоят физические тела.

Он отмечал: Тепло – не что иное, как движущая сила или, вернее, как движение, из­менившее свой вид, – это движение частиц тела,- повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количест­ве, пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила. Таким образом, можно высказать общее положение: движущаяся сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызы­вает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает.

Как видно из приведенной цитаты, С. Карно сформулировал за­кон сохранения и превращения «сил» (по современной терминологии – энергии), закон сохранения и превращения тепловой и механической энергии. Он даже впервые приблизительно определил механический эквивалент теплоты.

По некоторым представлениям, которые у меня сложились относитель­но теории теплоты, – писал Карно, – создание единицы движущей силы (по современной терминологии – единицы механической работы) требует затраты 2,7 единицы тепла.

При переводе в современные единицы это значение механиче­ского эквивалента равно примерно 370 кГм/ккал.

Противоположную С. Карно задачу, а именно: исследование об­ратного процесса превращения работы в тепло в результате трения, поставил себе Б. Томпсон . Работая на пушечных заво­дах, он заметил, что при сверлении пушечных стволов они очень сильно нагреваются.

Он помещал пушечный металлический ствол в воду и в резуль­тате сверления доводил температуру воды до кипения и испарения. Подсчитав, сколько необходимо энергии для испарения воды, он установил равенство между этой энергией и механической работой при сверлении стволов пушек. Б. Томпсон также пришел к выводу, что теплота есть форма движения.

2.10.3. Всеобщий закон сохранения и превращения энергии

Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно и установление механического эквивалента теплоты сыграло основную роль в открытии всеобщего закона сохранения и превращения энергии. Все большее место в физических исследованиях занимали явления, в которых происходило превращение одних форм движения в другие. Исследования многих химических, тепловых, электрических, магнитных, механических, световых явлений постепенно способствовали возникновению и развитию идеи о взаимопревращении различных форм движения друг в друга в эквивалентных количественных отношениях.

А к середине XIX в. закон сохранения и превращения энергии был признан как общий закон природы, охватывающий все физические явления. Приоритет установления данного закона научная общественность того времени признала за тремя учеными. Из них двое немецких ученых – Ю.Р. Майер и Г. Гельмгольц по профессии были врачами, а третий – англичанин Дж. Джоуль – специалистом в области электрических явлений.

То, что именно врачи Ю.Р. Майер и Г. Гельмгольц сделали решающий вклад в установление этого закона, не случаен, поскольку, изучая физиологию человека, обмен веществ в живом организме, они столкнулись с наиболее сложными комплексными процессами энергопревращения в различных органах и тканях. В частности, Ю.Р. Майер обнаружил, что в условиях разного теплообмена между человеком и окружающей средой в северных и южных районах в связи с неодинаковыми перепадами температур окислительно-восстановительные процессы в организме идут по-разному. В результате состав и цвет крови у южан и северян различный.

Развивая свои исследования, немецкие ученые осуществили ряд блестящих опытов и расчетов по выявлению связи между отдель­ными частными видами взаимопревращения энергии.

Так, Ю.Р. Майер также исследовал процессы перехода механи­ческого движения в теплоту и обратно и определил механический эквивалент теплоты (равный 365 кГм/ккал), процессы превращения механической энергии через трение в электричество и электричества в теплоту.

Г. Гельмгольц изучал процессы превращения кинетической энер­гии в потенциальную и обратно, превращение механической энергии в теплоту, электрической энергии в теплоту и механическую энергию при производстве работы за счет электричества.

Третий из авторов закона сохранения и превращения энергии Дж. Джоуль основное внимание уделял изучению процессов выде­ления тепла электрическим током во всей электрической цепи, в том числе и в гальванических элементах, где происходят электролитические химические реакции. В результате им была установлена связь между тепловой, электрической и, что очень важно, одновре­менно химической энергией.

Он определил, что общее количество теплоты равно теплоте хи­мических реакций, протекающих в гальванических элементах, за то же время. Таким образом, им было показано, что источником теп­лоты, выделенной в цепи электрического тока, являются химиче­ские процессы, проходящие в гальваническом элементе, а электри­ческий ток как бы разносит эту теплоту по всей цепи. Он писал, что «электричество может рассматриваться как важный агент, кото­рый переносит, упорядочивает и изменяет химическое тепло».

В дальнейшем Дж. Джоуль проделал свой знаменитый опыт, в котором экспериментально более точно определил механический эк­вивалент теплоты. С помощью падающих грузов он заставлял ось с лопастями вращаться внутри калориметра, наполненного жидкостью. Измеряя совершаемую грузами работу и выделенную в калориметре теплоту, Дж. Джоуль получил механический эквивалент теплоты, равный 424 кГм/ккал.

Установление закона сохранения и превращения энергии сыграло в истории естествознания огромную роль. Его утверждение стало свое образным катализатором для понимания многих явлений, а также обоснования и открытия целого ряда других частных законов природы.

2.10.4. Закон сохранения энергии в термодинамике

Закон сохранения энергии сыграл решающую роль в создании новой научной теории – термодинамики.

Опираясь на этот закон, был сделан ряд открытий в области электродинамики. У Томсон , используя закон сохранения и превращения энергии при исследованиях явления электромагнитной индукции и самоиндукции, установил при этом, что энергия проводника с током может быть выражена формулой LI ² /2, где I – ток, a L – коэффициент самоиндукции — величина, зависящая только от геометрии проводника.

Исследуя вопрос об энергии магнитов и электрических токов, У. Томсон в 1853 г. выразил эту энергию в виде интеграла, взятого по объему.

В том же году Р. Клаузиус применил закон сохранения энергии к энергетическим процессам в цепи постоянного тока, а в следующем году – к термоэлектрическим явлениям.

Помимо У. Томсона и Р. Клаузиуса над развитием и применением закона сохранения и превращения энергии много работал У. Дж. М. Ранкин . Он первым начал широко применять термин «энергия» и попытался дать этому понятию общее определение. Под энергией системы вслед за Ранкиным стали понимать ее способность производить работу. Ранкин писал: Термин «энергия» предполагает любое состояние субстанции, которое заключается в способности производить работу; количество энергии измеряется количеством работы, которую она способна произвести.

Еще раньше, Ранкин разделил энергию на «актуальную», или «ощутимую», и «потенциальную», или «скрытую». К «ощутимой» энергии он относил «живую силу» (термин, широко используемый в более ранних работах многих ученых, начиная с Лейбница), теплоту, лучистую теплоту, свет, химическое действие и электриче­ский ток, которые являются ее различными формами; к «потенци­альной», или «скрытой», – «механическую силу гравитации», упру­гость, химическое сродство, энергию статического электричества и магнетизма. У. Томсон для «актуальной», или «ощутимой», механиче­ской энергии ввел впоследствии понятие кинетической энергии дви­жущихся тел.

Благодаря этим трем великим открытиям, – писал он, – мы можем теперь в общем и в целом обнаружить не только ту связь, которая существует между процессами природы в отдельных ее областях, но также и ту, которая имеется между этими отдельными областями.

2.11. Принцип возрастания энтропии

2.11.1. Понятие энтропии

Понятие энтропии исторически возникло при рассмотрении и изучении тепловых процессов и создании термодинамики. К мо­менту зарождения термодинамики в естествознании господствовала механика Ньютона, механика обратимых процессов, которые могут идти как в прямом, так и в обратном направлении с так называе­мым обратимым временем. Например, вращающееся тело проходит при движении одни и те же положения при вращении по часовой стрелке, а затем и против часовой стрелки. Или другой пример: в принципе возможны все механические движения, показанные на кинопленке, при ее прокручивании как в прямом, так и в обратном направлении. В термодинамике в этом отношении все обстоит иначе.

Французский математик и физик Ж.Б. Фурье установил один из основных законов теплопроводности – односторонний переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому. Именно с этого момента начался выход физики за пределы ньютоновой схемы.

При переходе теплоты от более горячего тела к более холодному температуры тел постепенно (т.е. во времени!) выравниваются и становятся едиными для обоих тел – наступает состояние термодинамического равновесия. Таким образом, все системы, содержащие различные тела с разной температурой, естественным образом постепенно переходят в состояние термодинамического равновесия с выровненной температурой во всех участках данной системы. Такие процессы в силу закона Фурье имеют однонаправленность во времени, в связи с чем появилось понятие необратимости процессов, необратимости времени, «стрелы времени» .

Итак, первым важным открытием было открытие того факта, что все протекающие естественным образом (без участия внешних сил) тепловые процессы необратимы.

Второе, не менее важное открытие – установление второго на­чала (закона) термодинамики – принадлежит С. Карно, который изучал проблему использования теплоты (тепловой энергии) через преобразование ее в механическую энергию для производства рабо­ты в тепловых двигателях. Во времена С. Карно это были в основ­ном паровые машины. Результаты своих исследований он изложил в сочинении «Размышления о движущей силе, огне и о машинах, способных развивать эту силу».

Карно установил, что тепловую энергию, которой обладает на­гретое тело, непосредственно невозможно превратить в механиче­скую энергию для производства работы. Это можно сделать только в том обязательном случае, если часть тепловой энергии тела с температурой Т₁ передать другому телу с меньшей температурой Т₂ и, следовательно, нагреть его до большей температуры. Иными словами, в механическую энергию для производства работы можно преобразовать только часть тепловой энергии и только при обязательном условии, что в системе такого преобразователя имеется нагре­ватель с температурой Т₁ и охладитель с температурой Т₂ , т.е. для производства работы механической системой необходима разность температур Т₁ – Т₂ . Все механические системы, использующие тепло, работают «на перепаде температур» между нагревателем и холо­дильником. Карно выразил эту мысль следующим образом: Возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действи­тельной трате тепла, но его переходу от горячего тела к холодному... Недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добавить холод; без него теплота стала бы бесполезной.

Помимо этого, одного из важнейших открытий XIX в., Карно определил ту часть тепловой энергии, которая может быть переведена в производство механической энергии, в производство работы в тепловых машинах, т.е. он нашел значение разности

W = Q ₁ – Q ₂ ,

где W – полученная механическая энергия в процессе преобразования тепловой энергии;

Q ₁ – полная тепловая энергия, отдаваемая нагретым телом в процессе преобразований энергии;

Q ₂ – часть тепловой энергии, переданной холодильнику.

Определив разность Q ₁ - Q ₂ , Карно нашел максимальное значе­ние коэффициента полезного действия тепловых машин (для так называемого идеального цикла Карно), которое оказалось равным

.

Из приведенного соотношения следует, что коэффициент полезного действия (кпд) тепловой машины определяется только значениями Т₁ и Т₂ . Или, по словам Карно, движущаяся сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми, в конечном счете, производится перенос тепла.

В дальнейшем, развивая идеи Карно, один из основных создате­лей теоретической термодинамики немецкий ученый Р.Ю. Клаузиус ввел важнейшее понятие – энтропию. Постепенно со­держание понятия энтропии стало существенно расширяться. Из термодинамического понятия оно сначала перешло в другие разделы физики – механику, электричество, магнетизм, оптику, а затем в смежные науки – химию, информатику, биологию , и сейчас стало одним из важнейших понятий современного естествознания наряду с таким, например, понятием, как энергия.

Энтропия (от греч. – поворот, превращение) – функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы.

Р. Клаузиус обратил внимание на то, что из выражения Карно для максимального коэффициента полезного действия тепловой машины следует, что . Это соотношение, как известно, справедливо только для идеального обратимого цикла работы тепловой машины – цикла Карно. Отношение Клаузиус обозначил буквой S и назвал энтропией, что в переводе с древнегреческого означает «обращение», «превращение», «поворот». Таким образом, по мысли Клаузиуса, энтропия S = характеризует превратимость, превращение. К такому понятию энтропии мы еще вернемся в дальнейшем.

Итак, для циклических обратимых процессов т.е. выполняется закон сохранения энтропии: S ₁ = S ₂ . Иными словами, в таких процессах холодное тело поглощает столько же энтропии, сколько и выделяется нагретым телом. Реально же все процессы теплопередачи, в соответствии с законом Фурье, являются необратимыми, и при передаче количества тепла Q от горячего тела (с температурой Т₁ ,) к холодному (с температурой Т₂ ) энтропия S ₁ = всегда будет меньше энтропии S ₂ = в силу того, что Т₁ > Т₂ и, следовательно, изменение энтропии ΔS = S ₂ – S ₁ всегда положительно. То есть в реальных процессах энтропия термодинамической системы будет возрастать.

Принцип возрастания энтропии справедлив для любой изолированной системы. Это обстоятельство указывает на асимметрию природных явлений, т.е. на однонаправленность происходящих в ней процессов. Раскрытие в дальнейшем более глубокого смысла энтропии, а также установление закона ее возрастания привело к целому ряду очень важных, далекоидущих следствий.

Исследование энтропии в дифференциальной форме показало, что dS является полным дифференциалом, и, следовательно, энтропия не зависит от вида физического процесса, а определяется только состоянием системы. Поэтому энтропия является функцией состояния.

Кроме того, оказалось, что с помощью энтропии удобно исследовать не только тепловые процессы, но и рассматривать процессы преобразования других видов энергии в тепловую. Так, механическая энергия в результате трения переходит в тепловую, электрический ток нагревает проводники тока, электромагнитное поле – среду, через которую оно распространяется, и т.д., т.е. все естественные процессы, в конечном счете, ведут к превращению всех видов энергии в тепловую. Постепенно возникло представление о качестве разных видов энергии и ее деградации с точки зрения качества . Под качеством энергии понимается возможность использования того или иного вида энергии для производства полезной работы.

Сейчас принята следующая иерархия качества энергии в указанном смысле: ядерная, электромагнитная, химическая, механическая и тепловая энергии. При этом каждому виду энергии соответствует свое значение энтропии. Оно имеет минимальное значение для энергии высокого качества и возрастает при превращении всех видов энергии в тепловую и переходу системы в термодинамическое равновесие, при котором энтропия достигает максимальной величины.

В связи с этим значение энтропии («превращения») характеризует меру обесценивания энергии . Там, где происходят процессы изме­нения и преобразования энергии, следует «ее тень – энтропия».

Сегодня, как уже говорилось, понятие энтропии и знание ее величины необходимы при рассмотрении различных вопросов в физике, например при изучении фазовых переходов между твердым телом, жид­костью и газом, определении теплоты плавления кристаллов, теплоты парообразования. При плавлении и испарении происходит изменение энтропии систем. Термодинамические основы растворения одних веществ в других также требуют знания энтропии. То же касается радужных пленок на поверхности воды и мыльных пузырей. Возрастание растворимости веществ с повышением температуры, расслоение бензина на поверхности воды также связаны с возрастанием энтропии. Изменение энтропии выталкивает молекулы углеводородов из водного окружения.

Изменение энтропии выступает в роли действующей силы. Эта энтропийная сила называется гидрофобной. Вещества, которые вытал­киваются ею из воды, называются гидрофобными веществами, в отличие от гидрофильных веществ вроде спирта, которые полностью растворяются в воде. С гидрофобными силами связаны многие важ­ные явления. Но наиболее важные следствия, определяемые гидрофобными энтропийными силами, – это строение белков – веществ, определяющих протекание всех жизненных процессов. Из приведенных примеров видно, что энтропия имеет важнейшее значение для многих вопросов, в том теле и для биологических систем. Важность энтропии в биологии формулировал один из создателей квантовой механики Э. Шрёдингер в своей знаменитой книге «Что такое жизнь с точки зрения физики?» в следующем высказывании: «Живой организм питается отрицательной энтропией». Энтропия играет важную роль во всех естественно-научных дисциплинах. В химии, например, это изучение процессов окисления, пучение реакций со взрывом, оценка возможности или невозмож­ности протекания многих реакций, исследование скоростей протекания тех или иных реакций и др.

Исключительно широкое применение получила энтропия в информатике, в частности, для расчетов пропускной способности различных линий связи и систем передачи информации.

2.12. Основные космологические теории эволюции Вселенной

Учение о мегамире как едином целом и всей охваченной астроно­мическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) называется космологией .

Выводы космологии основываются на законах физики и данных наблюдательной астрономии. Космологические теории различаются в зависимости от того, какие физические принципы и законы положены в их основу. Построенные в соответствии с космологическими теориями модели должны допускать проверку для наблюдаемой области Вселенной, выводы теории – подтверждаться наблюдениями (во всяком случае, не противоречить им), теория – предсказывать новые явления.

В конце XX в. этому требованию наилучшим образом удовлетворяли разработанные на основе общей теории относительности однородные изотропные модели нестационарной «горячей» Вселенной.

Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской теории тяготения А. Эйнштейном (1916) и зарождением внегалактической астрономии (начиная с 20-х гг. XX в.).

На первом этапе развития релятивистской космологии главное внимание уделялось геометрии Вселенной кривизна четырехмерного пространства-времени и возможная замкнутость Вселенной.

Начало второго этапа можно датировать работами А.А. Фридмана , который в 1922–24 гг. доказал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной – она должна расширяться или сжиматься; но эти принципиально новые результаты получили признание лишь после открытия красного смещения (эффекта «разбегания» галактик) астрономом Э. Хабблом (1929).

В результате на первый план выступили проблемы механик Вселенной и ее «возраста» (длительности расширения).

Третий этап в развитии космологии связан с моделями «горячей» Вселенной (Г. Гамов, вторая половина 40-х гг.), в которых основное внимание переносится на физику Вселенной – состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние было необычным.

В основе теории лежат уравнения А. Эйнштейна общей теории относительности, из них следуют наличие кривизны пространства-времени и связь кривизны с плотностью вещества. Космологические уравнения допускают существование двух моделей. В одной из кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю. Вселенная бесконечна (открытая модель ). В такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают. В другой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но столь же безгранична, как и в открытой модели). В такой (замкнутой ) модели расширение со временем сменяется сжатием. В ходе эволюции Вселенной кривизна трехмерного пространства уменьшается при расширении, увеличивается при сжатии, но знак кривизны не меняется, т.е. открытая модель остается открытой, замкнутая – замкнутой. Начальные стадий эволюции по обеим моделям совершенно одинаковы: должно было существовать особое начальное состояние – сингулярность с огромной плотностью массы и кривизной пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение.

Из космологических уравнений следует, что равная нулю кривизна пространства может иметь место только при строго определенной критической плотности ρ_кр .

Если , то мир замкнут, при мир является открытым. Два указанных исходных положения достаточны для суждений об общем характере эволюции Вселенной, но они оставляют открытым вопрос о ее начальном состоянии.

С 60–70-х гг. XX в. стала общепринятой модель «горячей» Вселенной (предполагается высокая первоначальная температура). В условиях очень высокой температуры (Т > 10¹³ К) существовала лишь равновесная смесь различных элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Можно рассчитать состав такой смеси при разных температурах Т, соответствующих последовательным этапам эволюции, найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и изменение ее физических параметров в процессе расширения.

Согласно этому закону во Вселенной в момент с должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино, а также большая примесь нуклонов (протонов и нейтронов). В результате последующих превращений к моменту мин из нуклонов образовалась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия по массе; все остальные химические элементы синтезировались из этого дозвездного вещества, причем намного позднее, в результате ядерных реакций в недрах звезд). В момент образования нейтральных атомов гелия и водорода (рекомбинация нуклонов и электронов в атомы произошла при лет) вещество становилось прозрачным для оставшихся фотонов, и они должны наблюдаться в настоящее время в виде реликтового излучения, свойства которого можно предсказать на основе теории «горячей» Вселенной.

Наибольшее принципиальное значение этой теории имеют вы­воды о нестационарности (расширении) Вселенной, о высоких зна­чениях плотности и температуры в начале расширения («горячая» Вселенная) и об искривленности пространства-времени.

Вывод о нестационарности надежно подтвержден космологическим красным смешением, обнаруженным Э. Хабблом в 1929 г.: наблюдае­мая область Вселенной расширяется, и это расширение длится, по меньшей мере, 15—20 млрд. лет. Столь же основательное подтвер­ждение нашла и концепция «горячей» Вселенной: в (1965) американ­скими физиками А.А. Пензиасом и Р.В. Вильсоном было открыто реликтовое излучение, которое оказалось изотропным, а спектр его – равновесным с Т = 3 К.

Что касается плотности вещества, то астрономические наблюде­ния приводят к значениям усредненной плотности вещества, вхо­дящего в видимые галактики, г/см³ . Определить плот­ность скрытого (невидимого) вещества, а тем более плотность, создаваемую нейтрино (если масса нейтрино не равна нулю), гораз­до труднее, и неопределенность суммарной плотности из-за этого весьма велика. На основе имеющихся наблюдательных данных (10^–31 < ρ < 10^–29 г/см³ ) нельзя сделать окончательного выбора между открытой (расширяющейся безгранично) и замкнутой (расши­рение в далеком будущем сменится сжатием) моделями. Эта неоп­ределенность никак не сказывается на общем характере прошлого и современного расширения, но влияет на возраст Вселенной (дли­тельность расширения).

Модель расширяющейся Вселенной

Значение термина Вселенная более узкое и приобрело специфически научное звучание.

Вселенная – место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение научного значения термина Вселенная вполне понятно, так к естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами.

Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией, т. е. наукой о космосе. Космология, в основе своей открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет с бой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной как бы в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения:

- свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках и направлениях;

- наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнение Эйнштейна. Из этого следует кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии).

Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:

- принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах выполняются все законы сохранения вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга;

- экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных (красных) волн.

Для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики –, видимой части Вселенной.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 –18 млрд. лет назад

Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом.

Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) – вещество

Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки зрения самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация.

Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

После Большого Взрыва образовался сгусток плазмы «состояния, в котором находятся элементарные частицы» нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны.

По наиболее обоснованным оценкам, возраст расширяющейся Вселенной составляет примерно 13 млрд. лет.

Контрольные вопросы

1.Что такое корпускулярно-волновой дуализм материи?

2. Почему энтропия является мерой порядка и беспорядка в природе?

3. Какова классификация материи на микро-, макро-, мегамиры?

4. Сформулируйте основные законы сохранения.

5. Каково объяснение периодической системы Д.И. Менделеева?

6. Каковы фундаментальные взаимодействия в природе?

7. Какова связь симметрии и законов сохранения?

8. какова связь пространства и времени в специальной теории относительности?

9. В чем различие между динамическими и статистическими закономерностями в природе?

10. Каков смысл принципа дополнительности?

3. ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

Химия – наука о веществах и процессах их превращения, сопровождающие изменением состава и структуры.

Основанием химии выступает проблема получения веществ с заданными свойствами (производственная зада­ча) и выявление способов управления свойствами веществ (научная задача). Свойства веществ зависят:

1) от элементарного и молекулярного состава;

2) от структуры молекулы;

3) от термодинамических и кинетических условий процесса химической реакции;

4) от уровня химической организации вещества.

Концептуальные этапы получения знаний по химии можно представить следующим образом:

XVII – учение о составе вещества;

середина XIX в. – учение о структуре вещества;

конец XIX в. – учение о химических процессах;

середина XX в. – учение о химической эволюции.

Четыре способа решения основной проблемы химии:

Первый уровень научных химических знаний, продол­жающийся с работ Р. Бойля (1660-е годы) до 1820-1830-х годов: свойства вещества определяются его составом. Химический элемент и химическое соединение. Дальтониды – химическое вещество молекулярного строения и бертоллиды – соединения немолекулярного строения. Вовлечение новых химических эле­ментов в производство материалов. Синтез новых элементоорганических соединений, например фторорганических, обла­дающих исключительной устойчивостью.

Второй уровень развития химических знаний (середина XIX века): свойства вещества и их качественное разнообразие обуславливаются составом и структурой молекул. Возникнове­ние структурной химии: работы Д. Дальтона, И.Я. Берцелиуса, Ш. Жерара, А. Кекуле, A.M. Бутлерова. Триумфальный марш органического синтеза. Пределы и проблемы структурной ор­ганической химии.

Третий уровень химических знаний (середина XX века): учение о химических процессах и механизмах изменения веще­ства. Свойства вещества зависят от термодинамических и кине­тических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции. Учение о химических процессах – область науки, где осуществляется глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Химическое производство синтетиче­ских материалов.

Принципиальная обратимость всех химических реакций. Законы Я. Вант-Гоффа и А. Ле-Шателье. Зависимость хода хи­мических процессов от структурно-кинетических факторов: от строения исходных реагентов, концентрации, наличия катали­заторов и др. Проблемы катализа химических реакций и реше­ние задачи химического преобразования ядерной и солнечной энергии.

Химия экстремальных состояний, высокотемпературный синтез.

Четвертый уровень химических знаний (с 1970-х годов): свойства вещества зависят от высоты химической организации вещества. Биологизация химии – возникновение эволюционной химии. Основа лаборатории живого организма – биокатализ. Подражание живой природе – химия будущего. Создание ката­лизаторов по принципу ферментов. Изучение брожения – один из первых опытов изучения химии живой природы. Пути освоения каталитического опыта живой природы: ис­следование в области металлокомплексного катализа, моделирование биокатализаторов, исследования в области иммобили­зованных систем, применение принципов биокатализа в хими­ческой технологии.

Отбор химических элементов в ходе эволюции. Химиче­ские свойства углерода, отвечающие всем требованиям эволю­ции: прочность химических связей, их энергоемкость и доста­точная лабильность.

Явления самосовершенствования катализаторов в ходе ре­акции. Самоорганизация химических систем. Теории химиче­ской эволюции и биогенеза. Эволюция химических систем.

Четыре способа решения основной проблемы химии – че­тыре иерархические концептуальные системы. Теоретическое и практическое значения представлений о концептуальных систе­мах химии.

3.1. Развитие учения о составе вещества

Демокрит и Эпикур считали, что все тела состоят из атомов различной величины и формы, чем и объясняли различие тел.

Аристотель и Эмпедокл видимое разнообразие тел природы объясняли посредством сочетания в те­лах различных стихий: тепла и холода, сухости и влажности. Переход одних веществ в другие, связанный с появлением их новых специфических свойств и «форм». В эпоху эллинизма (до н.э.) возникло учение о «трансмутации » (превращении), согласно которому можно, изменяя сочетание элементов, получать вещество с иными свойствами. Так, пытались получить золото из более распространенных металлов – ртути, свинца и др.

Главной целью алхимия считала поиски «философского камня» для превращения неблагородных металлов в благородные, получение эликсира долголетия, универсального растворителя и др.

В VIII в. широкое распространение в Западной Европе получила «ртутно-серной» теории алхимиков, согласно которой вначале образуется «сера» из огня из воздуха и «ртуть» из земли и воды, а уже из них получаются различные металлы.

Т. Парацельс , в отличие от алхимиков, подчеркнул вещественный характер трех начал: «серы» – начала горючести, «ртути» – начала летучести, «соли» – начала огнепостоянства. Он ставит задачу исследовать свойства веществ и найти новые соединения с более полезными для медицинских целей свойствами, чтобы помогать человеку от болезней, успешно применял препараты ртути против сифилиса. Вскоре медицинскую химию (иатрохимию ) стали преподавать на медицинских факультетах университетов.

Научное изучение химических явлений начинается в 1600 г. с работ Р. Бойля . Он создает теорию, по которой окружающий нас мир построен из мельчайших частичек – корпускул , различных по размерам, форме и массе. Они, объединяясь и разъединяясь, образуют качественно различные тела – «структурные формы вещества », среди этих тел вода, земля, железо, ртуть. При получении химических элементов как «простых тел» пользовались универсальным по тому времени методом разложения «сложных тел» – прокаливанием .

Изучение процессов горения привело к появлению первой, хотя она и оказалась ложной, научной теории в химии – теории флогистона , основатель этой теории Г. Шталь . Наблюдая за процессом плавки металлов, например олова, он заметил, что часть металла теряется в виде окалины («извести», как тогда называли), но при соприкосновении с древесным углем вновь превращается в олово. Шталь сделал вывод о том, что уголь участвует в реакции, и предположил, что в угле содержится вещество, которое превращает «известь» в металл. Позже это вещество было названо флогистоном . При всех огромных недостатках теории флогистона (путаница в понятии простого и сложного вещества), впервые были разработаны научные представления о реакциях окисления-восстановления.

Основатель научной химии М.В. Ломоносов в 1756 г. сформулировал один из основопо­лагающих, действующих и по сей день законов естествознания – закон сохранения материи массы: масса веществ, вступивших в реакцию равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего от одного тела отнимется, столько присовокупится к другому; так если где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своей силой другое тело, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Гипотеза флогистона была опровергнута А. Лавуазье после открытия кислорода и установлении его роли в процессах горения и окисления. Так, явление обжига металлов и горение стали рассматривать как процессы соединения элемента с кислородом, а не как процесс разложения «сложного вещества» на элемент и флогистон. Это была настоящая революция в химии. Лавуазье впервые разделил вещества на простые вещества (химические элементы) и химические соединения.

В 1869г. Д.И. Менделеев систематизировал известных тогда 62 элементов на основании их атомного веса и представил это в виде таблицы, которая и получила название «Периодическая таблица Менделеева». Периодический закон, сформулированный Менделеевым, гласит: «Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел ими образованных, состоят в периодической зависимости от их атомного веса ».

Современная формулировка периодического закона: свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины положительного заряда ядра их атомов .

В этой таблице ярко выявлена периодичность изменения свойств элементов с увеличением их сложности в каждом новом периоде. Систематизация элементов, выполненная Менделеевым, оказала основополагающее влияние на дальнейшее развитие химических исследований. На основании выявленных общностей он предсказал суще­ствование неизвестных элементов, оставив для них вакантные места в периодической таблице. Впоследствии эти элементы были открыты и свойства их оказались такими, какие предсказал Менделеев.

В настоящее время доказано, что атом является сложной делимой субъединицей вещества. Вся масса атома сосредоточена в его ядре (~10^–13 см). Ядро атома состоит из протонов (р), несущих положительный заряд (+1) и обладающих массой. Заряд ядра равен порядковому номеру элемента. Вок­руг ядра по орбиталям вращаются электроны (е) – частицы с зарядом –1. Количество электронов равно количеству протонов, атом в целом электронейтрален. Ядро атома кроме протонов содержит нейтроны (n) – частицы, не имеющие заряда, но обладающие массой.

Пример строения хлора (С): порядковый номер 17, а атомная масса 37, число электронов 17, ядро содержит 17 протонов и 20 электронов.

Ядра элементов могут содержать различное количество нейтронов, так есть атомы хлора, обладающие атомной массой 37 и 35, их ядра содержат 20 и 18 нейтронов соответственно – это так называемые изотопы (³⁷ Сl, ³⁵ Сl).

Изотопы – атомы с одинаковым зарядом ядра (и соответственно химическими свойства), но разным числом нейтронов.

Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т. е. это совокупность изотопов.

С начала ХIХ в. активно обсуждался вопрос о том, что относится к химическим соединениям, а что к смесям.

Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, «прочным притяжением составных частей» (атомов) и тем отличается от смесей.

С позиций атомно-молекулярного учения данный закон был обоснован химиком Д. Дальтоном ; он утверж­дал, что все простые и сложные индивидуальные вещества состоят из мельчайших частиц – молекул, которые в свою очередь образованы из атомов химических элементов. Так, молекулы простых веществ – водорода (Н₂ ), кислорода (О₂ ), озо­на (О₃ ), – образованные из атомов одного элемента. Молекулы сложных веществ образованы из разных атомов.

К. Бертолле утверждал возможность существо­вания индивидуальных химических соединений переменного состава с непрерывным изменением. Так, интерметаллические соединения, состоящие из 2 металлов: цинк-сурьма, магний-серебро и др. образуют соединения, как с постоянным, так и с переменным составом. Н.С. Курнаков первые из них назвал дальтонидами в честь Ж. Дальтона, а вторые – бертоллидами в честь К. Бертолле.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойства и состоящая их одинаковых или разных атомов. В состав молекул входят атомы. Большинство неорганических веществ не имеют молекулярного строения.

Атом – наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств.

Химическое соединение – определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых химической связью объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты.

3.2. Развитие учения о структуре молекул

При взаимодействии атомов между ними может возникнуть химическая связь, приводящая к образованию многоатомной системы – молекулы, молекулярного иона или кристалла.

Химическая связь – взаимодействие атомов, обусловленное перекрытием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы .

Й. Берцелиус в 1830 г. выдвинул гипотезу: все атомы разных элементов обладают различной электроотрицательностью, причем атом каждого элемента несет два заряда (положительный + и отрицательный –). Объединение атомов в молекулы происходит за счет взаимодействия разноименно заряженных атомов или атомных групп, что сопровождается частичной нейтрализацией зарядов. Например, калий (К) несет положительный заряд, а кислород (О) – отрицательный, взаимодействуя, они образуют оксид. Однако, теория Берцеллиуса, основанная на электростатическом взаимодействии зарядов, не могла объяснить образование молекул из двух одинаково заряженных атомов, например, молекулы О₂ .

В 1916 г. Дж. Льюис высказал предположение, что химическая связь возникает путем образования электронной пары, одновременно принадлежащей двум атомам – эта идея послужила основой для разработки современной теории ковалентной связи. В том же году В. Коссель предположил, что химическая связь возникает при взаимодействии двух атомов, один из них отдает электроны, превращаясь в положительно заряженный ион (катион), а второй атом принимает электрон, превращаясь в отрицательно заряженный ион (анион). Дальнейшее развитие идей Косселя привело к созданию представлений об ионной связи.

Ковалентная связь – химическая связь между атомами, осуществляемая обобществляемыми электронами .

Ковалентная связь между одинаковыми атомами называется неполярной (Н· + ·Н ® Н : Н или Н – Н ).

Ковалентная связь возникающая при взаимодействии атомов разных элементов называется полярной, при этом общая электронная пара (или электронные пары) несколько смещаются в сторону более полярного атома (H – Cl , С≡ O ).

Ионная связь – химическая связь, осуществляемая за счет электростатического притяжения образовавшихся разноименных ионов (Na⁺ Cl^– , NH₄ ⁺ OH^– ).

Металлическая связь – многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов в твердом или жидком состоянии, основанная на обобществлении внешних электронных атомов . Металлическая связь характерна только для конденсированного состояния вещества в жидкости или твердом веществе.

Электрически нейтральные атомы и молекулы способны к дополнительному взаимодействию друг с другом: водородная связь – химическая связь, осуществляемая между положительно поляризованным атомом водорода и отрицательно поляризованным атомом F , O и N (реже Cl , S и др.), принадлежащих другой или той же молекуле (НF … HF, Н₂ О … Н₂ О).

Ф. Кекуле сформулировал теорию валентности – каждый атом обладает определенной способностью к насыщению , т.е. валентностью, или числом единиц сродства. Благодаря этому появилась возможность составлять так называемые структурные формулы . При написании в любой формуле элементы связывают друг с другом согласно их валентности.

Позже А.М. Бутлеров разработал теорию строения органических соединений :

1. Атомы в молекулах соединены химическими связями согласно их валентности в определенном порядке.

2. Атомы и группы атомов, соединенные в молекуле, оказывают взаимное влияние.

3. Химическое строение вещества определяет его свойства.

4. Изучая химические превращения вещества, можно установить строение вещества и выразить его одной единственной структурной формулой.

Теория Бутлерова явилась фундаментом для развития органической химии.

3.3. Развитие учения о химических процессах

3.3.1. Энергетика химических процессов и систем

Химические реакции – в заимодействие между атомами и молекулами, приводящее к образованию новых веществ, отличных от исходных по химическому составу или строению. Химические реакции в отличие от ядерных не изменяют ни общего числа атомов в системе, ни изотопного состава элементов. Методы управления химической реакцией можно разделить на термодинамические и кинетические, среди последних ведущую роль выполняют каталитические процессы.

Химическая термодинамика отвечает на вопросы о принципиальной возможности протекания данной химической реакции в определенных условиях и о конечном равновесном состоянии системы .

Система – совокупность тел, выделенная из пространства . Если в системе возможен массо- и теплообмен между всеми ее составными частями, то такая система называется термодинамической. Химическая система, в которой возможно протекание реакций, представляет собой частный случай термодинамической. Если между системой и окружающей средой отсутствует массо- и теплообмен, то такая система называется изолированной. Если отсутствует массообмен, но возможен теплообмен, то система называется закрытой. Если же между системой и окружающей средой возможен и массо-, и теплообмен, то система открытая. Система, состоящая из нескольких фаз, называется гетерогенной , однофазная система – гомогенной .

Состояние химической системы определяется свойствами: температура, давление, концентрация, объем, энергия.

Реакции, протекающие в гомогенной системе, развиваются во всем ее объеме и называются гомогенными . Реакции, происходящие на границе раздела фаз – гетерогенными .

Для термодинамического описания системы пользуются так называемыми функциями состояния системы – это любая физическую величину, значения которой однозначно определяются термодинамическими свойствами системы . К важнейшим функциям состояния системы относятся:

- полная энергия системы (Е );

- внутренняя энергия системы (U );

- энтальпия (или теплосодержание) – это мера энергии, накапливаемая веществом при его образовании (Н): Н = U + р∙ V ;

- энтропия – мера неупорядоченности системы (S );

- энергия Гиббса – мера устойчивости системы при постоянном давлении (G ): ∆ G = ∆ H – T ∙∆ S ;

- энергия Гельмгольца – мера устойчивости системы при постоянном объеме (F ): ∆ F = ∆ U – T ∙∆ S .

Судить о возможности самопроизвольного протекания процесса можно по знаку изменения функции свободной энергии Гиббса: если ∆ G < 0, т.е. в процессе взаимодействия происходит уменьшение свободной энергии, то процесс термодинамически возможен. Если ∆ G > 0, то протекание процесса невозможно. Таким образом, все процессы могут самопроизвольно протекать в сторону уменьшения свободной энергии.

Химическое взаимодействие, как правило, сопровождается тепловым эффектом. Процессы, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими (∆ Н < 0), а идущие с поглощением теплоты – эндотермическими (∆ Н > 0).

Тепловой эффект химических процессов в изобарных условиях определяется изменением энтальпии, т.е. разницей энтальпий конечного и исходного состояний. Согласно, закону Лавуазье-Лапласа : теплота, выделяющаяся при образовании вещества, равна теплоте, поглощаемой при разложении такого же его количества на исходные составные части.

Более глубокие обобщения термохимических закономерностей дает закон Гесса : тепловой эффект химических реакций, протекающих или при постоянном давлении, или при постоянном объеме, не зависит от числа промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.

I закон термодинамики (закон сохранения энергии) – энергия не исчезает и не возникает вновь из ничего при протекании процесса, она лишь может переходить из одной формы в другую в строго эквивалентных отношениях.

II закон термодинамики – при протекании процесса в изолированной системе обратимых процессов энтропия остается неизменной, а при необратимых процессах увеличивается.

3.3.2. Реакционная способность веществ

Химическая кинетика – раздел химии, изучающий закономерности протекания физико-химических процессов во времени и механизмы взаимодействия на атомно-молекулярном уровне. Химическая кинетика рассматривает зависимость скорости химической реакции от концентрации реагентов, температуры, свойств среды, электромагнитного излучения и других факторов.

Скорость химической реакции ( v ) – изменение концентрации (С) реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу време­ни (τ) в единице объема системы (для гомогенной реакции) или на единицу площади поверхности раздела фаз (для гетерогенной реакции).

v = ∆С / ∆τ

Зависимость скорости химических реакций от концентраций реагирующих веществ легко понять исходя из молекулярно-кинетических представлений. Молекулы газов, двигаясь в различных направлениях с довольно большой скоростью, неизбежно должны встречаться, сталкиваться друг с другом. Взаимодействие между молекулами, очевидно, может происходить только при их столкновениях, следовательно, чем чаще будут сталкиваться молекулы, тем быстрее будет идти превращение исходных веществ в новые и тем больше будет скорость реакции.

К. Гульдберг и П. Вааге в 1867 г. сформулировали закон действующих масс : при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ.

Скорость гомогенной химической реакции измеряется изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Так, для гомогенной реакции типа А + 2В → АВ₂ закон действующих масс выражается следующим образом:

v = k ∙[ A ] ∙[В]²

где [A] и [В] – концентрации вступающих в реакции веществ, k – константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ.

При гетерогенных реакциях концентрации веществ, находящихся в твердой фазе, обычно не изменяются в ходе реакции и поэтому не включаются в уравнение закона действующих масс.

Скорость всякой реакции непрерывно уменьшается с течение времени, так как взаимодействующие вещества постепенно расходуются и концентрации их уменьшаются. Поэтому, говоря о скорости реакции, всегда имеют в виду скорость в данный момент, т.е. то количество вещества, которое подверглось бы превращению, если бы существующие в данный момент концентрации поддерживались искусственно в течение определенного промежутка времени.

Зависимость скорости химической реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа : при повышении температуры на 10°С скорость большинства реакций возрастает в 2–4 раза .

Отношение константы скорости при температуре t + 10° к константе при температуре t называется температурным коэффициентом скорости (γ).

В общем случае, если температура изменилась на ∆t °, уравнение зависимости скорости реакции от температуры имеет вид:

v ­ _{t + ∆ t} / v ­ _t = γ^{∆ t /10}

Так, если температурный коэффициент скорости реакции равен 3, то, во сколько возрастет скорость реакции при повышении температуры от 20 до 60 °С? Поскольку ∆t = 60 – 20 = 40 °С, то, обозначив соответственно скорость реакции при 20 и 60 °С соответственно через v и v ´ , можем записать изменения скорости реакции: v ´ / v = 3^40/10 = 3⁴ = 81 раз.

Сильное возрастание скорости реакции при повышении температуры связано с резким возрастанием числа активных частиц и числа активных столкновений.

Зависимость скорости химической реакции от присутствия катализа­торов и ингибиторов – веществ, которые изменяют скорость реакции, но сами в результате реакции остается в химически неизменном состоянии и не расходуется. Вещества, ускоряющие реакцию, называются катализаторами , а замедляющие – ингибиторами. Иногда применение катализаторов может увеличить скорость реакции в 1000 и более раз.

Катализ – изменение скорости химической реакции в присутствии катализаторов. Скорость химической реакции возрастает в присутствии катализатора, в связи с понижением энергия акти­вации реакции через образование нестойких промежуточных соединений – активных комплексов . Процесс, идущий с образованием активного комплекса кинетически более выгоден, т.к. требуется меньшей затраты энергии.

Нередко один из продуктов реакции служит катализатором, ускоряющим эту реакцию. Такого рода реакции, называются автокаталитическими . Например, кислота, образующаяся при гидролизе эфиров, катализирует этот гидролиз. Скорость автокаталитических реакций в течение некоторого времени (период индукции) мала, но по мере накопления продукта – катализатора, растет, достигает максимума и снова уменьшается вследствие расхода исходного вещества. В таких реакциях возможно протекание явлений самоорганизации, приводящее к образованию пространственных и пространственно-временных диссипативных структур.

Ярким примером автокаталитического процесса является гомогенная периодическая химическая реакция окисления лимонной кислоты смесью бромата калия КВrО₃ и сульфата церия Се(SО₄ )₂ , открытая и исследованная русскими химиками Белоусовым и Жиботинским в 1951 г. Смесь этих веществ, растворенная в разбавленной серной кислоте, дает реакцию восстановления церия: Се⁴⁺ (синего цвета)→Се³⁺ (красного цвета), а затем, когда свободный ион брома расходуется (выступает как ингибитор окисления церия), проте­кает обратная реакция окисления: Се³⁺ → Се⁴⁺ . В результате возникает система, которая с идеальной периодичностью изменяет свой цвет с синего на красный и наоборот. Эти колебания можно рассматривать как химические часы, а саму систему как самоорганизующуюся. Начиная с некоторого момента числа колебаний системы, спонтанно возникают неоднородности концентрации и образуются устойчивые красные и синие слои.

3.3.3. Химическое равновесие. Принцип Ле Шателье

Многие химические реакции протекают таким образом, что исходные вещества целиком превращаются в продукты реакции или, как говорят, реакция идет до конца. Так, например, бертолетова соль при нагревании вся без остатка превращается в хлористый калий и кислород:

2КСlО₃ = 2КСl + 3О₂

Обратное получение бертолетовой соли из хлористого калия и кислорода оказывается невозможным. Такого рода реакции называются практически необратимыми, или односторонними.

Иной характер имеет реакция взаимодействия водорода с железной окалиной. Если пропускать водород над нагретой до высокой температуры железной окалиной, то последняя превращается в желе­зо, а водород, соединяясь с кислородом окалины, образует воду:

Fe₃ O₄ + 4Н₂ = 3Fe + 4Н₂ О.

С другой стороны, пропуская при такой же температуре водяной пар на порошкообразным железом, можно получить железную окалину и водород. Эта реакция выражается тем же уравнением, что и предыдущая, если читать его справа налево:

3Fe + 4Н₂ О = Fe₃ O₄ + 4Н₂

Таким образом, при одной и той же температуре будут протекать две прямо противоположные реакции: из железной окалины и водорода будут получаться железо и водяной пар, а из последних – снова железная окалина и водород.

Процессы, которые при одних и тех же условиях могут идти как в ту, так и в другую сторону, называются обратимыми, или двусторонними.

Чтобы показать, что химический процесс обратим, в уравнении реакции заменяют знак равенства двумя стрелками, направленными в противоположные стороны:

Fe₃ O₄ + 4Н₂ 3Fe + 4Н₂ О

Реакцию, протекающую в направлении слева направо, принято называть прямой, противоположную реакцию – обратной.

Характерная особенность обратимых реакций заключается им, что они не доходят до конца, если продукты реакции не удаляются из сферы взаимодействия (например, при реакциях между газами в закрытом сосуде). Исходные вещества, если даже они были и взяты в эквивалентных количествах, никогда не расходуются полностью на образование продуктов реакции. Реакция идет лишь до известного предела и затем как бы останавливается.

Если реакция обратима, т.е. она может протекать как в прямом, так и обратном направлениях, то с течением времени скорость обратной реакции будет возрастать, когда скорости прямой и обратной реакции становятся одинаковыми, наступает состояние химического равновесия .

N₂ (г) + 3H₂ (г)2NH₃ (г)

Установившееся между данными веществами химическое равновесие может сохраняться при неизменных условиях как угодно долго, но при изменении условий протекания реакции (температуры, давления, концентрации участвующих в реакции веществ), скорости прямого и обратного процессов изменяются неодинаково, и хими­ческое равновесие нарушается.

Направление этого смещения подчиняется принципу Ле Шателье : при всяком внешнем воздействии на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, в ней протекают процессы, приводящие к уменьшению этого воздействия.

Так, повышение температуры приводит к смещению равновесия в направлении реакции, сопровождающейся поглощением теплоты, т. е. охлаждением системы; повышение давления вызывает смещение равновесия в направлении уменьшения общего числа молей газообразных веществ, т.е. в направлении, приводящем к понижению давления; удаление из системы одного из про­дуктов реакции ведет к смещению равновесия в сторону прямой реакции; уменьшение концентрации одного из исходных веществ приводит к сдвигу равновесия в направлении обратной реакции.

3.4. Развитие представлений об эволюционной химии

Эволюционная химия рассматривает вопросы эволюционного развития и совершенствования химической формы материи, в том числе в процессах ее самоорганизации до перехода в биологическую форму.

Из известных в настоящее время 112 химических элементов большинство принимают участие в жизнедеятель­ности живых организмов. Однако основу живых систем составляют только 4 элемент (98%) – углерод, водород, кислород, азот – макроэлементы . К микроэлементам относятся магний, натрий, калий, каль­ций, железо, калий, сера, фосфор, хлор ; в сумме они составляют около 2-3%. К группе ультрамикроэлементов относят цинк, медь, йод, фтор, марганец, кобальт, кремний и др. (суммарное содержание порядка 0,1%). Из известных се­годня более 20 млн. химических соединений, основная доля приходится на долю органических вещества.

Химическая эволюция среди огромного количества соединений для построения живых организмов отобрала лишь несколько сотен. Так, в состав белков входит только 20 аминокислот, всего четыре нуклеотида участвуют в построении ДНК и РНК, ответственных за наследственность и регуляцию белково­го синтеза в любых живых организмах. В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селек­тивности действия каталитических групп.

Распределение элементов в земной коре и в живом организме:

В основе химических процессов клетки лежит биокатализ, основанный на способности различных природных веществ, участвующих в химических реакциях, управлять ими, замедляя или ускоряя их протекание. Ферменты (энзимы) – белки, обладающих каталитической активностью.

В 1964 г. проф. А.П. Руденко представил теорию самоорганизации элементарных открытых каталитических систем , в последствии ставшая основой общей теории химической эволюции и биогенеза , раскрывающая многие важные эволюционные вопросы. Химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем. Теория саморазвития открытых каталитических систем дает возможность определить рубеж перехода неживого в живое.

Контрольные вопросы

1.Что такое химическая связь?

2.От чего зависит выделение или поглощение энергии в экзотермических или эндотермических химических реакциях?

3.Сформулируйте основные законы термохимии.

4.Что такое реакционная способность вещества?

5.От чего зависит скорость протекания химических реакций?

6.Что такое химическое равновесие?

7.В чем заключается принцип Ле-Шателье применительно к химическим реакциям?

8.Назовите основные законы химического строения вещества.

9.Почему при обратимых реакциях особенно велика роль катализаторов?

10. Какова роль физики в понимании и решении проблем химического соединетия?

4. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

4.1. Внутреннее строение и история образования Земли

Земля, как и другие планеты, возникла из солнечного вещества. Документальными свидетелями допланетной стадии развития вещества и ранних этапов существования Земли служат соотношения изотопов и радиоактивность химических элементов, из которых состоят Земля и метеориты. На основании данных астрофизики и космохимии можно предполагать, что задолго до формирования планет Солнечной системы их вещество прошло звездную стадию, включавшую синтез ядер атомов в недрах звезд, одна из которых была предком Солнечной системы. В результате взрыва этой звезды в плоскости ее экватора образовалась протопланетная туманность.

Исходным материалом для образования планет был так называемый звездный газ – разобщенные ионизированные атомы. По мере охлаждения из него возникали твердые частицы, и происходила их консолидация. Древнейшими твердыми телами Солнечной системы являются метеориты. По данным ядерной геохронологии, их возраст составляет 4,5–4,7 млрд. лет. Абсолютный возраст вещества Луны – 4,7 млрд. лет. Земля как планета имеет аналогичный возраст.

Земля как небесное тело образовалось при температурах ниже точки плавления составляющих ее материалов. Затем начался ее разогрев вследствие распада радиоактивных элементов. Кроме того, Земля нагревалась за счет кинетической энергии соударения метеоритных потоков. В результате произошла дифференциация химических веществ планеты на оболочки разного строения и состава.

4.1.1. Внутреннее строение Земли

Главными методами изучения внутренних частей нашей планеты являются, в первую очередь, геофизические наблюдения за скоростью распространения сейсмических волн, образующихся при взрывах или землетрясениях. Среди них выделяют волны продольных и поперечных колебаний. Продольные колебания представляют собой чередования сжатия и растяжения вещества в направлении распространения волны, поперечные колебания – чередующиеся сдвиги в направлении, перпендикулярном распространению волны.

Продольные волны распространяются как в твердом, так и в жидком веществе, поперечные – только в твердом. Следовательно, ecли при прохождении сейсмических волн через какое-либо тело будет обнаружено, что оно не пропускает поперечные волны, то можно считать, что это вещество находится в жидком состоянии. Если через тело проходят оба типа сейсмических волн, то это свидетельство твердого состояния вещества

Скорость волн увеличивается с возрастанием плотности вещества. При резком изменении плотности вещества скорость волн будет скачкообразно изменяться. Изучение распространения сейсмических волн через Землю показало, что имеется несколько определенных границ скачкообразного изменения скоростей волн. Поэтому предполагается, что Земля состоит из нескольких концентрических оболочек (геосфер).

На основании установленных трех главных границ раздела выделяют три главные геосферы: земную кору, мантию и ядро (рис.4.).

Рис. 4. Строение Земли

Первая граница раздела характеризуется скачкообразным увеличением скоростей продольных сейсмических волн от 6,7 до 8,1 км/с. Эта граница получила название раздела Мохоровичича (в честь открывшего ее сербского ученого А. Мохоровичича), или просто граница М. Она отделяет земную кору от мантии. Плотность вещества земной коры не превышает 2,7 – 3,0 г/см³ . Граница М расположена под континентами на глубине от 30 до 80 км, а под дном океанов - от 4 до 10 км.

Учитывая, что радиус земного шара равен 6371 км, земная шар представляет собой тонкую пленку на поверхности планеты, состав имеющую менее 1% ее общей массы и примерно 1,5% ее объема.

Мантия . Мантия – самая мощная из геосфер Земли. Она распростра няется до глубины 2900 км и занимает 82,26% объема планеты. В мантии сосредоточено 67,8% массы Земли. С глубиной плотность вещества мантии в целом возрастает с 3,32 до 5,69 г/см³ , хотя это происходит неравномерно.

На границе с земной корой вещество мантии находится в твер­дом состоянии. Поэтому земную кору вместе с самой верхней ча­стью мантии называют литосферой.

Агрегатное состояние вещества мантии ниже литосферы недос­таточно изучено и по этому поводу имеются различные мнения. Предполагается, что температура мантии на глубине 100 км состав­ляет 1100 – 1500°С, в глубоких частях – значительно выше. Давле­ние на глубине 100 км оценивается в 30 тысяч атмосфер, на глубине 1000 км – в 1350 тысяч атмосфер. Несмотря на высокую температуру, судя по распространению сейсмических волн, вещество ман­тии преимущественно твердое. Колоссальное давление и высокая температура делают невозможным обычное кристаллическое со­стояние. По-видимому, вещество мантии находится в особом высо­коплотном состоянии, которое на поверхности Земли невозможно. Уменьшение давления или некоторое повышение температуры должны вызвать быстрый переход вещества в состояние расплава.

Мантию подразделяет на верхнюю (слой В, простирающийся до глубины 400 км), промежуточную (слой С – от 400 до 1000 км) и нижнюю (слой D – от 1000 до 2900 км). Слой С именуют также слоем Голицына (в честь русского ученого Б.Б. Голицына, устано­вившего этот слой), а слой В – слоем Гутенберга (в честь выделив­шего его немецкого ученого Б. Гутенберга).

В верхней мантии (в слое В) имеется зона, в которой скорость поперечных сейсмических волн значительно уменьшается. По-видимому, это связано с тем, что вещество в пределах зоны частично находится в жидком (расплавленном) состоянии. Зона пониженной скорости распространения поперечных сейсмических волн предполагает, что жидкая фаза составляет до 10%; это обусловливает более пластичное состояние вещества по сравнению с выше и ниже рас­положенными слоями мантии.

Относительно пластичный слой пониженных скоростей сейсмических волн получил название астеносферы (от греч. asthenes – слабый). Мощность ослабленной зоны достигает 200–300 км. Распола­гается она на глубине примерно 100–200 км, но глубина меняется: в центральных частях океанов астеносфера располагается выше, под устойчивыми участками материков опускается глубже.

Астеносфера имеет весьма важное значение для развития глобальных эндогенных геологических процессов. Малейшее нарушение термодинамического равновесия способствует образованию огромных масс расплавленного вещества (астенолитов), которые поднимаются вверх, способствуя перемещению отдельных блоков литосферы по поверхности Земли. В астеносфере возникают магматические очаги. Исходя из тесной связи литосферы с астеносферой эти два слоя часто объединяют под названием тектоносфера.

В последнее время внимание ученых привлекает зона мантии, расположенная на глубине 670 км. Полученные данные позволяют предполагать, что эта зона намечает нижнюю границу конвективного тепломассообмена, который связывает верхнюю мантию (слой В и верхнюю часть промежуточного слоя с литосферой.

В пределах мантии скорость сейсмических волн в целом возрастает в радиальном направлении от 8,1 км/с на границе земной кс ры с мантией до 13,6 км/с в нижней мантии. Но на глубине около 2900 км скорость продольных сейсмических волн резко уменьшаете до 8,1 км/с, а поперечные волны глубже вообще не распространяются. Этим намечается граница между мантией и ядром Земли.

Ученым удалось установить, что на границе мантии и ядра в интервале глубин 2700–2900 км происходит зарождение гигантских тепловых струй, периодически пронизывающих всю мантию и проявляющихся на поверхности Земли в виде обширных вулканических полей.

Ядро . Ядро Земли – центральная часть планеты. Оно занимает только около 16% объема Земли, но содержит более трети всей ее массы. Судя по распространению сейсмических волн, периферия ядра находится в жидком состоянии. В то же время наблюдения за происхождением приливных волн позволили установить, что упругость Земли в целом очень велика (больше упругости стали).

В ядре господствуют условия чрезвычайно высокого давления несколько миллионов атмосфер. В этих условиях происходит полное или частичное разрушение электронных оболочек атомов, вещество «металлизируется», т.е. приобретает свойства, характерные для металлов, в том числе высокую электропроводность. Возможно, что земной магнетизм является результатом электрических токов, возникающих в ядре в связи с вращением Земли вокруг своей оси.

Плотность ядра – 5520 кг/м³ , т.е. вещество, составляющее ядро, в два раза тяжелее каменной оболочки Земли. Вещество ядра неодно­родно. На глубине около 5100 км скорость распространения сейсмических волн вновь возрастает с 8100 м/с до 11000 м/с. Поэтому предполагают, что центральная часть ядра твердая.

Вещественный состав оболочек Земли . Исследование вещественного состава оболочек Земли представляет весьма сложную проблему. Для непосредственного изучения состава доступна лишь земная ко­ра. Имеющиеся данные свидетельствуют, что земная кора состоит преимущественно из силикатов, а 99,5% ее массы составляют восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, маг­ний, кальций, натрий и калий. Все остальные химические элементы в сумме образуют около 1,5%.

О составе более глубоких сфер земного шара можно судить лишь ориентировочно, используя геофизические данные и результаты изу­чения состава метеоритов. Поэтому модели вещественного состава глубинных сфер Земли, разработанные разными учеными, различа­ются. Можно с большой уверенностью предполагать, что верхняя мантия также состоит из силикатов, но по сравнению с земной корой содержащих меньше кремния и больше железа и магния, а нижняя мантия – из оксидов кремния и магния, кристаллохимическая струк­тура которых значительно более плотная, чем у этих соединений, на­ходящихся в земной коре.

Еще более гипотетичны представления о составе ядра Земли. Учи­тывая высокую плотность (9,4–11,5 г/см) и невозможность распро­странения поперечных сейсмических волн, ученые предполагают, что периферия ядра находится в состоянии расплава и состоит из ок­сидов или сульфидов железа с примесью кремния, углерода и неко­торых других элементов. По причине еще большей плотности цен­тральной части ядра можно ожидать, что она близка к составу же­лезных метеоритов и состоит из никелистого железа.

4.1.2. История геологического строения Земли

Историю геологического строения Земли принято изображать в виде последовательно появляющихся друг за другом стадий или фаз. Отсчет геологического времени ведется от начала процесса образо­вания Земли.

Фаза 1 (4,7–4 млрд. лет). Происходит образование Земли из газа, пыли и планетезималей. В результате энергии, выделяющейся в процессе распада радиоактивных элементов, и столкновения планетезималей Земля постепенно разогревается. Падение на Землю гигантского ме­теорита приводит к выбросу материала, из которого образуется Луна.

Согласно другой концепции Протолуна, находящаяся на одной из гелиоцентрических орбит, была захвачена Протоземлей, в резуль­тате чего образовалась двойная система Земля–Луна.

Дегазация Земли приводит к началу образования атмосферы, состоящей в основном из углекислоты, метана и аммиака. В конце рассматриваемой фазы за счет конденсации водяного пара начинается образование гидросферы.

Фаза 2 (4–3,5 млрд. лет). Возникают первые острова, протоконтиненты, сложенные из горных пород, содержащих преимущественно кремний и алюминий. Протоконтиненты незначительно возвыша­ются над еще очень мелководными океанами.

Фаза 3 (3,5–2,7 млрд. лет). Железо собирается в центре Земли и образует ее жидкое ядро, которое обусловливает возникновение магнитосферы. Создаются предпосылки для появления первых организмов, бактерий. Продолжается формирование континентальной коры.

Фаза 4 (2,7–2,3 млрд. лет). Образуется единый суперконтинент Пангея, которому противостоит суперокеан Панталасса.

Фаза 5 (2,3–1,5 млрд. лет). Охлаждение коры и литосферы приводит к распаду суперконтинента на блоки-микроплиты, пространство между которыми заполняют осадки и вулканы. В результате возникают складчато-надводные системы, и образуется новый суперконтинент – Пангея I. Органический мир представлен сине-зелеными водорослями, фотосинтезирующая деятельность которых способствует обогащению атмосферы кислородом, что ведет к дальнейшему развитию органического мира.

Фаза 6 (1700–650 млн. лет). Происходит деструкция Пангеи I, образование бассейнов с корой океанского типа. Формируются два cyперконтинента: Гондвана, куда вошли Южная Америка, Африка, Мадагаскар, Индия, Австралия и Антарктида, и Лавразия, включающая Северную Америку, Гренландию, Европу и Азию (кроме Индии). Гондвану и Лавразию разделяет море Тетис. Наступают первые ледниковые эпохи. Органический мир стремительно насыщается многоклеточными бесскелетными организмами. Появляются первые скелетные организмы (трилобиты, моллюски и др.). Происходит нефтеобразование.

Фаза 7 (650–280 млн. лет). Горный пояс Аппалачей в Америке соединяет Гондвану с Лавразией – образуется Пангея II. Обозначаются контуры палеозойских океанов – Палеоантлантического, Палеотетиса, Палеоазиатского. Гондвану дважды охватывает покровное оледенение. Появляются рыбы, позднее – амфибии. Растения и животные выходят на сушу. Начинается интенсивное углеобразование.

Фаза 8 (280–130 млн. лет). Пангея II пронизывается все более густой сетью континентальных рифов, щелевидных ровообразных растяжений земной коры. Начинается раскалывание суперконтинента. Африка отделяется от Южной Америки и Индостана, а последний – от Австралии и Антарктиды. Наконец Австралия отделяется от Антарктиды. Покрытосеменные растения осваивают значительные пространства суши. В животном мире господствуют пресмыкающиеся и земноводные, появляются птицы и примитивные млекопитающие. В конце периода погибают многие группы животных, в том числе огромные динозавры. Причины этих явлений обычно видят либо в столкновении Земли с крупным астероидом, либо в резком усиле­нии вулканической деятельности. То и другое могло привести к глобальным изменениям (увеличению содержания углекислоты в атмосфере, возникновению крупных пожаров, похолоданию), несо­вместимым с существованием многих видов животных.

Фаза 9 (130 млн. лет–600 тыс. лет). Крупным изменениям подвергает­ся общая конфигурация материков и океанов, в частности Евразия отделяется от Северной Америки, Антарктида – от Южной Америки. Распределение материков и океанов стало весьма близким к совре­менному. В начале рассматриваемого периода климат на всей Земле теплый и влажный. Конец периода характеризуется резкими климатическими контрастами. Вслед за оледенением Антарктиды происходит оледенение Арктики. Складываются фауна и флора, близкие к современным. Появляются первые предки, современного человека.

Фаза 10 (современность). Между литосферой и земным ядром поднимаются и опускаются потоки магмы, сквозь щели в коре они прорываются наверх. Обломки океанической коры опускаются вплоть до самого ядра, а затем всплывают и, возможно, образуют новые острова. Литосферные плиты сталкиваются друг с другом и находятся под постоянным воздействием потоков магмы. Там, где плиты расходятся, образуются новые сегменты литосферы. Постоянно происходит процесс дифференциации земного вещества, который преобразует состояние всех геологических оболочек Земли, в том числе и ядра.

4.2. Современные концепции развития геосферных оболочек

4.2.1. Концепция глобальной геологической эволюции Земли

Разработка концепции глобальной эволюции Земли позволила представить развитие геосферных оболочек.

Концепция глобальной эволюции Земли в объяснении динамических истоков развития геосферных оболочек решающее значение придает:

· однородности химического состава первичной Земли;

· изменению ее термодинамических состояний под воздействием энергетических потоков;

· приобретению расплавленным веществом Земли текуче-подвижных состояний, приводящих к его химико-плоскостной дифференциации;

· образованию в результате дифференциации вещества Земли ее геосферных оболочек;

· эволюции геосферных оболочек в процессе непрекращающихся изменений динамических характеристик Земли.

Каждый новый шаг в осмыслении возникновения, эволюции и развития (коренных преобразований) геосферных оболочек требует четкого выделения тех динамических факторов, которые детерминируют геологические события. В этом состоит суть, главное содержание концепции глобальной эволюции Земли.

Энергетическая динамика Земли определяется в основном тремя составляющими: энергией гравитации (около 82%), энергией радиоактивного распада (около 12%), приливной энергией (около 4%). Что касается солнечной энергии, то она, частично поглощаясь внешними геосферными оболочками, отражается ими же в космос. Земля стала тектонически активной далеко не сразу, а лишь после ее разогрева, который из-за наличия приливных сил (высота волн прилива достигала 1 км) оказался наибольшим в приповерхностных слоях планеты. Высокие температуры на поверхности способствовали постепенному разогреванию вещества планеты, переводя его в расплавленное состояние. Вещества Земли, обладавшие наибольшей плотностью, стали диффундировать в центр планеты.

В первичном составе Земли содержалось много железа (около 13%) и его двухвалентной окиси (около 24%).

Железо появилось отчасти за счет межзвездной материи, из которой образовалась Земля, и захвата ею метеоритов, в которых содержалось около 30% железа. Стекшие железа и его окислов в центр планеты привело к образованию ядра Земли. Более легкие вещества (SiO2, MgO и др.) при этом переходили в верхние слои планеты, где они, остывая, образовали астеносферу и литосферу. Собственно мантия Земли оказалась заключенной между ядром планеты и ее твердыми приповерхностными областями, т.е. литосферой. Дегазация планеты привела к образованию атмосферы Земли. За счет конденсации водяных паров атмосферы образовалась гидросфера.

Итак, было время (4,6–4,0•10⁹ лет назад), когда Земля не была дифференцирована на геосферные оболочки. Все геосферные оболочки являются результатом дифференциации вещественного составам первичной Земли. Атмосфера оказывает давление на литосферу и гидросферу, две последние упруго сжимают мантию планеты, которая в свою очередь спрессовывает ядро Земли. Если же двигаться от центра планеты к ее периферии, то динамическая картина оказывается другой. Ядро Земли притягивает к себе вещество всех других геосферных оболочек, охватывает их обручем инициированного им магнитного поля, нагревает мантию и достигающие его оболочки литосферы. Мантия Земли передает мощные потоки тепловой энергии литосфере, раздвигает океаническое дно и перемещает литосферные плиты. Литосфера и гидросфера оказывают тепловое воз­действие на атмосферу, передавая ей также огромные массы вещества являющиеся продуктами выветривания и испарения.

Таким образом, геодинамическая активность Земли также имеет свою историю: она находится в полном соответствии с историей эволюции геосферных оболочек.

4.2.2. История формирования геосферных оболочек

Рассмотрим в свете концепции глобальной эволюции Земли историю формирования основных геосферных оболочек.

Этапы развития Земли с позиций концепции глобальной геоэволюции .

С позиций концепции глобальной геоэволюции в развитии Земли выделяют следующие этапы:

1)образование планеты (4,7–4 млрд. лет назад);

2)нарастание тектонической деятельности Земли и достижение ею своего пика (4–2,2 млрд. лет назад);

3)период относительного постоянства в тектонической деятельности планеты (2,2 млрд. лет назад – 6 млрд. лет вперед);

4)угасание тектонической деятельности Земли (0,6 млрд. лет назад – 1,6 млрд. лет вперед);

5)остывание планеты (1,6–5 млрд. лет вперед);

6) опаление Земли в результате расширения перед угасанием Солнца (около 5 млрд. лет вперед).

Формирование ядра . Формирование ядра Земли началось примерно 4,6 • 10⁹ лет назад. Расчеты показывают, что оно было особенно интенсивным в период (3–2,6) • 10⁹ лет назад. После 2,6 млрд. лет наращивание массы земного ядра начало резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядра увеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд. т в год. «Металлическое железо» покинуло мантию Земли примерно 500 млн. лет назад, оставшийся в ней магнетит (Fe₃ O₄ ) распадается по схеме: 2Fе₃ O₄ →6FeO + O₂ , при этом FeO переходит но внешнее ядро Земли. Остывание Земли привело к частичному или полному затвердеванию как ее мантии, так и ядра.

Формирование мантии . Мантия по своему вещественному составу наиболее близка к составу первичного вещества Земли. Тем не менее, именно в ней процессы химико-плотностной дифференциации идут наиболее энергично: на протяжении 4 млрд. лет она проходит все новые стадии своего вещественного обеднения. Тяжелое вещество уходит к центру планеты, в ее ядро. Легкие элементы перемещаются в лито-, атмо- и гидросферу. Из мантии Земли полностью исчезли FeS, Fe, Ni. По сравнению с составом первичной Земли она существенно обеднела легкими веществами (К₂ О, Na₂ O, N₂ , H₂ и др.) Вместе с тем происходящая в мантии химико-плотностная дифференциация приводит к росту в процентном содержании оксидов кремния (SiO₂ ) и магния (MgO). В сумме эти два оксида составляют около 83% состава современной мантии (против 57% в составе первичного вещества Земли).

Современная мантия охвачена мощными конвективными движениями, за счет которых тепловая энергия ядра и мантии передается другим геосферным оболочкам. Теплопотери Земли приведут к ее остыванию и переходу мантии в твердое литосферное состояние.

Формирование литосферы . Литосфера образовалась в процессе осты­вания и кристаллизации частично расплавленного вещества мантии Земли. Ее часто называют «силикатным льдом». Имеется в виду, что литосфера, состоящая в основном из силикатов, т.е. солей кремние­вых кислот, содержащих SiO₂ , формируется подобно образованию льда при замерзании воды. Формирование литосферы началось 4–3,5 млрд. лет назад. Около 2 млрд. лет ушло на формирование cyперконтинента Пангеи. Последующая тектоническая деятельность Земли привела к раскалыванию Пангеи и образованию новых суперконтинентов.

Современная история литосферы связана прежде всего с тектоникой океанических плит. При раздвижении литосферы вещество астеносферы внедряется в разломы рифтовых зон и, охлаждаясь, образует молодую океаническую литосферу. Океаническая кора cпособна надвигаться на концы континентальных плит, в результате чего образуются складчатые структуры. Обломки океанических литосферных плит, увлекаясь мантийными потоками, опускаются вплоть до ядра Земли, перемешиваются с другим мантийным веществом и вновь поднимаются на поверхность. Так осуществляются циклы тектони­ческой деятельности Земли. В далеком будущем непременно про­изойдет их замедление, вплоть до полной остановки.

Формирование гидросферы . Молодая Земля была лишена гидросферы. Последняя появилась благодаря дегазации Земли, инициируемой изливавшимися на ее поверхность мантийными расплавами, которые, попав в условия с минимальным давлением, вскипали (как известно, температура кипения тем ниже, чем меньше давление) и выделяли летучие вещества, в том числе пары воды. Чем сильнее нарастали конвективные явления в мантии, тем чаще ив большей массе извергались на поверхность Земли потоки магмы и тем больше становился объем первоначально неглубокого океана. Из-за поглощения части воды океанической, а также континентальной корой глубина океана увеличивалась медленно. И лишь после полного насыщения водой слоя океанической коры, а произошло это около 2,2 млрд, лет назад, дно океана стало быстро опускаться (до средней глубины современного океана).

Наибольший приток воды происходил в период охвата конвективными движениями всей мантии Земли, т.е. около 2,6 млрд. лет назад. Приток воды в Мировой океан имеет место и в наши дни, он будет продолжаться и в дальнейшем. Ослабление тектонической активности Земли, остывание ее мантии, образование в этой связи особо глубоких океанических впадин и поглощение части воды глубоко стегающими осадочными породами океанической литосферы приведет к тому, что будут вновь видны срединно-океанические хребты.

Формирование атмосферы . Согласно концепции глобальной эволюции Земли история атмосферы связана с дегазацией планеты отнюдь не меньше, чем история гидросферы. Полагают, однако, что уже на ранних этапах своей эволюции (4,7–4 млрд. лет назад) Земля, еще не приобретя гидросферы, уже обладала атмосферой, но крайне разреженной. Она состояла главным образом из летучих соединений, которые распространены в космосе, т.е. Н₂ , Не, N₂ , CH4, NH3, С0₂ , СО.

Рождение плотной атмосферы оказалось связанным с выделением тех летучих соединений, которые попали на Землю в связанном состоянии: вода – с гидросиликатами, азот – с нитритами и нитра­тами, углекислый газ – с карбонатами и т.д. Подлинным динамическим источником атмосферы Земли оказалась начавшаяся ее активная дегазация (4 млрд. лет назад). Около 3 млрд. лет назад Земля пыла окутана плотной, состоящей в основном из азота (N₂ ) и угле­кислого газа (С0₂ ) атмосферой с давлением до 4 атм. Последующая история Земли связана в основном со своеобразной «заменой» угле­кислого газа кислородом.

Насыщение слоя океанической коры водой сопровождалось связыванием С0₂ в карбонаты (доломиты), поскольку при избытке углекислого газа в атмосфере реакции гидратации сопровождаются его связыванием в карбонаты.

Это привело к извлечению углекислого газа из атмосферы и снижению его парциального давления почти до современного. Обеднение атмосферы СО₂ –газом, задерживающим инфракрасное (тепловое) излучение Земли, привело к резкому снижению приземной температуры (с 90 до 6°С), которое 2,4 млрд. лет назад сопровождалось грандиозным оледенением.

Активную роль в извлечении углекислого газа из атмосферы сыграли также зеленые растения и фотосинтезирующие микроорганизмы. Речь идет о процессе фотосинтеза, суммарное выражение которого выглядит следующим образом:

Насыщение атмосферы кислородом происходило также благодаря фотолизу паров воды под воздействием коротковолнового излучения Солнца:

Н₂ О -» ОН ⁺ + Н ⁺ , 4ОН ⁺ - -> О₂ + 2Н₂ О,

а также галогенизации оксидов щелочных и щелочноземельных металлов:

2Na₂ O + 2С1₂ – 4NaCl + О₂ ; 2СаО + 2F₂ = 2CaF₂ + О₂ .

Далеко не весь кислород переходил непосредственно в атмосферу. Его мощным поглотителем являлось свободное железо:

3Fe + 2О₂ -> Fe₃ O₄ (Fe₂ O₃ • FeO).

Свободное железо исчезло из мантии Земли около 600 млн. назад. Это способствовало увеличению концентрации кислорода в атмосфере, что благоприятствовало быстрому развитию многоклеточных организмов.

В современных условиях выделяющийся в мантии кислород частично поглощается:

4FeO + О₂ -> 2Fe₂ O₃ .

Расчеты показывают, что через 600 млн. лет содержащееся в мантии железо окажется в состоянии магнетита (Fe₃ O₄ ). Магнетит устойчив в мантии, но при переходе в ядро Земли он распадается:

2Fe₃ O₄ -> 6FeO + О₂ .

Свободный кислород, не встречая препятствий, устремится в атмосферу. Это, согласно расчетам, приведет к быстрому росту давления атмосферы (до 10 атм), приземная температура достигнет 250°С. После вскипания воды океанов давление возрастет до 350 атм, а приземная температура – до 450°С. В новых условиях жизнь окажется невозможной.

Подводя итог, отметим, что с позиций концепции глобальной эволюции Земли развитие геосферных оболочек связано главным образом с динамическими факторами. Среди них наиглавнейшим является энергия, выделяемая в процессе химико-плотностной дифференциа­ции вещества в мантии и ядре Земли. Механизм химико-плотностной дифференциации вещества определяет как само наличие геологических явлений, так и их специфику.

4.3. Литосфера как абиотическая основа жизни

4.3.1. Понятие литосферы

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, которая включает всю земную кору и часть верхней мантии. Это особый слой толщиной порядка 100 км.

Нижняя граница литосферы нечеткая и определяется резким уменьшением вязкости пород, изменением скорости распростране­ния сейсмических волн и увеличением электропроводности пород.

Актуальность изучения литосферы обусловлена тем, что она является источником всех минеральных ресурсов, одним из основных объектов антропогенной деятельности. В верхней части континентальной земной коры развит почвенный слой, значение которого для человека трудно переоценить. Почва – органоминеральный продукт, созданный в результате многолетней деятельности живых организмов и воздействия абиотических факторов: воды, воздуха, солнечного тепла, света. Она является одним из важнейших природных ресурсов. В зависимости от климатических и геолого-географических условий почвы имеют толщину от 15–25 см до 2–3 м.

Почва возникла вместе с живым веществом и развивалась под влиянием деятельности растений, животных и микроорганизмов, пока не стала очень ценным для человека плодородным субстратом. Основная масса организмов и микроорганизмов литосферы сосредоточена в почве на глубине не более нескольких метров.

Современные почвы являются трехфазной системой (твердые частицы, вода и газы, растворенные в воде), состоящей из смеси минеральных частиц (продукты разрушения горных пород) и органических веществ (продукты жизнедеятельности микроорганизмов и грибов). Почвы играют огромную роль в кругообороте воды, углекислого газа и других веществ.

С разными породами земной коры, как и с ее тектоническими структурами, связаны разные полезные ископаемые: горючие, металлические, строительные и т.д.

4.3.2. Экологический функции литосферы

Обычно выделяют четыре экологические функции литосферы: ресурсную, геодинамическую, геофизическую и геохимическую.

Ресурсная функция литосферы определяется ролью содержащихся в ней ресурсов, а также факторами пространственного характера, значимыми для жизни биоты и человека. Общеизвестно, что литосфера содержит различные материальные ресурсы, большинство из которых активно используются человеком. Именно в этой связи наблюдается значительная ресурсная напряженность, которая не только не убывает, но и год от года нарастает.

Человечество стоит перед необходимостью системного гeopecypcного концептуального мышления. Весьма актуальные призывы и практические акции к ресурсосбережению необходимы, но недостаточны. Человечество пока намного более успешно разрушает, чем восстанавливает литосферу. С большим трудом осознается, что объектом охраны является такой грандиозный объект, как литосфера.

Геодинамическая функция литосферы связана с масштабными природными и антропогенными процессами, влияющими на жизнь биоты и человека. Речь идет об аномалиях и напряженных состояниях горных массивов, участках повышенной трещиноватости и проницаемости, регионах, опасных в сейсмическом отношении или охваченных деятельностью вулканов.

Геохимическая функция литосферы касается в основном тех геохимических неоднородностей, которые представляют опасность для биоты, в том числе для человека. Речь идет, прежде всего, о химическом загрязнении, привнесении в литосферу различных токсикантов (тяжелых металлов, пестицидов, пластмасс). Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами.

Геофизическая функция литосферы реализуется посредством физиче­ских факторов, радиации, шумовых и тепловых эффектов. На поверхности Земли постоянно наблюдается естественный радиационный фон, который с медицинской точки зрения, как правило, не является вредным. Однако есть такие регионы, например, в Индии и Бразилии, где радиационный фон превышает предельно допустимый в 100 и даже 1000 раз.

4.3.3. Литосфера как абиотическая среда

В литосфере происходит множество процессов (сдвиги, сели, обвалы, эрозии и др.), имеющих целый ряд неблагоприятных экологических последствий в определенных регионах планеты, а иногда приводящих к глобальным экологическим катастрофам, цунами, землятрясениям и т.д. Перечислим некоторые из них.

Выветривание . Разрушение и преобразование горных пород в результате выветривания происходит под воздействием различных природных факторов – климата, рельефа, водной среды и веществ атмосферы. В зависимости от сочетания можно выделить различные виды выветривания, в частности физическое, химическое и биохимическое.

Причинами физического выветривания являются перепады суточных температур, рост кристаллов солей, расклинивающее влияние замерзающей воды в трещинах и порах и корневой системы деревьев

Химическое выветривание происходит при совместном воздействии температуры и агрессивной водной среды, содержащей в растворенном состоянии различные химические соединения.

Биохимическое выветривание осуществляется в результате воздействия органических кислот, выделяемых организмами, и преобразования их отмерших остатков.

Стадийность парообразовательных процессов – окисление, гидратация, растворение и гидролиз – приводит к формированию определенной зональности профилей выветривания. Коры выветривания играют важную экологическую роль. С ними связаны месторождения алюминия, никеля, кобальта, меди, железа и различные геохимические аномалии.

Оползни и сели . Под воздействием гравитации происходит перемещение обломков горных пород по поверхности Земли. Скорость и перемещения зависит от размеров обломков и уклона склона. Часто гравитационные процессы называют склоновыми. Возникшие в результате склоновых процессов отложения называются коллювием.

Гравитационные процессы разделяются на провальные, обвальные и медленные. В результате водно-гравитационных процессов возникают оползни и сели. Гравитационные процессы на конитинентальных склонах приводят к возникновению огромных по размерам подводных оползней.

Геологическая деятельность ветра . Часто геологическую деятельность ветра называют эоловой (по имени древнегреческого бога ветров – Эола). Геологическая деятельность ветра слагается из дефляции, переноса рыхлого материала и аккумуляции. Особенно ярко эоловая деятельность проявляется в пустынных областях и оголенных, лишенных растительного покрова, широких и плоских речных долинах и на побережьях крупных озер, морей и океанов. Ветер не только разрушает, переносит и отлагает тонкий песчаный материал, но и создает эоловый песчаный рельеф – барханы, продольные гряды, дюны и эоловую рябь. С деятельностью ветра связано образовани лёсса. В основном эоловая деятельность наносит ущерб хозяйственной деятельности человека.

Поверхностные водостоки . Деятельность поверхностных вод начинается с эрозии, плоскостного смыва, накопления делювия, формирования оврагов и временных горных потоков, в устье которых формируются конусы выноса, сложенные пролювиальным и делювиальным материалом. Реки производят большую эрозионную, переносную и аккумулятивную работу и в этом смысле играют важнейшую экологическую роль. В речных долинах имеются поймы и надпойменные террасы. Последние могут быть эрозионными и аккумулятивными. В устьевых частях рек в зависимости от ряда причин формируются дельты или эстуарии.

Подземные воды . Подземные воды по своему происхождению подразделяются на следующие типы: инфильтрационные, конденсационные, седиментогенные, магматогенные, или ювенильные, иметаморфогенные. Выделяются почвенные воды и верховодка; в зоне полного насыщения распространены грунтовые воды, межпластовые ненапорные воды и межпластовые напорные, или артезианские, воды. Перемещение подземных вод зависит от водопроницаемости пород, их трещиноватости. С подземными водами связаны карстовые процессы, выражающиеся в создании поверхностного и подземного рельефа, а также своеобразных аккумулятивных отложений и форм. К числу поверхностных форм карстового рельефа относятся карры, поноры, карстовые воронки, котловины, полья, а к подземному — пещеры и каналы (шахты). В пещерах формируются сталактиты и сталагмиты.

Озера, водохранилища и болота . Озера и болота располагаются в понижениях рельефа и заполняются проточной или застойной водой. Озерные котловины создаются различными эндогенными и экзо­генными геологическими процессами. В то время как в озерах экзо­генные процессы складываются из абразионной транспортирующей и аккумулятивной деятельности, в болотах протекают только аккумулятивные процессы. В озерах и болотах формируются в основном тонкие обломочные и органогенные осадки. Среди болот различают озерные, лесные, луговые, верховые, низинные и приморские. Созданные человеком водохранилища по характеру геологических процессов относятся к озерам.

Многолетнемерзлые породы и грунты . Многолетнемерзлые породы и грунты занимают около 60% территории России, но также широко распространены в Канаде и на Аляске. Мощность криолитозоны достигает 900 м. Имеются районы, где глубина многолетнего промерзания составляет 1500 м. В криолитозоне большое значение имеют различные типы льдов: погребенный, повторно-жильный, миграционный. Среди подземных вод в криолитозоне выделяют надмерзлотные межмерзлотные, внутримерзлотные и подмерзлотные.

Мерзлотно-геологические процессы и возникающие в результате их деятельности формы рельефа весьма различны. На склонах происходят процессы, которые приводят к возникновению солифлюкционных террас. Из-за деградации криолитозоны появляется термокарст.

Материковые и горные ледники . Площадь современных материков покровных (Гренландия и Антарктида) и горных ледников превышает 160 млн. км² . Предгорные ледники представляют собой слившиеся горные ледники, выходящие в предгорья. Движение ледников связано с пластичным или высокопластичным течением льда. При движении ледников происходит перенос обломочного материала и его аккумуляция.

К ледниковым отложениям относятся морены, среди которых различают донные, абляционные, конечные; к водно-ледниковым – озы, комы и камовые террасы. В приледниковых областях выделяют зандры, лимногляциальные (озерно-ледниковые) отложения и лёссы.

Осадки морей и океанов . В морях и океанах накапливаются различные типы осадков, среди которых выделяют терригенные (обломочные) хемогенные, органогенные и вулканогенные. Распространение генетических типов осадков зависит от климатической, вертикальной и циркумконтинентальной зональностей. За счет процессов диагенеза осадки с течением времени преобразуются в горные породы.

Извержения вулканов . Магматические горные породы возникают из алюмосиликатного расплава – магмы. Разнообразие магматических пород определяется дифференциацией магмы и ее взаимодействием с вмещающими образованиями. Флюидное давление играет большую роль в кристаллизации магмы. Типы вулканических построек и разнообразие извержений зависят от состава магмы, формы подводящего канала и концентрации летучих веществ. Распространение вулканов связано с активными границами литосферных плит.

Контрольные вопросы

1. Какова история образования оболочек Земли?

2. Каков главный метод изучения внутреннего строения Земли?

3. Перечислите основные геосферы.

4. Что такое граница Мохоровичича?

5. Назовите основные фазы образования Земли.

6. Что такое суперконтиненты Пангея I и II?

7. В какие периоды возникла атмосфера Земли?

8. Каковы основные экологические функции литосферы?

9. Какими факторами определяется энергетическая динамика Земли?

10. В чем суть концепции литосферных плит?

5. БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

5.1. Особенности биологического уровня организации материи

Биология (от греч. «биос» – жизнь, «логос» – учение) – наука о живой природе.

Биология изучает живые организмы – вирусы, бактерии, грибы, животных и растения. В настоящее время на Земле описано около 3 млн. ви­дов живых организмов (более 100 тыс. видов грибов, около 500 тыс. видов растений и более 2 млн. видов животных). Однако реальное число видов на Земле в несколько раз больше. Современный видовой состав – это лишь около 5% от видового разнообразия жизни за период ее суще­ствования на Земле.

По изучаемым объектам биологию подразделяют на самостоятельные науки – микробиологию, ботанику, зоологию , включающие частные дисциплины: систематику (изучает разнообразие и родство разных групп живых организмов), морфологию (исследует внешнее строение органов и их видоизменения), анатомию (изучает внутренне строение), физиологию (изучает процессы, протекающие в живых организмах).

По уровню изучения живой материи различают: молекулярную биологию , учение о клетке – цитологию (от греч. «цитос» – клетка), учение о тканях – гистологию (от греч. «гистос» – ткань), науку об органах – анатомию , биологию организмов, популяций, видов и т.д.

Единые закономерности, характерные для всего живого и раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие, составляет предмет общей биологии . Универсальные свойства живого – наследственность и изменчивость изучает генетика . Взаимоотношени­я живых организмов между собой и со средой их обитания изучает экология (от греч. «ойкос» – дом, жилище, местообитание).

Разнообразие используемых методов и подходов химии, физики и математики для исследования живой природы позволяет выделить биохимию, молекулярную биологию, биофизику, генную инженерию (создание организмов с новыми комбинациями наследственных признаков и свойств) и др.

Мир живых существ, включая человека, представлен биологическими системами различной структурной организации и разного уровня соподчинения. Все живые организмы (кроме вирусов) состоят из клеток. Клетки одноклеточных организмов представляют собой целостные, способные выполнять все необходимые для обеспечения жизнедеятельности функции. Клетки многоклеточных организмов специализированы, т.е. могут осуществлять лишь какую-либо одну функцию и не способны само­стоятельно существовать вне организма, взаимосвязь многих клеток приводит к созданию нового ка­чества, не равнозначного простой их сумме. Элементы организма – клетки, ткани и органы – в сумме еще не представляют собой це­лостный организм. Лишь соединение их в исторически сложившийся в процессе эволюции порядок и их взаимодействие образуют целостный организм, способный существовать в окружающей среде в динамическом равновесии с ней.

Происхождение жизни на Земле. Основные теории возник­новения жизни. Креационизм, самопроизвольное зарождение жизни, стационарного состояния, панспермии. Теория биохи­мической эволюции. Теория коацерватов А.И. Опарина: орга­нические вещества могли синтезироваться из более простых со­единений под действием интенсивной солнечной радиации. Ре­шающую роль в превращении неживого в живое сыграли белки. Опыты Стенли Миллера. Природа первых организмов – гетеротрофы. Симбиогенез как возможный путь формирования клет­ки эукариот.

Цитология – наука о клетке. Клетка – система мембран. Впервые название клетка применил Роберт Гук. Одноклеточные организмы открыл Антон Левенгук. Т. Шванн сформулировал клеточную теорию. Карл Бэр открыл яйцеклетку млекопитаю­щих.

Современная клеточная теория:

Клетка – основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого .

Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому со­ставу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену ве­ществ.

Размножение клеток происходит путем их деления и каж­дая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки.

В сложных многоклеточных организмах клетки специали­зированы по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.

Прокариоты и эукариоты. Особая - неклеточная форма жизни – вирусы.

Оболочка клетки. Многослойная мембрана, состоящая из белков и липидов. Функции: барьер, транспорт – обмен веществ, механическое соединение за счет выростов и каналов. Диффу­зия, осмос, фильтрация, избирательная проницаемость, фагоци­тоз, пиноцитоз. Органоиды – органы клетки и выполняемые ими основные функции.

Химический состав клетки: липиды, углеводы, белки.

Состав и функции белков. Полимеры состоят из многих мономеров – аминокислот. У всех аминокислот есть одинаковая часть, состоящая из аминогруппы и карбоксильной группы другая часть аминокислот разная – называется радикалом. Структура белка: первичная, вторичная, третичная, четвертич­ная.

Нуклеиновые кислоты. ДНК, РНК – полимеры, состоят из нуклеотидов . Состав: азотистое основание, углевод и фосфор­ная кислота. Аденин, гуанин, цитозин, тимин. Удвоение моле­кулы ДНК происходит по принципу комплиментарности.

Обмен веществ. 1) Обеспечение клетки строительным материалом – пластический обмен. 2) Обеспечение клетки энергией – энергетический обмен. Постоянный обмен веществ и энергии. Открытая система

Энергетический обмен (в частности, получение клеткой энергии) происходит за счет расщепления аденозинтрифосфорной кислоты до аденозиндифосфорной кислоты. АТФ по струк­туре относится к нуклеотидам. В ней содержатся остатки азоти­стого основания (аденина), углевода (рибозы) и три остатка фосфорной кислоты. Под действием определенных ферментов она подвергается гидролизу, т.е. присоединяет молекулу воды и расщепляется. Восстановление запаса АТФ идет в две стадии: гликолиз – бескислородное расщепление и дыхание – кислород­ное расщепление. Участвуют многочисленные ферменты. Ос­новное условие нормального течения кислородного процесса – целостность митохондриальных мембран.

Автотрофы и гетеротрофы . Фотосинтез – синтез органиче­ских соединений, идущий за счет энергии солнечного излучения. Световая фаза и темновая фаза. Хемосинтез присутствует у азотфиксирующих и нитрифицирующих бактерий. Окисление аммиака в азотную кислоту. Окисление азотистой кислоты в азотную.

Код ДНК. Отрезок молекулы ДНК , содержащий информацию о первичной структуре одного определенного белка, называется геном. В молекуле ДНК содержится несколько сотен генов. На молекулах ДНК записана и хранится информация о первичной структуре всех белков данной клетки. Транскрипция. Размножение и индивидуальное развитие организмов. Одно из свойств живого – дискретность, то есть на любом уровне организации живая материя представлена элементарными структурными единицами. Для клетки – это органоид и его целостность обуславливается постоянным воспроизведением ноорганоидов вместо износившихся. Каждый организм состоит из клеток. Развитие и существование организма обеспечивается размножением клеток.

Животный мир и мир растений состоят из отдельных единиц – видов . Каждая особь данного вида смертна и существова­ние видов поддерживается размножением организмов. Таким образом, дискретность жизни предполагает ее воспроизводство, т о есть процесс размножения.

Две основные формы размножения – половое и бесполое , половое – смена поколений и развитие организмов при образовании специализированных половых клеток. При бесполом размножении новая особь появляется из неспециализированных теток тела - соматических, неполовых.

При бесполом размножении процесс деления клеток называется митозом. Генотип идентичен материнскому.

Половое размножение дает генетическое преимущество по сравнению с бесполым. Происходят комбинации генов, при­надлежащих обоим родителям. Поскольку рекомбинация генов происходит в каждом поколении, то это дает значительно более богатый материал для эволюции, чем мутационный процесс.

Основное направление эволюции полового размножения – сингамия, т.е. оплодотворение, при котором обязательно слия­ние двух половых клеток, происходящих от разных особей. Та­кой тип полового размножения наилучшим образом обеспечи­вает генетическое разнообразие потомства.

Гаметогенез – развитие половых клеток. В них содержится гаплоидный набор хромосом – в два раза меньше, чем в сомати­ческих клетках. Процесс образования половых клеток – мейоз. Биологическая роль мейоза заключается в поддержании посто­янства хромосомного набора, свойственного данному виду ор­ганизмов. Функции сперматозоида – внесение генетической информа­ции в яйцеклетку и активация ее развития. В яйцеклетке же за­ложены все основные факторы, позволяющие организму разви­ваться. У некоторых животных яйцеклетка может развиваться без оплодотворения – партеногенез. При партеногенезе образуются особи только одного пола – мужского или женского.

Индивидуальное развитие (онтогенез ) – процесс реализа­ции генетической информации, полученной от родителей. Эм­бриональный и постэмбриональный периоды.

Начальные стадии эмбрионального развития.

1) Дробле­ние – многоклеточный зародыш – бластула. Клетки имеют дип­лоидный набор хромосом, одинаковы по строению, т.е. клетки бластулы не дифференцированы.

2) Гаструляция – образуются первые эмбриональные ткани. Происходит дифференциация клеток. Возникают два зародышевых листка – наружный экто­дерма и внутренний – энтодерма. Затем формируется новый за­родышевый листок – мезодерма. Клетки каждого листка отли­чаются особенностями строения. Зародышевые листки занима­ют определенное положение в зародыше и дают начало соот­ветствующим органам.

3) Первичный органогенез – образование комплекса осевых органов зародыша – нервной трубки, хорды, кишечной трубки.

Из одних и тех же зародышевых листков у разных видов образуются одни и те же ткани и органы. Это говорит о гомологичности зародышевых листков, что, в свою очередь, является одним из доказательств единства животного мир.

Постэмбриональный период развития начинается в момент рождения или выхода организма из яйцевых оболочек. Разви­тие может быть прямым или сопровождаться метаморфозом. При прямом развитии из яйцевых оболочек или из тела матери выходит организм небольших размеров, но в нем заложены все основные органы, свойственные взрослому животному (беспозвоночные с неполным превращением, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие). В период постэмбрионального развития происходит значительный рост организма и половое созре­вание.

При развитии с метаморфозом из яйца выходит личинка, подчас не имеющая сходства со взрослым организмом, со спе­циальными личиночными органами, которые отсутствуют во взрослом состоянии. Личинка растет и развивается. Личиноч­ные органы заменяются на органы взрослого организма. Мета­морфоз связан с переменой образа жизни или среды обитания. Значение заключается в том, что личинки могут самостоятельно питаться и растут, накапливая клеточный материал для форми­рования органов, свойственных взрослым животным. Смена жизненных фаз позволяет виду разнообразнее использовать экологические ниши, имеющиеся в биоценозе, а также несет расселительную функцию.

Закон зародышевого сходства Карла Бэра. Появление в эмбриональном периоде развития современных животных при­знаков, свойственных далеким предкам, отражает эволюцион­ные преобразования в строении органов.

Биогенетический закон Мюллера и Геккеля . Онтогенез ка­ ждой особи есть краткое и быстрое повторение филогенеза ви­да, к которому эта особь относится.

А.Н.Северцов установил, что в индивидуальном развитии проявляются признаки не взрослых предков, а их зародышей. Таким образом, основу филогенеза составляют изменения, про­ исходящие в онтогенезе отдельных особей.

Генетика изучает два фундаментальных свойства живых организмов – наследственность и изменчивость . Наследствен­ность – это свойство родителей передавать свои признаки и осо­бенности развития следующему поколению. Обеспечение пре­емственности свойств – лишь одна из сторон наследственности; вторая сторона – обеспечение точной передачи специфического для каждого организма типа развития, становления в ходе он­тогенеза определенных признаков и свойств, определенного ти­па обмена веществ. Клетки, через которые осуществляется пре­емственность поколений, – половые при половом размножении и соматические при бесполом – несут в себе только зачатки возможности развития признаков и свойств. Эти зачатки по­лучили название генов. Ген – это участок молекулы ДНК (или участок хромосомы), определяющий возможность развития отдельного элементарного признака. При наличии в орга­низме (генотипе) какого-либо гена признак, обусловленный этим геном, может и не проявиться. Возможность развития признаков в значительной степени зависит от условий внеш­ней среды. У всех организмов данного вида каждый ген рас­полагается в одном и том же месте (или локусе) строго опре­деленной хромосомы. Гаплоидный и диплоидный набор хро­мосом. Аллельные гены и множественный аллелизм. Генотип и фенотип.

Законы Менделя . Гибридное потомство. Явление преобла­дания у гибрида признака одного из родителей Мендель назвал доминированием. Признак – доминантный. Подавляемый – ре­цессивный. Гомозиготный и гетерозиготный организмы. Не­полное доминирование. Явление расщепления.

Гипотеза чистоты гамет. Анализирующее скрещивание. Сцепленное наследование генов - явление совместного наследо­вания генов, локализованных в одной хромосоме, а локализа­ция генов в одной хромосоме – сцеплением генов.

Генетика определения пола. Хромосомы, одинаковые у обоих полов, называются аутосомами. Половые хромосомы те, по которым мужской и женский полы отличаются друг от друга. Гомогаметный XX. Гетерогаметный ХУ. Наследование, сцепленное с полом.

Методы генетических исследований: гибридологический метод (метод скрещивания); цитогенетический метод; генеало­гический метод; близнецовый метод.

Закономерности изменчивости. Изменчивость – процесс, отражающий взаимосвязь организма с внешней средой (генотипическая и модификационная). Наследственные измене­ ния – мутации. Изменения, вызванные факторами внешней сре­ды, не являются наследственными. Степень варьирования при­знака называется нормой реакции. Гомологические ряды Вави­лова.

Развитие биологии в додарвиновский период. Истоки эволюционного учения - воззрения натурфилосо­фов Древней Греции.

Основные знания об окружающем нас мире получены в пе­риод начиная с эпохи Возрождения до настоящего времени. Эпоха Возрождения – представление об абсолютной неизменяе­мости природы. Вершиной искусственной систематики явилась система К. Линнея в середине XVIII века. Ученый-метафизик XVIII в. Ж. Кювье – виды животных созданы Творцом и оста­ются неизменными.

Первая теория эволюционного развития органического мира создана в конце XVIII – начале XIX веков Ж.-Б. Ламарком. Эволюционное учение Ламарка строится на признании из­менчивости организмов вследствие влияния внешней среды и наследования приобретенных признаков.

К. Рулье (русский ученый) – середина XIX века – считал, что по общему закону природы все организмы образуются пу­тем медленных и постоянных изменений. Крупнейший русский эмбриолог YIX века К. Бэр обосновал закон зародышевого сходства. Во второй четверти XIX века М. Шлейден и Т. Шванн соз­дали клеточную теорию – научное обоснование единства жи­вотного мира.

Основные идеи эволюционного учения Дарвина:

Учение о естественном отборе. Каждый вид организмов стремится к безграничному размножению, но огромная часть организмов гибнет, не оставив потомства. Причины гибели - конкуренция с представителями своего же вида за корм, напа­дение врагов, действие неблагоприятных абиотических факторов. Следует второй вывод: в природе происходит непрерывная борьба за существование. Дарвин выделил 3 формы борьбы за существование: а) внутривидовую; б) межвидовую; в) борьбу с неживой природой - неблагоприятными условиями. В природе происходят процессы избирательного уничтожения одних особей и преимущественного размножения других, это явление Ч. Дарвин назвал естественным отбором или выживанием наи­ более приспособленных.

При изменении условий внешней среды меняется направ­ление давления отбора и полезными для выживания оказыва­ются какие-то иные признаки по сравнению с существующими. Движущей силой изменения видов, т.е. эволюции, является есте­ственный отбор. Материалом для отбора служит наследствен­ ная изменчивость .

В основе эволюционной теории Ч. Дарвина лежит пред­ ставление о виде . Видом называется совокупность особей, сход­ных по строению, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство

Одна из важнейших характеристик вида – его репродуктив­ная изоляция. Реально вид существует в виде популяций. Попул яция является элементарной единицей эволюции.

Учение о микроэволюции составляет ядро современного дарвинизма.. Микроэволюция – процесс, идущий на уровне популяций. Образование нового вида – это итог микроэволюции.

В микроэволюционном процессе выделяются элементар­ные единицы, явления и процессы. Элементарная эволюционная единица – популяция , элементарный эволюционный материал – наследственная изменчивость, элементарные факторы эволюции: а) мутационный процесс; б) популяционные волны (волны сизни); в) изоляция; г) естественный отбор.

Мутационный процесс ведет к изменению частот отдельных аллелей (генов) в популяции и является поставщиком нового материала в популяцию. Поддерживая высокую степень генетического разнообразия популяций, он создает основу для действия естественного отбора. Многие мутации оказываются федными. Обезвреживание мутаций происходит в результате толового процесса. Безграничная изменчивость была бы вредна, но выработаны механизмы, не только увеличивающие изменчивость, но и понижающие ее.

Популяционные волны или колебание численности популяций. Действие волн жизни предполагает неизбирательное случайное уничтожение особей, благодаря чему редкий перед началом волны аллель может сделаться обычным и быть под­хвачен естественным отбором. Влияние популяционных волн может быть особенно заметно в популяциях малой величины. Волны жизни – поставщики эволюционного материала.

Изоляция. Изоляция – возникновение любых барьеров, ограничивающих панмиксию. Изоляция закрепляет и усили­вает начальные стадии генетической дифференцировки, без этого закрепления невозможно формообразование (видо­образование). Важная характеристика – длительность изоля­ции. В природе существуют: пространственная и биологиче­ская изоляции (биотопическая, этологическая, морфофизиологическая).

Естественный отбор – это единственный направленный эволюционный фактор, движущая сила эволюции. Предпосыл­ки естественного отбора: гетерогенность особей, прогрессия размножения и давление жизни. Во всех случаях избыточная численность и экологическая предпосылка естественного отбо­ра – борьба за существование. Объект отбора – особи или груп­пы особей. В пределах популяции отбираются, то есть преиму­щественно оставляют потомство особи, обладающие какими-либо преимуществами перед другими, т.е. в процессе естествен­ного отбора важно дифференциальное размножение особей. С позиций генетики под естественным отбором нужно пони­ мать избирательное воспроизведение разных генотипов. Глав­ ное значение в эволюции имеет не само выживание особей, а их вклад в генофонд популяции.

Существует важное ограничение сферы действия отбора. Он не может изменить организацию вида без пользы для этого вида. Однако отбор часто ведет к созданию признаков и свойств, невыгодных для отдельной особи и полезных для попу­ляции в целом (жало пчелы). Естественный отбор доказан экс­периментально.

Основные формы естественного отбора в популяциях.

1. Стабилизирующий отбор . Это форма естественного отбора, направленного на поддержание в популяциях среднего, ранее сложившегося, значения, признака. Действует до тех пор, пока условия жизни существенно не меняются.

2. Движущий отбор . Движущей (или направленной) фор­мой отбора принято называть отбор, способствующий сдвигу среднего значения признака или свойства. Такой отбор способ­ствует закреплению новой нормы взамен старой, пришедшей в соответствие с изменяющимися условиями.

3. Дизруптивный отбор . Дизруптивный отбор направлен против особей со средним и промежуточным характером при­знаков и ведет к установлению полиморфизма в пределах попу­ляций. Популяция как бы разрывается по данному признаку на несколько групп.

Другие, более частные формы отбора: половой, индивидуальный, групповой.

Результат действия естественного отбора – возникновение адаптации или приспособлений, например, таких как покрови­тельственная окраска, мимикрия, предостерегающая окраска, различные средства защиты у растений и животных.

Целесообразность живой природы – результат исторического развития видов в определенных условиях. Поэтому она всегда относительна и имеет временный характер. Ни один из приспособительных признаков не обеспечивает абсолютной безопасности. Любые приспособления целесообразны только в обычной для вида обстановке. При изменении условий среды они оказываются бесполезными или даже вредными (резцы грызунов).

Преадаптации. В некоторых случаях у животных оказыва­ются развитыми те органы или структуры, которые могут оказаться полезными для освоения новой среды обитания. Такие явления носят названия предадаптаций.

Видообразование – источник возникновения многообразия в живой природе. Видообразование – это разделение прежде единого вида на два или несколько. Основные пути и способы видообразования – аллопатрическое (географическое) и симпатрическое.

Макроэволюция. Под ней понимается эволюция организ­мов выше видового уровня. Гранью между микро- и макроэво­люцией является этап формирования видов, видообразование. После образования вида единство и непрерывность эволюцион­ного процесса не нарушается. На фоне непрерывно текущего микроэволюционного процесса при видообразовании происхо­дят макроэволюционные значимые события. Одним из таких наиболее общих макроэволюционных событий может рассмат­риваться возникновение сложной системы форм родственных организмов, полностью биологически изолированных и обра­зующих иерархическую систему таксонов:

вид - род – семейство - отряд - класс и т.д.

Макроэволюционные процессы. Филогенез – или эволюция крупных систематических групп (выше видового).

Первичные формы филогенеза:

1. Филетическая эволюция – процесс изменения исходного вида. В процессе филетической эволюции получается филетическое древо. В отличие от микро­
эволюционного процесса филетическая эволюция необратима.
2. Дивергенция. Это другая первичная форма эволюции таксона (вида). В результате изменения направления отбора в разных условия происходит дивергенция (расхождение) ветвей древа жизни от единого ствола предков. Процессы дивергенции в макроэволюции необратимы.

Более частные макроэволюционные процессы – конверген ция и параллелизм. Конвергенция или возникновение различ­ных признаков в систематически далеких, неродственных груп­пах (крыло бабочки и летучей мыши). Параллелизм - формиро­вание сходного фенотипического облика у первоначально ра­зошедшихся (дивергировавших), но родственных групп.

Направления эволюции . Арогенез – переход эволюциони­рующей группы в новую адаптивную зону (крыло птицы, кистеперость рыб и т.д.). Аллогенез (идеоадаптации) - эволюция группы внутри одной адаптивной зоны.

Правила эволюции: необратимости эволюции - организм не может вернуться к прежнему состоянию; правило прогресси­рующей специализации – эволюционирующая группа идет по пути все более глубокой специализации; правило происхождения от неспециализированных предков – новые крупные группы берут начало от сравнительно неспециализированных предков; правило адаптивной радиации - эволюция любой группы со­провождается разделением ее на ряд филогенетических стволов, которые расходятся в разных адаптивных направлениях от не­кого исходного среднего состояния.

Современные проблемы эволюционного учения . Ней­тральная эволюция или постепенная эволюции за счет накопле­ния молекулярных изменений (мутаций), дрейфа генов и других процессов.

Монофилия и полифилия различных таксономических групп. Сетчатая эволюция - происхождение таксонов гибридогенным путем и один из возможных механизмов полифилитического происхождения некоторых групп. Гипотеза симбиогенеза и полифилитическое происхождение типов и царств природы.

Проблемы эволюции экосистем . Устойчивость экосистем и преобладание в ненарушенных экосистемах стабилизирующего отбора. Сильная взаимосвязь видов в экосистемах порождает их одновременную или сопряженную эволюцию (коэволюцию) при глобальных изменениях на Земле.

5.1.1. Уровни организации живой материи

Уровень организации живой материи – это функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей иерар­хии живого. Выделяют следующие уровни организации живой материи:

1. Молекулярный (молекулярно-генетический). На этом уровне живая материя организуется в сложные высокомолекулярные органические соединения, такие, как белки, нуклеиновые кис­лоты и др.

2. Субклеточный (надмолекулярный). На этом уровне живая материя организуется в органоиды: хромосомы, клеточную мембрану, эндоплазматическую сеть, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы, рибосомы и другие субклеточные струк­туры.

3. Клеточный . На этом уровне живая материя представлена клетками. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живого.

4. Органно-тканевой . На этом уровне живая материя организуется в ткани и органы. Ткань – совокупность клеток, сходных по строению и функциям, а также связанных с ними межклеточных веществ. Орган – часть многоклеточного организ­ма, выполняющая определенную функцию или функции.

5. Организменный (онтогенетический). На этом уровне живая материя представлена организмами. Организм (особь, индивид) – неделимая единица жизни, ее реальный носитель, характеризующийся всеми ее признаками.

6. Популяционно-видовой . На этом уровне живая материя организуется в популяции. Популяция – совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. Вид – совокупность особей (популяций особей), способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимающих в природе определенную область (ареал).

7. Биоценотический . На этом уровне живая материя образует биоценозы. Биоценоз – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.

8. Биогеоценотический . На этом уровне живая материя формирует биогеоценозы. Биогеоценоз – совокупность биоценоза и абиотических факторов среды обитания (климат, почва).

9. Биосферный . На этом уровне живая материя формирует биосферу. Биосфера – оболочка Земли, преобразованная деятельностью живых организмов.

Предсказать свойства каждого следующего уровня на основе свойств предыдущих уровней невозможно так же, как нельзя предсказать свойства воды, исходя из свойств кислорода и водорода. Такое явление носит название эмерджментность, то есть наличие у системы особых, качественно новых свойств, не присущих сумме свойств ее отдельных элементов. С другой стороны, знание особенностей отдельных составляющих системы значительно облегчает ее изучение.

5.1.2. Свойства живых систем

М. В. Волькенштейном предложено следующее определение жизни: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».

Однако до сих пор общепризнанного определения понятия «жизнь» не существует. Но можно выделить признаки (свойства) живой материи , отличающие ее от неживой.

1. Определенный химический состав . Живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы, однако соотношение этих элементов различно. Макроэлементами живых существ являются углерод С, кислород О, азот N и водород Н (в сумме около 98% состава живых организмов), а также кальций Са, калий К, магний Мg, фосфор Р, сера S, натрий Nа, хлор Сl, железо Fе (в сумме около 1–2%). Химические элементы, которые входят в состав живых организмов и при этом выполняют биологические функции, называются биогенными. Даже те из них, которые содержатся в клетках в ничтожно малых количествах (марганец Mn, кобальт Со, цинк Zn, медь Сu, бор В, иод I, фтор F и др.; их суммарное содержание в живом веществе составляет порядка 0,1 %), ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке – вода (75–85 % от сырой массы живых организмов) и минеральные соли (1–1,5 %), важнейшие органические вещества – углеводы (0,2–2,0 %), липиды (1–5 %), белки (10–15 %) и нуклеиновые кислоты (1–2 %).

2. Клеточное строение. Все живые организмы, кроме вирусов, имеют клеточное строение.

3. Обмен веществ (метаболизм) и энергозависимость . Живые организмы являются открытыми системами, они зависят от поступ­ления в них из внешней среды веществ и энергии. Живые существа способны использовать два вида энергии – световую и химическую , и поэтому признаку делятся на две группы: фототрофы (организмы, использующие для биосинтеза световую энергию – расте­ния, цианобактерии) и хемотрофы (организмы, использующие для биосинтеза энергию химических реакций окисления неорганических соединений – нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии и др.). В зависимости от источников углерода живые организмы делят на: автотрофы (организмы, способные создавать органические вещества из неорганических – растения, цианобактерии), гетеротрофы (организмы, использующие в качестве источника углерода органические соединения – животные, грибы и большинство бактерий) и миксотрофы (организмы, которые могут, как синтезировать органические вещества из неорганических, так и питаться готовыми органическими соединениями (насекомоядные растения, представители отдела эвгленовых водорослей и др.).

Пищевые вещества, попавшие в организм, вовлекаются в процессы метаболизма – обмена веществ. Выделяют две составные части метаболизма – катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) – совокупность реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболические реакции идут обычно с высвобождением энергии. Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме – аденозинтрифосфата (АТФ) . Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования , т.е. присоединения неорганического фосфата к АДФ. Катаболизм делится на несколько этапов:

1) подготовительный этап (расщепление сложных углеводов до простых – глюкозы, жиров до жирных кислот и глицерина, белков до аминокислот);

2) бескислородный этап дыхания – гликолиз , в результате глюкоза расщепляется до ПВК (пировиноградной кислоты); в итоге образуется 2АТФ (из 1 моль глюкозы). У анаэробов или у аэробов при его недостатке кислорода протекает брожение.

3) кислородный этап – дыхание – полное окисление ПВК осуществляется в митохондриях эукариот в присутствии кислорода и включает две стадии: цепь последовательных реакций – цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) и цикл переноса электронов ; в итоге образуется 36АТФ (из 1 моль глюкозы).

Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция) – понятие, противоположное катаболизму: совокупность реакций синте­за сложных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза). Для протекания анаболических реакций требуются затраты энергии. Наиболее важным метаболическим процессом пластического обмена является фотосинтез (фотоавтотрофия) – синтез органических со­единений из неорганических за счет энергии света.

Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.

4. Саморегуляция (гомеостаз). Живые организмы обладают способностью поддерживать гомеостаз – постоянство своего химического состава и интенсивность обменных процессов.

5. Раздражимость. Живые организмы проявляют раздражимость, то есть способность отвечать на определенные внешние воздействия специфическими реакциями. Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществлявляется с участием нервной системы – рефлекс. Реакция на раздражение у простейших животных называется – таксис , выражающийся в изменении характера и направления движения. По отношению к раздражителю выделяют фототаксис – движение под воздействием источника света, хемотаксис – перемещение организма в зависимости от концентрации химических веществ и др. Выделяют положительный или отрицательный таксис в зависимости от того, действует раздражитель на организм позитивно или негативно. Реакция на раздражение у растений – тропиз , выражающийся в определенный характер роста. Так, гелиотропизм (от греч. «Гелиос» – Солнце) означает рост наземных частей растений (стебля, листьев) по направлению к Солнцу, а геотропизм (от греч. «Гея» – Земля) – рост подземных частей (корней) по направлению к центру Земли.

6. Наследственность. Живые организмы способны переда­вать неизменными признаки и свойства из поколения в поколение с помощью носителей информации – молекул ДНК и РНК.

7. Изменчивость. Живые организмы способны приобретать новые признаки и свойства. Изменчивость создает разнообразный исходный материал для естественного отбора, т.е. отбора наиболее приспособленных особей к конкретным условиям существования в природных условиях, что в свою очередь приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.

8. Самовоспроизведение (размножение). Живые организмы способны размножаться – воспроизводить себе подоб­ных. Благодаря размножению осуществляются смена и преемственность поколений. Принято различать два основных типа размножения:

- Бесполое размножение (участвует одна особь) наиболее широко распространено среди прокариот, грибов и растений, но встречаются и у различных видов животных. Основные формы бесполого размножения: деление, спорообразование, почкование, фрагментация, вегетативное размножение и клонирование (клон – генетическая копия одной особи).

- Половое размножение (обычно осуществляется двумя особями) характерно для подавляющего большинства живых организмов и имеет огромное биол. значение. Вся совокупность явлений, связанных с половым размножением, складывается из 4 основных процессов: образование половых клеток – гамет (гаметогенез); оплодотворение (сингамия – слияние гамет и их ядер) и образование зиготы; эмбиогенез (дробление зиготы и формирование зародыша); дальнейший рост и развитие организма в послезародышевый (постэмбриональный) период. Биологическое значение полового размножения заключается не только в самовоспроизведении особей, но и в обеспечении биологического разнообразия видов, их адаптивных возможностей и эволюционных перспектив. Это позволяет считать половое размножение биологически, более прогрессивным, чем бесполое. Половое размножение осуществляется с помощью специализированных половых клеток – гамет, имеющих вдвое меньшим числом хромосом, чем соматические клетки. Женские гаметы называют яйцеклетками, мужские – сперматозоидами. Для некоторых групп организмов характерны так называемые нерегулярные типы полового размножения: партеногенез (развитие зародыша из неоплодотворенной яйцеклетки – пчелы, муравьи, термиты, тля, дафнии), апомиксис (развитие зародыша из клеток зародышевого мешка или неоплодотворенной яйцеклетки у цветковых растений) и др.

9. Индивидуальное развитие (онтогенез). Каждой особи свойственен онтогенез – индивидуальное развитие организма от зарождения до конца жизни (смерти или нового деления). Развитие сопровождается ростом.

10. Эволюционное развитие (филогенез). Живой материи в целом свойственен филогенез – историческое развитие жизни на Земле с момента ее появления до настоящего времени.

11. Адаптации. Живые организмы способны адаптироваться, то есть приспосабливаться к условиям окружающей среды.

12. Ритмичность. Живые организмы проявляют ритмичность жизнедеятельности (суточную, сезонную и др.).

13. Целостность и дискретность. С одной стороны, вся живая материя целостна, определенным образом организована и подчиняется общим законам; с другой стороны, любая биологическая система состоит из обособленных, хотя и взаимосвязанных элементов. Любой организм или иная биологическая система (вид, биоценоз и др.) состоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных или отграниченных в пространстве, но, тем не менее, тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство.

14. Иерархичность. Начиная от биополимеров (белков и нук­леиновых кислот) и заканчивая биосферой в целом, все живое находится в определенной соподчиненности. Функциони­рование биологических систем на менее сложном уровне делает возможным существование более сложного уровня.

15. Негэнтропия. Согласно II закону термодинамики все процессы, самопроизвольно протекающие в изолированных системах, развиваются в направлении понижения упорядоченности, т.е. возрастания энтропии. В то же время по мере роста и развития живые организмы, наоборот, усложняются, что, казалось бы, противоречит второму началу. На самом деле это мнимое противоречие. Дело в том, что живые организмы представляют собой открытые системы. Организмы питаются, поглощая при этом энергию извне, выделяют в окружающую среду тепло и продукты жизнедеятельности, наконец, погибают и разлагаются. По образному выражению Э. Шредингера, «организм питается отрицательной энтропией». Совершенствуясь и усложняясь, организмы вносят хаос в окружающий их мир.

Кроме перечисленных, иногда выделяют физиологические свойства, присущие живому – рост, развитие, выделение и т.д.

5.1.3. Химический состав, строение и воспроизведение клеток

Из 112 химических элементов Периодической системы Д.И. Менделеева в состав организмов входит более половины. Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов или компонентов молекул неорганических и органических веществ. Относительно простые химические соединения, которые встречаются как в живой, так и в неживой природе (в минералах, природных водах), называют неорганическими (или минеральными) веществами. Многообразные соединения углерода, синтезируемые преимущественно живыми организмами, называют органическими веществами: углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты и др.

Вода – преобладающий компонент всех живых организмов; среднее содержание в клетках большинства организмов составляет около 70%. Воды выполняет следующие функции: универсальный растворитель, среда для протекания биохимических реакций, терморегулятор (поддерживает тепловое равновесие клеток благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности), осуществляет транспорт веществ, определяет осмотическое давление, вода – источник кислорода, выделяющегося при фотосинтезе.

Минеральные вещества – составляют до 1,5% сырой массы клетки. Наиболее важны H⁺ , K⁺ , Ca²⁺ , Mg²⁺ , HPO₄ ^2– , H₂ PO₄ ^– , Cl, HCO₃ ^– . Функции неорганических веществ: образуют межмембранный потенциал, поддерживают рН в клетке (буферные системы HPO₄ ^2– , H₂ PO₄ ^– и CO₃ ^2– , HCO₃ ^– ), создают осмотический потенциал, образуют скелет позвоночных, раковины моллюсков, активируют ферменты.

Углеводы (сахариды) – C_n (H₂ O)_m , в клетке от 0,2 до 2% в расчете на сухую массу. Моносахариды: глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза. Дисахариды: мальтоза, лактоза, сахароза. Полисахариды: гликоген, крахмал, целлюлоза, хитин. Биологическое значение: энергетическая, структурная, запасающая, защитная функции.

Липиды – нерастворимые в воде органические вещества (гидрофобны), содержание в клетках от 1 до 15%, в жировых до 90%. К липидам относятся: жиры (сложные эфиры глицерина и высокомолекулярных жирных кислот), воска, стеролы. Биологическое значение: энергетическая, запасающая, структурная, защитная, регуляторная, функции.

Белки (полипептиды) – полимеры, состоящие из 20 аминокислот. Растения способны самостоятельно синтезировать все аминокислоты, а животные лишь часть из них, поэтому остальные, называемые незаменимыми, они должны получать с пищей. Биол. значение: каталитическая, структурная, регуляторная, защитная, транспортная, энергетическая функции. В строении белков выделяют несколько структур: первичная структура (определяется последовательностью аминокислот), вторичная структура (вид спирали, возникает за счет водородных связей), третичная структура (вид глобула, образована за счет дисульфидных, ионных и гидрофобных связей), четвертичная структура (объединение нескольких третичных структур, удерживающихся ионными, водородными и гидрофобными связями – гемоглобин). Изменение свойств, конформации и биологической активности белка называют денатурацией .

Нуклеиновые кислоты – моно– или полинуклеотиды, выполняющие в клетке очень важные функции. Мононуклеотиды выступают в качестве источника энергии – АТФ, полинуклеотиды обеспечивают хранение и передачу наследственной информации – ДНК и РНК. Мононуклеотид состоит из азотистого основания (пурунового: аденин – А, гуанин – Г или пиримидинового: цитозин – Ц, тимин – Т, урацил – У), пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы ) и остатков фосфорной кислоты. Строение молекулы ДНК расшифровали Дж. Уотсон и Ф. Крик.

В нуклеотиде ДНК содержится одно из четырех азотистых оснований – аденин А, гуанин Г, тимин Т или цитозин Ц, сахар – дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. В нуклеотиде РНК содержится одно из четырех азотистых оснований – А, Г, У (вместо Т) или Ц, сахар – рибоза и остаток фосфорной кислоты. ДНК большинства живых организмов (кроме вирусов) состоят из двух антипараллельно направленных полинуклеотидных цепей, связанных водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарности : А=Т, Г≡Ц.

РНК – разнообразные по размерам, структуре и функциям одноцепочечные молекулы. Все молекулы РНК являются копиями определенных участков ДНК. Выделяют три вида РНК: мРНК (иРНК) – матрица для синтеза молекул белка; рРНК – составляет 50% субъединиц рибосом (50% белок); тРНК – присоединяют определенную аминокислоты к антикодону и транспортируют ее к месту сборки полипептида.

Одним из крупнейших обобщений XIX в. стала клеточная теория , изложенная в трудах Т. Шванна, М. Шлейдена и Р. Вирхова. Современная клеточная теория включает следующие положения:

- все живые организмы состоят из клеток (исключение составляют вирусы); клетки одноклеточных и многоклеточных животных и растительных организмов сходны (гомологичны) по строению, химическому составу, принципам обмена веществ и основным проявлениям жизнедеятельности.

- все живые организмы развиваются из одной или группы клеток; каждая новая клетка образуется в результате деления сходной (материнской) клетки.

- в сложных многоклеточных организмах клетки дифференцируются, специализируясь по выполнению определенной функции; клетки объединены в ткани и органы, функционально вязанные в системы, и находятся под контролем межклеточных, гуморальных и нервных форм регуляции.

Среди всего многообразия ныне существующих на Земле организмов выделяют вирусы, не имеющие клеточного строения, все остальные организмы представлены разнообразными клеточными формами жизни. Различают два типа клеточной организации: прокариотический и эукариотический .

Клетки прокариотических организмов устроены сравнительно просто. В них нет морфологически обособленного ядра, единственная хромосома образована кольцевидной ДНК и находится в цитоплазме, мембранные органеллы отсутствуют (их функцию выполняют различные впячивания плазматической мембраны). К надцарству прокариот относят бактерий. Одну из групп фотосинтезирующих бактерий (синезеленые водоросли, или цианобактерии) раньше относили к водорослям. Однако в настоящее время их рассматривают как специфическую группу бактерий.

Большинство современных живых организмов относится к одному из трех царств – растений, грибов и животных, объединяемых в надцарство эукариот .

Для растительных клеток характерно наличие толстой целлюлозной клеточной стенки, различных пластид, крупной центральной вакуоли, смещающей ядро к периферии. Клеточный центр высших растений без центриоли. В качестве резервного питательного углевода клетки растений запасают крахмал.

В клетках грибов клеточная оболочка содержит хитин, в цитоплазме имеется центральная вакуоль, отсутствуют пластиды. Главным резервным полисахаридом является гликоген.

Животные клетки имеют, как правило, тонкую клеточную стенку, не содержат пластид и центральной вакуоли, для клеточного центра характерна вакуоль. Запасным углеводом является гликоген.

В зависимости от количества клеток, из которых состоят организмы, последние делят на одноклеточные и многоклеточные. Одноклеточными являются все прокариоты, а также простейшие, некоторые зеленые водоросли и грибы. Несмотря на индивидуальные особенности, все клетки построены по единому плану и имеют много общих черт.

Эукариотическая клетка состоит из трех компонентов: оболочки, цитоплазмы и ядра.

Снаружи клетка окружена оболочкой, основу которой составляет плазматическая мембрана или плазмолемма . Мембраны состоят из белков и липидов (бимолекулярный слой). Мембраны, обладают свойством избирательной проницаемости (способны пропускать одни веществ и не пропускать другие), а также свойством самопроизвольного восстановления целостности структуры. Углеводный компонент в составе клеточных оболочек разных клеток выражен в различной степени: в животных клетках он относительно тонок и называется гликокаликсом , в растительных клетках углеводный компонент сильно выражен и представлен целлюлозной клеточной стенкой .

Внутреннее содержимое клетки представлено цитоплазмой , состоящей из основного вещества, или гиалоплазмы (т.е. водный раствор неорганических и органических веществ), и находящихся в нем разнообразных внутриклеточных структур. Последние представлены: включениями – относительно непостоянные компоненты, например запасные питательные вещества (зерна крахмала, белков, капли гликогена) или продукты, подлежащие выведению из клетки (гранулы секрета); органоидами – постоянные и обязательные компоненты боль­шинства клеток, имеющие специфическую структуру и выполня­ющие жизненно важные функции.

К органоидам клетки не имеющим мембранного строения относят рибосомы, микрофиламенты. микротрубочки, клеточный центр.

Рибосомы – структуры, состоящие из примерно равных по массе количеств рРНК и белка, представлены субъединицами: большой и малой. Функция рибосом – сборка белковых молекул.

Микротрубочки и микрофиламенты – нитевидные структуры, состоящие из различных сократительных белков, обуславливающие двигательные функции клетки.

Клеточный центр (центросома ) состоит из двух центриолей, участвующих в формировании митотического веретена клетки. Каждая центриоль имеет вид полого цилиндра, стенка которого образована 9 триплетами микротрубочек.

К мембранным органоидам эукариотической клетки относят структуры с одинарной мембраной – ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы, а также органоиды с двумя мембранами – митохондрии и пластиды. По симбиотической гипотезе о происхождении эукариотической клетки, митохондрии и пластиды являются потомками древних прокариот. Эти органеллы полуавтономны, т.к. обладают собственным аппаратом биосинтеза белка (ДНК, РНК, ферменты).

ЭПС (эндоплазматическая сеть) – разветвленная система полостей, трубочек и каналов. ЭПС – место синтеза белков и липидов, а также их транспорта внутри клетки. На мембране шероховатой ЭПС располагаются рибосомы (синтез белков). Мембраны гладкой ЭПС содержат ферменты синтеза почти всех липидов.

Аппарат Гольджи состоит из дисковидных мембранных полостей и отшнуровывающихся от них микропузырьков. Попадающие в АГ белки и липиды сортируются, упаковываются в секреторные пузырьки и транс­портируются к различным внутриклеточным структурам или за пределы клетки. Мембраны аппарата Гольджи способны образовывать лизосомы.

Лизосомы выполняют функцию внутриклеточного пере­варивания макромолекул пищи и чужеродных компонентов, поступающих в клетку. Для осуществления этих функций лизосомы содержат около 40 ферментов, разрушающих белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы.

Митохондрии важнейшие органоиды клетки, осуществляющие аэробное дыхание, в котором образуется основная часть молекул АТФ. Митохондрии называют энергетическими станциями клетки. Внутренняя мембрана образует многочисленные выросты кристы, пространство между ними заполнено матриксом, содержащим различные ферменты, нуклеиновые кислоты, рибосомы.

Пластиды присутствуют только в растительных клетках. Известны три типа пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Бесцветные лейкопласты выполняют запасающую функцию в корнях, семенах, клубнях, листьях. Желто-оранжевые хромопласты определяют окраску плодов, цветков, листьев. Зеленые хлоропласты на внутренней мембране имеют выросты – ламеллы , на которых расположены уплощенные пузырьки – тилакоиды , сложенные в стопки – граны . В мембранах гран находится хлорофилл, обеспечивающий протекание световой фазы фотосинте­за.

Специализированными органоидов общего значения являются сократительные вакуоли, синаптические пузырьки нервных клеток, микроворсинки эпителиальных клеток, реснички и жгутики.

Клеточное ядро – наиболее важный компонент эукариотических клеток (нет в проводящих клетках флоэмы и эритроцитах). Большинство клеток имеют одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки. В состав ядра входят ядерная оболочка и кариоплазма, содержащая хромосомы. Хромосомы – молекулами ДНК в комплексе с белками . Число хромосом в клетках каждого биологического вида постоянно. Обычно в ядрах клеток тела (соматических ) хромосомы представлены парами, в половых клетках они непарны. Одинарный набор хромосом в половых клетках называют гаплоидным ( n ), набор хромосом в соматических клетках – диплоидным (2 n ).

Диплоидный набор хромосом конкретного вида живых организмов, характеризующийся числом, величиной и формой хромосом, называется кариотипом .

Кариотип человека представлен 46 хромосомами (23 пары): 44 аутосомы и 2 половые хромосомы (у женщины две одинаковые X-хромосомы, у мужчины – Х и Y-хромосомы).

Пол, который образуют гаметы одинаковые по половой хромосоме, называют гомогаметным , а пол образующий разные гаметы – гетерогаметным .

У млекопитающий (в т.ч. человека), червей, большинства членистоногих, земноводных, некоторых рыб гомогаметным является женский пол, а гетерогаметным – мужской.

Одним из положений клеточной теории является постулат «omnis cellula e cellula » – каждая клетка из клетки. Деление клеток – жизненно важный процесс для всех организмов. В человеческом организме, состоящем примерно из 10¹³ клеток, каждую секунду должны делиться несколько миллионов из них. Существует несколько типов деления клеток.

Митоз – универсальный способ деления эукариотических кле­ток, состоящий из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы. При митозе образуются клетки с наследственной информацией, которая качественно и количественно идентична информации материнской клетки

Амитоз – прямое деление ядра две более или менее равные части, но дочерние клетки получают наборы неидентичные материнскому. Таким способом делятся стареющие и патологически измененные клетки, а также клетки эндосперма и кожного эпителия.

Мейоз (от греч. «мейозис» - уменьшение) – своеобразный способ деления клеток, приводящий к уменьшению в них числа хромосом вдвое. Мейоз является центральным звеном гаметогенеза у животных и спорогенеза у растений. Мейоз состоит из двух последовательных делений, которым предшествует однократная редупликация ДНК. После двух последовательных мейотических делений из одной клетки с диплоидным набором двухроматидных хромосом (1 n 4с ) образуются четыре клетки с гаплоидным набором однохроматидных хромосом (nс). Мейоз – основа комбинативной изменчивости, обеспечивая генетическое разнообразие гамет благодаря процессам кроссинговера (обмена участками между гомологичными хромосомами в профазе I мейотического деления), расхождения и комбинаторики отцовских и материнских хромосом.

5.1.4. Биосфера и ее структура

Термин «биосфера» использовал в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс для обозначения оболочки Земли, населяемой живыми организмами.

В 20-х гг. прошлого века в трудах В.И. Вернадского было разработано представление о биосфере как глобальной единой системе Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью. В.И. Вернадский впервые создал учение о геохимической роли живых организмов, показав, что их деятельность является главным фактором преобразования земной коры.

По В.И. Вернадскому: биосфера – та область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.

Участие каждого отдельного организма в геологической истории Земли ничтожно мало. Однако живых существ на Земле бесконечно много, они обладают высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания и, в конечном счете, представляют в своей совокупности особый, глобальных масштабов фактор, преобразующий верхние оболочки Земли. Биосферу рассматривают как наиболее крупную экосистему планеты, поддерживающую глобальный круговорот веществ.

Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере). На поверхности Земли в настоящее время полностью лишены живых существ лишь области обширных оледенений и кратеры действующих вулканов. В. И. Вернадский указывал на «всюдность » жизни в биосфере. Об этом свидетельствует исто­рия нашей планеты. Жизнь появилась локально в водоемах и затем распространялась все шире и шире, заняв все материки. Постепенно она захватила всю биосферу, и захват этот, по мнению В. И. Вернадского, еще не закончился.

В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает, прежде всего, температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5–15 км уже превышает 100˚С. В нефтяных месторождениях на глубине 2–2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве (живые организмы обнаружены до глубины 7,5 км). В океане жизнь распространена на всех глубинах и встречается на дне океанических впадин в 10–11 км и температурой около 0˚С. Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием ультрафиолетовой радиации. На высоте 25–27 км большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь озон. Все живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, погибает. Основная часть жизни в атмосфере сосредоточена в слое до 1–1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни около 6 км над уровнем моря.

В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жиз­ни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимо­связанных типов веществ. По В.И. Вернадскому, в состав биосферы входят следующие типы веществ.

1. Живое вещество – живые организмы, населяющие нашу планету (масса живого вещества составляет лишь 0,01% от массы всей биосферы).

2. Косное вещество – неживые тела, образующиеся в ре­зультате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы).

3. Биогенное вещество – неживые тела, образующиеся в результате деятельности живых организмов (некоторые оса­дочные породы: известняки, мел и др., а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др.).

4. Биокосное вещество – биокосные тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (почвы, илы, кора выветривания и др.).

5. Радиоактивное вещество – атомы радиоактивных элемен­тов – уран (²³⁸ U и ²³⁵ U), торий (²³² Th), радий (²²⁶ Ra) и радон (²²² Rn и ²²⁰ Rn), калий (⁴⁰ K), рубидий (⁸⁷ Rb), кальций (⁴⁸ Са), углерод (¹⁴ С) и др.

6. Рассеянные атомы – отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (в таком состоянии часто существуют атомы микро- и ультрамикроэлементов: Mn, Со, Zn, Сu, Аu, Hg и др.)

7. Вещество космического происхождения – вещество, поступающее на поверхность Земли из космоса (метеориты, космическая пыль).

5.1.5. Функции живого вещества биосферы

Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Выделяют сле­дующие основные геохимические функции живого вещества:

1. Энергетическая (биохимическая) – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов.

2. Газовая – способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. С газовой функцией связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода дос­тигла примерно 10% от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных космических излучений вы­полняла вода).

3. Концентрационная – «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколь­ко порядков. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Содержание марганца в некоторых бактериях может быть в миллионы раз больше, чем в окружающей среде. Результат концентрационной деятельности живого вещества – образование залежей го­рючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.

4. Окислительно-восстановительная – окисление и восстановление различных веществ с участием живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, Р, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.

5. Деструктивная – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (деструкторы) – сапротрофные грибы и бактерии.

6. Транспортная – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос может осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).

7. Средообразующая – преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной – представляет собой результат совместного действия других функций. Она имеет разные масштабы проявления. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры.

8. Рассеивающая – функция, противоположная концентрационной – рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо гемоглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми.

9. Информационная – накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

10. Биогеохимическая деятельность человека – превращение и перемещение веществ биосферы в результате человече­ской деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода – нефти, угля, газа и др.

Таким образом, биосфера представляет собой сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.

5.1.6. Круговорот веществ в биосфере

Основой самоподдержания жизни на Земле являются биогеохимические круговороты . Все химические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, совершают постоянные перемещения, переходя из живых тел в соединения неживой природы и обратно. Возможность много­кратного использования одних и тех же атомов делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного притока нужного количества энергии.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты.

Геологический круговорот (большой круговорот веществ в природе) – круговорот веществ, движущей силой которого являются геологические процессы. Проте­кает без участия живых организмов и осуществляет перерасп­ределение вещества между биосферой и более глубокими сло­ями Земли. Крупнейшие формы рельефа (материки и океанические впадины) и крупные формы (горы и равнины) образовались за счет эндогенных процессов, а средние и мелкие формы рельефа (речные долины, холмы, овраги, барханы и др.), наложенные на более крупные формы, – за счет экзогенных процессов.

Биологический (биогеохимический) круговорот (малый круговорот веществ в биосфере) – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов и совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота является солнеч­ная радиация, которая порождает фотосинтез. В экосистеме органические вещества синтезируются автотрофами из неорганических веществ, затем они потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ. В зависимости от расположения резервного фонда (т.е. веществ не связанных с живыми организмами) биогеохимические круговороты можно разделить на два типа:

1) Круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота).

2) Круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.).

Интенсивность биологического круговорота в первую оче­редь определяется температурой окружающей среды и количеством воды.

С появлением человека возник антропогенный круговорот, или обмен, веществ. Антропогенный круговорот (обмен) – круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две со­ставляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот).

Геологический и биологический круговороты в значительной степени замкнуты, чего нельзя сказать об антропогенном круговороте. Поэтому часто говорят не об антропогенном круговороте, а об антропогенном обмене веществ.

5.2. Принципы эволюции, воспроизводства и развития

живых систем

Биологическая эволюцией – это историческое развитие организмов, в основе которого лежат уникальные процессы функционирования генетической информации в конкретных условиях окружающей среды.

Основу принципов эволюции, воспроизводства и развития живых систем составляют, предложенные Ч. Дарвином, движущие силы эволюции: наследственная изменчивость, борьба за существование, естественный отбор .

5.2.1. Основные эволюционные учения

На протяжении многих веков господствовали представления о Божественном происхождении природы, о том, что виды организмов были созданы в их нынешних формах, после чего они же не изменялись. Представление о сотворении живых организмов Богом получило название креационизма . Видов животных и растений столько, сколько создано Богом; организмы построены в соответствии с изначальной целесообразностью, т.е. в зависимости от цели, которую поставил творец.

К концу XVIII в. было описано много животных и растений, проводились попытки их систематизации. Значительный вклад в создание системы природы внес выдающийся шведский ученый К. Линней. Он ввел принцип двойного наименования для обозначения положения определенного вида в системе, например Человек разумный.

История эволюционных учений характеризуется сменой различных представлений о факторах, способствовавших целесообразной адаптации организмов к среде.

Эволюционное учение Ламарка. Первая попытка разработки целостной теории эволюционного развития живого принадлежит Ж.-Б. Ламарку (начало XIX в.). В системе природы Ламарк разместил организмы в восходящем порядке – от простейших до высокоорганизованных существ. По его мнению, эволюция идет на основании внутреннего стремления организмов к прогрессу. Причиной многообразия живого Ламарк считал воздействие различных факторов среды, причем реакции организма на воздействия среды носят целесообразный характер и передаются по наследству. Например, при скудном растительном покрове почвы жираф вынужден ощипывать листья с деревьев, постоянно вытягивая шею, чтобы достать их. У животных, ведущих подземный образ жизни, орган зрения не использовался и в связи с неупражнением постепенно атрофировался (крот). Таким образом, Ж.-Б.Ламарк считал, что новые признаки всегда полезны и наследуются. Это представление об изначальной целесообразности любой реакции на измененные условия, так же как и мнение о прямом воздействии окружающей среды на эволюционные процессы и внутреннем стремлении организмов к прогрессу, оказались ошибочными.

Теория эволюции Дарвина. В 1858 г. Ч.Дарвин и независимо от него А.Р. Уоллес обосновали принцип естественного отбора и представление о борьбе за существование как механизме этого отбора. Теория эволюции путем естественного отбора основана на следующих положениях:

1. Для живого характерно наличие изменчивости , причем для эволюции громадное значение имеет наследственная изменчивость . При благоприятных условиях эти различия могут не играть существенной роли, при неблагоприятных – каждое мельчайшее различие может стать решающим в том, останется ли этот организм в живых и даст потомство или же он будет уничтожен.

2. Для организмов характерно размножение в гео­метрической прогрессии . Потенциально вид в каждом поколении производит гораздо больше особей, чем их может выжить до взрослого состояния на занимаемой территории. Следовательно, значительная часть родившихся гибнет в «борьбе за жизнь». В результате борьбы за существование происходит элиминация (физическая гибель или устранение при размножении) особей, которые по признакам наименее соответствуют условиям среды обитания. Таким образом, следствием борьбы за существование является естественный отбор.

Естественный отбор , по Дарвину, – это выживание наиболее приспособленных, и преимущественное оставление ими потомства . Естественный отбор не отбирает более приспособленных, они просто сохраняются в результате элиминации менее приспособленных.

Ч.Дарвин считал, что возникновение новых видов происходит постепенно путем накопления полезных индивидуальных изме­нений, увеличивающихся из поколения в поколение. Процесс видообразования происходит по принципу дивергенции , т.е. за счет расхождения признаков.

Таким, образом, результатом отбора является возникновение приспособлений и на этой основе – видового разнообразия .

Дарвин впервые предложил естественно-научное объяснение эволюционного про­цесса. Он указал на движущие силы эволюции: наследственная изменчивость, борьба за существование, естественный отбор ; дал объяснение механизма видообразования.

Синтетическая теория эволюции (СТЭ) возникла в конце XIX в. и представляет собой единение нескольких наук, первостепенными из них являются теория эволюции и генетика . Основные положения СТЭ по Н.Н. Воронцову следующие:

1. Материалом для эволюции служат, как правило, очень мелкие, но дискретные изменения наследственности – мутации .

2. Основным или даже единственным движущим фактором эволюции является естественный отбор, основанный на отборе (селекции) случайных и мелких мутаций.

3. Наименьшая эволюционирующая единица эволюции – популяция .

4. Эволюция носит дивергентный характер, т.е. один таксон может стать предком нескольких дочерних таксонов, но каждый вид имеет единственный предковый тип.

5. Эволюция носит постепенный и длительный характер.

6. Вид состоит из множества соподчиненных, морфологически, физиологически и генетически отличных, но репродуктивно не изолированных единиц – подвидов, популяций.

7. Обмен аллелями возможен лишь внутри вида. Вид – генетически целостная и замкнутая система.

8. Любой реальный, а не сборный таксон имеет однокорневое, монофилитическое происхождение.

5.2.3. Микро- и макроэволюция. Факторы эволюции

Эволюционный процесс разделяют на два этапа:

- микроэволюцию – возникновение новых видов;

- макроэволюцию – эволюционные преобразования на надвидовом уровне.

Теория микроэволюции изучает необратимые преобразования генетико-экологической структуры популяции (вида), приводящие к формированию нового вида. При этом популяция есть элементарная единица эволюции.

Теория макроэволюции рассматривает вопросы происхождения и развития надвидовых таксонов (классов, семейств, отрядов и т.д.), обосновывает закономерности развития жизни на Земле.

Процесс макроэволюции длится десятки и сотни миллионов лет, а микроэволюции тысячи тел.

Результатом эволюции является образование из попу­ляций новых видов. Выделяют два основных пути видообразования: 1) аллопатрическое или географическое видообразование , связанное с пространственной изоляцией дивергировавших групп и может осуществляться в основном путем миграции или расчленения ареала различными преградами (реки, горы, почвы, климат и др.); 2) симпатрическое видообразование осуществляется в пределах ареала исходного вида несколькими способами – путем попиплоидии, гибридизации, сезонной изоляции.

Вид – совокупность особей, характеризующихся общим происхождением, наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических особенностей, способных скрещиваться и давать плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям среды и занимающих определенный ареал. Критерии вида: морфологический, физиологический, биохимический, генетический, экологический, географический.

Популяция – совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида, населяющих определенный ареал и частично изолированных от других популяций. Популяцию считают простейшей эволюционной единицей. Главный фактор, определяющий единство популяции и ее относительную обособленность, – свободное скрещивание особей. Внутри популяции каждый организм одного пола имеет равную вероятность на образование брачной пары с любым организмом другого пола.

Качественное отличие вида от других единиц более высоких такономических рангов – родов, семейств, отрядов – в том, что он представляет наименьшую, генетически неделимую закрытую систему (популяции, составляющие вид, тоже генетически закрытые систе­мы, но не постоянные, а временные, поскольку пока популяция входит в какой-либо вид, она потенциально способна обмениваться генетической информацией с другими популяциями).

Изменения генотипического состава популяций происходят под действием множества событий, которые тем или иным путем в состоянии преобразовывать популяции. Тем не менее возможно выделить четыре основных элементарных фактора эволюции: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция и естественный отбор .

Мутационный процесс постоянно увеличивает генетическую гетерогенность популяций, создает резерв изменчивости и дает более широкие возможности для совершенствования приспособлений при изменении среды. Элементарными наследственными изменениями являются различные формы мутаций , которые определяют изменения признаков, свойств и норм реакции у организмов. В сумме они составляют ту «неопределенную», «индивидуальную» изменчивость, которую Ч. Дарвин положил в основу процесса эволюции. Как показал, С.С. Четвериков, популяции насыщены мутациями и обладают широкими возможностями для совершенствования существующих и выработки новых приспособлений при изменении среды. Рецессивные мутации в гетерозиготном состоянии составляют скрытый резерв изменчивости, который может быть использован естественным отбором при изменении условий существования. Но сам мутационный процесс без участия других факторов эволюции не может направлять изменения эволюционного материала, резерва наследственной изменчивости.

Популяционные волны или «волны жизни» – периодические и непериодические колебания численности особей в популяциях. Причинами этих колебаний могут быть различные абиотические и биотические факторы. При резком сокращении численности (например, вследствие сезонных колебаний, сокращения кормовых ресурсов и т.д.) среди оставшихся в живых немногочисленных особей могут быть редкие генотипы. Если в дальнейшем численность восстановится за счет этих особей, то это приведет к случайному изменению частот генов в генофонде данной популяции. Таким образом, популяционные волны являются поставщиком эволюционного материала. Примерами популяционных волн могут служить колебания численности грызунов, цианобактерий, насекомых, бактерий и т.п. Случайное изменение частот генов в генофонде популяции называют дрейфом генов .

Изоляция – важнейший фактор эволюции, приводящий к разобщению, делающим невозможным свободное скрещивание. Размножение идет преимущественно в пределах изолята, прекращается обмен генетической информацией с другими группами. Это способствует закреплению начальной стадии изменения генофонда обо­собившейся группы, становлению ее как самостоятельной генетической системы. Различают пространственную и биологическую изоляцию.

Пространственная изоляция связана с территориально-географическими (водные преграды, горные хребты, места, непригодные для жизни, и др.) и экологическими (расселение по разным экологическим нишам) факторами разобщения популяций. Значение пространственной изоляции зависит от величины индивидуальной активности особей вида. К биологической изоляции могут относиться особенности поведения, изменения строения и физиологической активности сроков размножения и ряда других факторов, препятствующих скрещиванию. После оплодотворения возможны нарушения конъ­югации хромосом и ряд других изменений, приводящих к развитию полностью или частично стерильных гибридов, а также гибридов с пониженной жизнеспособностью. Эволюционное значение разных форм изоляции состоит в том, что она закрепляет и усиливает генетические различия между популяциями.

Изменения частот генов, вызываемые приведенными выше факторами эволюции, носят случайный, ненаправленный характер, и даже их совместное действие не приводит к устойчивому осуществлению направленного процесса эволюции. Направляющим фактором эволюции является естественный отбор.

Естественный отбор – ведущий, направляющий фактор эволюционного развития органического мира. Естественный отбор следует понимать как избирательное выживание и возможность оставления потомства отдельными особями. Биологическое значение особи, давшей потомство, определяется вкладом ее генотипа в генофонд популяции. Отбор действует в популяциях и его объектами являются фенотипы отдельных особей. Фенотип организма формируется на основе реализации информации генотипа в определенных условиях среды. Таким образом, отбор из поколения в поколение по фенотипам ведет к отбору генотипов, так как потомкам передаются не признаки, а генные комплексы. Для эволюции имеют значение не только генотипы, но и фенотипы и фенотипическая изменчивость. Различают три основные формы естественного отбора: стабилизирующий (сохранение признаков вида со средними значениями в относительно постоянных условиях), движущий (действует в изменяющихся условиях среды и обеспечивает преимущество особям с некоторыми отклонениями от средней нормы), разрывающий или дизруптивный (способствует сохранению сразу множеству фенотипов и действует в разнообразных условиях).

5.2.4. Направления эволюционного процесса

С момента возникновения жизни развитие живой природы шло от простого к сложному, от низкоорганизованных форм к более высоко организованным и имело прогрессивный характер . А.Н. Северцов выделял три основных пути эволюционных преобразований: ароморфоз, идиоадаптация, общая дегенерация.

Ароморфозы (арогенез) – усложнения строения и функций организмов, которые ведут к общему повышению организации и жизнеспособности группы в новых условиях обитания. Приводят к возникновению новых крупных систематических групп – типов, классов. Например, предки млекопитающих и птиц приобрели ароморфозы важнейших систем: нервной, кровеносной, дыхатель­ной и др., что обеспечило освоение ими более сложных сред обитания.

Идиоадаптации (аллогенез) – мелкие приспособления к специфическим условиям среды, полезные в борьбе за существование, но существенно не меняющие уровня организации. Классы насекомых, птиц и млекопитающих на основе многочисленных идиоадаптации (разнообразные преобразования различных органов) дали громадное многообразие видов.

Общая дегенерация (катагенез) – упрощение организации, образа жизни в результате приспособления к более простым условиям существования. Например, переход к паразитическому или сидячему образу жизни нередко сопровождается морфофизиологическими перестройками, редукциями некоторых органов и систем

В природе также наблюдается и биологический регресс , который характеризуется уменьшением численности особей группы, сокращением ареала, уменьшением числа и разнообразия дочерних групп. В итоге биологический регресс может привести к вымиранию группы. Исчезли древовидные плауны и хвощи, древние папоротники, большинство древних земноводных и пресмыкающихся. Регрессирующим является род выхухолей, состоящий всего из двух видов, семейство гинкговых, на грани вымирания находится уссурийский тигр, кондор и др.

5.2.5. Основные правила эволюции

Правило необратимости эволюции (правило Л. Долло): эволюционный процесс необратим, возврат к прежнему эволюционному состоянии, ранее осуществленному в ряду поколений предков, невозможен.

Правило происхождения от неспециализированных предков (правило Э. Копа): возникновение новых крупных групп, сопровождающихся повышением уровня организации, связано с примитивными неспециализированными формами.

Правило прогрессирующей специализации (правило Ш. Депере): организмы единожды ставшие на путь узкой специализации, в дальнейшем буду развиваться по пути все более глубокой специализации.

Правило адаптивной радиации (правило Г. Осборна): историческое развитие (филогенез) каждой группы организмов происходит путем разделения исходного ствола на несколько боковых ветвей, расходящихся в нескольких адаптивных направлениях.

Правило чередования главных направлений эволюции (правило И.И. Шмальгаузена): в процессе эволюции происходит чередование ее основных направлений (ароморфозы сменяются идиоадаптациями).

Биогенетический закон Геккеля–Мюллера: онтогенез представляет собой краткое повторение филогенеза.

5.3. Происхождение жизни на Земле

Существует несколько гипотез о происхождении жизни на Земле.

Креационизм – земная жизнь была создана Творцом. Представления о Божественном сотворении мира придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. Ни доказать, ни опровергнуть креационистическую концепцию в настоящее время невозможно.

Гипотеза вечности жизни – жизнь, как и сама Вселенная, существовала всегда, и будет существовать вечно, не имея начала и конца. Вместе с тем отдельные тела и образования – галактики, звезды, планеты, организмы – возникают и погибают, т.е. существование во времени ограничено. Жизнь могла распространяться от одной галактики к другой и эта идея «заноса» на Землю жизни из Космоса называется панспермией . Идеи «вечности и безначальности» жизни придерживались многие ученые, среди них С.П. Костычев, В.И. Вернадский.

Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни из неживой материи. Идеи о самозарождении жизни высказывались еще со времен античности. На протяжении тысячелетий они верили в возможность постоянного самопроизвольного зарождения жизни , считая его обычным способом появления живых существ из неживой материи. По мнению многих ученых средневековья, рыбы могли зарож­даться из ила, черви – из почвы, мыши – из тряпок, мухи – из гнилого мяса. В XVII в. итальянский ученый Ф. Реди эксперимен­тально показал невозможность постоянного самозарождения живого. В нескольких стеклянных сосудах он поместил кусочки мяса. Часть из них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Личинки мух появились только в открытых сосудах, в закрытых их не было. Принцип Реди: «живое – от живого». Окончательно версия о постоянном самозарождении живых организмов была опровергнута в середине XIX в. Л. Пастером. Опыты убедительно показывали, что в современную эпоху живые организмы любого размера происходят от других живых организмов.

Гипотеза биохимической эволюции. По представлениям, высказанным в 20-х гг. ХХ в. А.И.Опариным, а затем Дж. Холдейном, жизнь, а точнее, живое, возникло из неживой материи на Земле в результате биохимической эволюции .

5.3.1. Условия возникновения жизни при биохимической эволюции

В настоящее время учеными предложены более или менее вероятные объяснения, каким образом в первичных условиях Земли из неживой материи постепенно, шаг за шагом, развились разнообразные формы жизни. Возникновению жизни путем химической эволюции способствовали следующие условия:

- первоначальное отсутствие жизни;

- наличие в атмосфере соединений, обладающих восстановительными свойствами (при почти полном отсутствии кислорода О₂ );

- наличие воды и биогенных веществ;

- наличие источника энергии (относительно высокая температура, мощные электрические разряды, высокий уровень УФ-излучения).

5.3.2. Механизм возникновения жизни

Возраст Земли со­ставляет около 4,6–4,7 млрд. лет. Жизнь имеет свою историю, начавшуюся, по палеонтологическим данным, 3–3,5 млрд. лет назад.

В 1924 г. русский академик А.И. Опарин выдвинул гипотезу о механизме зарождения жизни. В 1953 г. американские ученые С. Миллер и Г. Юри экспериментально подтвердили гипотезу образование органических веществ (мономеров) из газов, присутствующих в первичной атмосфере Земли.

В настоящее время имеется уже достаточно много неоспори­мых доказательств того, что первичная атмосфера Земли была бескислородной и, вероятно, состояла главным образом из водяных паров H₂ O, водорода H₂ и углекислого газа CO₂ с небольшой примесью других газов (NH₃ , CH₄ , CO, H₂ S). Возникшая на Земле жизнь постепенно изменила эти усло­вия и преобразовала химию верхних оболочек планеты.

Согласно биохимической теории А.И. Опарина в отсутствие кислорода и живых организмов, абиогено синтезировались простейшие органические соединения – мономеров , предшественники биологических макромолекул живого вещества и ряда других органических соединений.

Возможными источниками энергии для образования органических веществ без участия живых организмов, видимо, являлись электрические разряды, ультрафиолетовое излучение, радиоактивные частицы, космические лучи, ударные волны от метеоритов, попадавших в земную атмосферу, теплота от интенсивной вулканической деятельности. В отсутствие кислорода, который мог бы их разрушить, а также живых организмов, которые использовали бы их в качестве пищи, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане – «первичном бульоне ».

Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров, опять же без участия живых организмов. Американский ученый С. Фокс в результате нагревания смеси сухих аминокислот получил полипептиды различной длины. Они были названы протеиноидами, т.е. белковообразными веществами. Видимо, на первобытной Земле образование таких протеиноидов и полинуклеотидов со случайной последовательно­стью аминокислот или нуклеотидов могло происходить при испарении воды в водоемах, остававшихся после отлива. Если полимер образовался, он способен влиять на образование других полимеров. Некоторые протеиноиды способны, подобно ферментам, катализировать определенные химические реакции: именно эта способность, наверное, была главной чертой, определившей их последующую эволюцию. Эксперименты показывают, что один полинуклеотид, возникший из смеси нуклеотидов может служить матрицей для синтеза другого.

Полипептиды благодаря их амфотерности формировали коллоидные гидрофильные комплексы (т.е. молекулы воды, образуя вокруг белковых молекул оболочку, обособляли их от всей массы воды). При этом отдельные комплексы ассоциировались друг с другом, что приводило к образованию обособленных от первичной среды капель коацерватов , способных поглощать и избирательно накапливать различные соединения . Естественный отбор способствовал выживанию наиболее устойчивых коацерватных систем, способных к дальнейшему усложнению. Дальнейшая самоорганизация сложных молекул, происходившая за счет концентрирования на границе между коацерватами и внешней средой молекул липидов, привела к образованию перегородок мембранного типа. Во внутренних полостях коацерватов, куда уже только выборочно проникать молекулы, началась эволюцию от химических реакций к биохимическим. Одной из важнейших ступеней этой теории явилось объединение способности полинуклеотидов с каталитической активностью белков-ферментов.

Точка зрения Опарина и его сторонников по существу сформировала гипотезу голобиоза : структурную основу доклеточного предка (биоида) составляют жизнеподобные открытые (коацерватные) микросистемы, типа клеточной, способные к элементарному обмену веществ при участии фермент­ного механизма . Первичной белковая субстанция.

Гипотеза генобиоза : первичной была макромолекулярная система, подобная гену, способная к саморепродукции . Первичной признана молекула РНК.

5.3.3. Начальные этапы развития жизни на Земле

Как полагают, первые примитивные клетки появились в водной среде Земли 3,8 млрд. лет назад – анаэробные, гетеротрофные прокариоты , они питались синтезированными абиогенно органическими веществами или менее удачливыми своими собратьями; энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения.

При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности , т.е. к синтезу органических орг. веществ из неорганических. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии . Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света – фотосинтез .

Для первых фотосинтезирующих бактерий источником элект­ронов был сероводород. Значительно позже у цианобактерий (синезеленых водорослей) развился более сложный процесс получения электронов из воды. В качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания . Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.

Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного симбиогенеза эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга. Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов, а возможно, и жгутиков от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размерам анаэробной клетки. Глубокие преобразования в строении и функционировании значительно увеличили эволюционные возможности эукариот, которые, появившись всего 0,9 млрд. лет назад, смогли достигнуть многоклеточного уровня и сформировать современную флору и фауну. Для сравнения следует сказать, что с момента появления первых прокариотических клеток (3,8 млрд. лет назад) до появления первых эукариотических клеток потребовалось 2,5 млрд. лет.

5.3.4. Основные этапы развития биосферы

5.4. Многообразие живых организмов – основа организации и

устойчивости биосферы

5.4.1. Система органического мира Земли

Современное биологическое разнообразие: на Земле от 5 до 30 млн. видов. Биологическое разнообразие – как результат взаимодействия двух процессов – видообразования и вымира­ния. Биологическое разнообразие – наиболее ценный «ресурс» планеты. Биологическое разнообразие включает два понятия: генетическое разнообразие или многообразие генетических свойств у особей одного вида и видовое разнообразие или чис­ло различных видов внутри сообщества или всей биосферы. Биоразнообразие обеспечивает новыми источниками питания, энергии, сырья, химических и лекарственных продуктов. Гене­тическое разнообразие позволяет видам совершенствоваться, приспосабливаться, использовать необходимые ресурсы, найти место в биогеохимическом круговороте Земли. Биоразнообра­зие – страховая политика природы против катастроф.

Структура биологического разнообразия. Единицы систе­мы – демы и популяции. Генофонд популяции.

Эволюция биологического разнообразия. Сквозная эво­ люционная тенденция – увеличение разнообразия , прерываемое резкими спадами в результате массовых вымираний видов.

Воздействие человека на биологическое разнообразие. Прямой ущерб в результате человеческой деятельности. Кос­венный ущерб от воздействий, нарушающих сбалансированные соотношения и процессы в экосистемах.

Сохранение биологического разнообразия. Инвентариза­ция и охрана биологического разнообразия. Сочетание прав человека с правами животных. Биоэтика. Сочетание этических принципов и экономических интересов. Сохранение и естественная эволю­ция биологического разнообразия.

Биологическое разнообразие как индикатор воздействий. Используются как отдельные компоненты биологического раз­нообразия, так и суммарные показатели. Нарушение структуры функции или сукцессионной последовательности развития эко­системы обычно выражается в сокращении биологического разнообразия.

В настоящее время на Земле описано около 3 млн. видов живых организмов. В современной систематике живых организмов существует следующая иерархия таксонов: царство, отдел (тип в систематике животных), класс, порядок (отряд в систематике животных), семейство, род, вид. Кроме того, выделяют промежуточные таксоны: над- и подцарства, над- и подотделы и т.д. Ниже приведены основные крупные таксоны живых организмов, расположенные в пределах царств в последовательности эволюционного развития.

Неклеточные формы

ЦАРСТВО ВИРУСЫ

Вирусы – внутриклеточные паразиты, проявляют свой­ства живых организмов только попав внутрь клетки. Обычно вирусы состоят из молеку­лы нуклеиновой кислоты и белковой оболочки – капсида.

Клеточные формы

Надцарство Прокариоты

ЦАРСТВО АРХЕБАКТЕРИИ

ЦАРСТВО ЭУБАКТЕРИИ

ЦАРСТВО ПРОКАРИОТИЧЕСКИЕ ВОДОРОСЛИ: отдел Цианобактерии, отдел Прохлорофиты

Прокариоты – од­ноклеточные организмы, не имеют ядра. По способу питания среди бактерий встречаются фототрофы, хемотрофы, сапрофиты, паразиты. Сапротрофные бактерии участвуют в разложении органических останков ра­стений и животных и в их минерализации до СО₂ , Н₂ О, Н₂ S, NH₃ и других неорганических веществ. Вместе с грибами они являются редуцентами.

Надцарство Эукариоты

Эукариоты – од­ноклеточные или многоклеточные организмы, имеющие оформленное ядро и различные органоиды.

ЦАРСТВО ГРИБЫ

– подцарство Слизевики

– подцарство Грибы: отдел Хитридиомицеты, отдел Оомицеты, отдел Зигомицеты, отдел Аскомицеты или Сумчатые грибы, отдел Базидиомицеты, отдел Дейтеромицеты или Несовершенные грибы

– Лишайники

Грибы – эукариотические гетеротрофные организмы. Встречаются сапротрофы и паразиты. Грибы-сапрофиты играют важную роль в круговороте веществ в природе, минерализуя органические остатки отмерших растений и животных. Вместе со многими бактериями они являются редуцентами.

ЦАРСТВО РАСТЕНИЯ

– подцарство Багрянки: отдел Красные водоросли

– подцарство Настоящие водоросли: отдел Зеленые водоросли, отдел Золотистые водоросли, отдел Желто-зеленые водоросли, отдел Диатомовые водоросли, отдел Бурые водоросли, отдел Пирофитовые водоросли, отдел Эвгленовые водоросли

– подцарство Высшие растения: отдел Моховидные, отдел Риниовидные, отдел Плауновидные, отдел Хвощевидные, отдел Папоротниковидные, отдел Голосемянные, отдел Покрытосемянные (класс Однодольные, класс Двудольные).

Растения – эукариотические автотрофные фотосинтезирующие организмы. Растения являются продуцентами органических веществ и основным источником энергии для других живых организмов. Любые пищевые цепи начинаются с зеленых растений или их остатков. Флора – совокупность видов растений, обитающих на определенной территории.

ЦАРСТВО ЖИВОТНЫЕ

– подцарство Одноклеточные: тип Саркомастигофоры (класс Жгутиконосцы, класс Саркодовые), тип Споровики, тип Инфузории

– подцарство Многоклеточные: тип Губки, тип Кишечнополостные (класс Гидроидные полипы, класс Сцифоидные полипы, класс Коралловые полипы), тип Гребневики, тип Плоские черви (класс Моногенетические сосальщики, класс Трематоды, класс Ленточные черви), тип Круглые черви (класс Нематоды, класс Волосатики, класс Скребни, класс Коловратки), тип Кольчатые черви (класс Многощетинковые, класс Малощетинковые, класс Пиявки), тип Членистоногие (класс Ракообразные, класс Мечехвосты, класс Паукообразные, класс Многоножки, класс Насекомые), тип Моллюски (класс Брюхоногие, класс Двустворчатые, класс Головоногие), тип Иглокожие (класс Морские лилии, класс Морские звезды, класс Морские ежи, класс Голотурии), тип Хордовые (подтип Оболочники, подтип Бесчерепные и подтип Позвоночные, включающий классы – Круглоротые, Хрящевые рыбы, Костные рыбы, Земноводные, Пресмыкающиеся, Птицы, Млекопитающие).

Животные – эукариотические гетеротрофные организмы. В пищевых цепях выполняют роль консументов. Фауна – совокупность видов животных, обитающих на опре­деленной территории.

5.4.2. Экологические факторы.

Структура и функционирование экологических систем

Экологические факторы – это отдельные элементы среды обитания, которые воздействуют на организмы. Каждая из сред обитания отличается особенностями воздействия экологичес­ких факторов.

По природе экологические факторы делят на абиотические и биотические, природные и антропогенные.

Абиотические факторы – компоненты неживой природы, прямо или косвенно воздействующие на организм ( свет, температура, влажность, ветер, атмосферное давление, землетрясения, извержения вулканов, движение ледников, радиоактивное излучение, крутизна местности и др.).

Биотические факторы – воздействие на организм других живых организмов (внутривидовые, межвидовые; по типу взаимодействия – протокооперацию, муту­ализм, комменсализм, внутривидовую и межвидовую конку­ренции, паразитизм, хищничество, аменсализм, нейтрализм.

Антропогенные факторы – деятельность человека, приводящая либо к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их обитания (охота, промысел, сведение лесов, загрязнение, эрозия почв и др.).

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на организмы и в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей.

1. Закон толерантности (закон оптимума или закон В. Шелфорда) – к аждый фактор имеет определенные пределы положительного влияния на организмы. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятель­ности особей (много «хорошо» – тоже «не хорошо»). Факторы среды имеют количественное выражение. По отношению к каждому фактору можно выделить зону оптимума (зону нормальной жизнедеятельности), зону пессимума (зону угнетения) и пределы выносливости организма. Способность живых организмов переносить количественные колебания действия экологического фактора в той или иной степени называется экологической валентностью или толерантностью.

2. Закон минимума (закон Ю. Либиха или правило ограничивающих факторов) – в озможности существования организмов в первую очередь ограничивают те факторы среды, которые наиболее удаляются от оптимума. Если хотя бы один из экологических факторов приближается или выходит за пределы критических величин, то, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий, особям грозит гибель. Так, продвижение вида на север может лимитироваться (ограничивается) недостатком тепла, в аридные районы – недостатком влаги или слишком высокими температурами.

3. Гипотеза незаменимости фундаментальных факторов (В.Р. Вильямсон) – полное отсутствие в среде полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (физиологически необходимых; например, света, воды, углекислого газа, питательных веществ) не может быть компенсировано (заменено) другими факторами. Так, по данным «Книги рекордов Гиннеса» без воздуха человек может прожить до 10 мин., без воды – 10–15 суток, без пищи – до 100 дней.

Живые организмы находятся между собой и абиотическими условиями среды обитания в определенных отношениях, обра­зуя тем самым, так называемые, экологические системы.

Биоценоз – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.

Биотоп – определенная территория со свойственными ей абиотическими факторами среды обитания (климат, почва).

Биогеоценоз – совокупность биоценоза и биотопа.

Экосистема (экологическая система) – система совместно обитающих живых организмов и условий их существования, связанных потоком энергии и круговоротом веществ. Экосистема = биоценоз + биотоп.

При всем многообразии органический мир представляет собой единое целое». Все виды живых организмов представляют собой различные формы существования живой материи. Как бы ни отличались друг от друга отдельные виды животных, растений и микроорганизмов, всем им присуще определенное биохимическое единство, выражающееся в общности химического состава (белков, углеводов, жиров, ферментных и гормональных систем и др.) и близости типов реакций, лежащих в основе процессов ассимиляции и диссимиляции. Например, химическое сходство нуклеиновых кислот, основных ферментов, хлорофилла растений и гемоглобина животных. В то же время имеются и специфические особенности биохимизма, отличающие животных, растений, грибов, бактерий, вирусов и даже одну особь данного вида от другой.

Огромное видовое разнообразие живых организмов обеспечивает постоянный биогеохимические круговороты веществ. Каждый из организмов, вступает в специфические взаимоотношения со средой и играет свою роль в трансформации веществ и энергии. Живые организмы входят в тот или иной биоценоз – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.

Важное экологическое правило состоит в том, что чем разнороднее и сложнее биоценоз, тем выше его устойчивость, способность противостоять различным внешним неблагоприятным воздействиям. Одни и них сохраняются в течение длительного времени, другие закономерно изменяются. Процесс смены одного сообщества другим называется сукцессией. В ходе сукцессии увеличивается разнообразие входящих в состав биоценоза видов организмов, вследствие чего повышается его устойчивость.

Повышение видового разнообразия обусловлено тем, что каждый новый компонент биоценоза открывает новые возможности для других. Например, появление деревьев позволяет проникнуть в экосистему видам, живущим в подсистеме дерева: на коре, под корой, строящим гнезда на ветвях, в дуплах.

Объединение разнородных индивидуумов в популяции создает преимущества в борьбе за существование и обеспечивает более активные отношения вида со средой обитания, поскольку возникают более активные сложные формы групповой жизнедеятельности. Морфологическое разнообразие внутри вида, существование географических рас (подвидов) и биологических форм расширяют использование видом среды и имеют важное значение в борьбе за существование с другими видами. В состав биоценоза входят 4 функциональных компонента, обеспечивающих круговорот веществ:

- Продуценты – автотрофные организмы, способные производить органические вещества из неорганических, используя фотосинтез или хемосинтез (растения и авто­трофные бактерии).

- Консументы (макроконсументы, фаготрофы) – гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов (животные, гетеротрофные растения, некоторые микроорганизмы).

- Редуценты (микроконсументы, деструкторы, сапротрофы, осмотрофы) – гетеротрофные организмы, питающиеся органическими остатками и разлагающие их до минераль­ных веществ (сапротрофные бактерии и грибы).

В экосистеме пищевые и энергетические связи идут в направлении: продуценты → консументы → редуценты. Питаясь друг другом, живые организмы образуют цепи питания. Каждое звено цепи называется трофическим уровнем . При передаче энергии в пищевой цепи с одного трофичес­кого уровня на другой большая часть энергии рассеивается в виде тепла (в соответствии со вторым законом термодинамики), и только около 10 % от первоначального количества передается по пищевой цепи.

Правило десяти процентов – на каждый следующий трофический уровень переходит примерно 10 % вещества и энергии предыдущего уровня.

Таким образом, биоценозы – целостные системы, где существование одних видов без других невозможно, так как их обмены веществ сопряжены и приспособлены друг к другу: одни виды используют продукты метаболизма других видов или их самих в качестве пищи. В биоценозе на основе взаимодействия составляющих их видов возникают новые формы отношений живых существ с неживой природой.

Энергия в разных формах связывает все организмы на Земле друг с другом и со средой их обитания. Почти вся энергия, за счет которой существует биосфера, поступает на Землю в виде солнечного излучения. Дополнительные источники, незначительные для биосферы в целом, но важные для некоторых организмов – это внутренней тепло Земли и притяжение Луны.

Порция солнечной энергии, поступающая в виде света, связывается фототрофами – организмами, способными преобразовывать световую энергию в энергию химических связей сложных органических веществ (растения используют 1 % солнечной энергии ). Этот процесс называется фотосинтезом и является основой всей жизни на Земле. В результате фотосинтеза не только создается пища для всех животных, грибов и множества бактерий, использующих готовые органические вещества, но и выделяется в атмосферу кислород, необходимый для жизни большинства организмов.

Помимо энергии всем организмам необходимы элементы, входящие в состав неорганических веществ, в частности углерод, водород, кислород, азот. Они необходимы всем живым существам в больших количествах, в связи, с чем они получили название органогенных элементов. Всем организмам нужны также фосфор, сера, калий, кальций, железо, магний и другие элементы.

Все перечисленные элементы совершают в биосфере круговорота переходя от одних организмов к другим. Если какого-либо элемента организму не хватает, то он перестает расти и размножаться, несмотря на то, что все остальные необходимые элементы могут при этом присутствовать в достаточном количестве. Все это незаменимые ресурсы, поскольку каждый из них необходим для жизни.

В то же время биосфера Земли является ресурсом для жизни живых организмов. Например, разнообразные виды микробов (хемогетеротрофы, фотоавтотрофы и др.) в результате жизнедеятельно­сти вырабатывают кислород, необходимый для жизни всех существ.

Бактерии, цианобактерии (сине-зеленые водоросли), микроскопические грибы, простейшие играют ведущую роль в жизни биосферы. Не будь микроорганизмов, круговорот веществ на планете не мог бы осуществляться. Условия, в которых ныне существуют высшие формы жизни (растения, животные), созданы микроорганизмами, прежде всего бактериями.

Мир бактерий разнообразен. Существуют сообщества микроорганизмов, образующие горные породы и называемые строматолитами. Древнейшие сообщества микроорганизмов, к которым относятся и строматолиты, создали ту биохимическую «машину» планеты, в которую затем встраивались растения и животные. Именно они создали первую на Земле пленку органического вещества и обогатили атмосферу кислородом.

Возникшие значительно позже растения и животные в свою оче­редь создали для бактерий новые экологические ниши. Так, особые сообщества микроорганизмов складываются в почве, прилегающей к корням растений. Или, например, некогда проглоченные с частицами органического вещества бактерии в ходе эволюции образовали сообщества в пищеварительном тракте млекопитающих.

Всюду на Земле можно встретить разнообразные формы жизни – от невидимых вирусов и бактерий до громадных китов и гигантских деревьев. Рост разнообразия живых организмов способствовал возрастанию устойчивости биосферы, ее развитию и совершенствованию, а также эволюционному развитию видов и сохранению энергии и ресурсов.

В ходе естественного отбора в составе биоценоза неизбежно сохраняются лишь те виды организмов, которые могут наиболее успешно размножаться именно в данном сообществе.

Таким образом, устойчивость биосферы в целом, ее способность эволюционировать определяется тем, что она представляет собой систему относительно независимых биоценозов. Взаимосвязь между ними ограничивается связями посредством неживых компонентов биосферы.

На всей земной поверхности и в глубинах Мирового океана условия жизни неоднородны. В различных регионах Земли степень видового разнообразия различна. В тундрах число видов высших сосудистых растений (т.е. без учета водорослей, мхов и лишайников) не превышает 200–300 на площади 100 км² , в тайге – 400–600, в степях – 800–900, в тропиках на 100 км² приходится более чем 200 тыс. видов. Биологическое разнообразие животных увеличивается от полюсов к экватору и достигает своего пика в тропиках. Велико биологическое разнообразие в морях и океанах. Наиболее богаты прибрежные воды глубиной до 200 м. Жизнь существует даже на океаническом дне, откуда постоянно выбрасываются насыщенные солями жгучие растворы с температурой 300–450°С. Обладая разной толщиной, «пленка жизни » не прерывается нигде.

В истории Земли были катастрофы, когда биологическое разнообразие, как на суше, так и в океане резко сокращалось за короткие в геологическом масштабе сроки. Многие виды исчезали, земная кора опускалась или поднималась, менялись уровень моря, климат. Виды погибали, не приспособившись к новым условиям, но они сменялись новыми. Поэтому после их гибели происходило обновление менее приспособленных форм более приспособленными.

Биосфера Земли проявила свою устойчивость и способность развививаться, несмотря на серьезные изменения в облике Земли (например, в ледниковый период). Именно благодаря многообразию живым организмов, их способности выживать, приспосабливаться к изменяющимся условиям, размножаться биосфера Земли, хотя и изменяется, но не теряет своей устойчивости.

5.4.3. Глобальные экологические проблемы.

Концепции устойчивого развития

Появление на Земле около 40 тыс. лет назад человека разумного Вернадский рассматривал как естественную часть биосферы, а деятельность его – как важнейший геологический фактор. С появлением человека на биосферу Земли стало оказываться все возрастающее воздействие, как позитивное, но в большей мере – негативное.

Загрязнение – привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых (обычно не характерных для нее) вредных химических, физи­ческих, биологических агентов. Загрязнение окружающей среды может быть физическое (тепловое, радиоактивное, шумовое, электромагнитное, световое и др.), химическое (тяжелые металлы, пестициды, синтетические поверхностно активные вещества – СПАВ, пластмассы, аэрозоли, детергенты и др.) и биологическое (патогенные микроорганизмы и др.).

Ингредиентное загрязнение – совокупность веществ, количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам (бытовые стоки, ядохимикаты и удобрения, продукты сгорания и т.д.).

Параметрическое загрязнение – изменение качественных параметров окружающей природной среды (шумовое, тепловое, световое, радиационное, электромагнитное).

Биоценотическое загрязнение – воздействия, вызывающие нарушение в составе и структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная интродукция и акклимати­зация видов и т.д.).

Стациально-деструкционное загрязнение (от слов стация – место обитания популяции, деструкция – разрушение) – воздействие, приводящее к нарушению и преобразованию ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (вырубка лесов, эрозия почв, урбанизация и пр.).

Парниковый эффект – разогрев нижних слоев атмосферы, вследствие способности атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности. Парниковому эффекту способствует поступление в атмосферу антропогенных примесей (диоксида углерода, пыли, метана, фреонов и т.д.). Отрицательные для человечества последствия парникового эффекта заключаются в повышении уровня Мирового океана в результате таяния материковых и морских льдов, теплового расширения океана и т.п. Это приведет к затоплению приморских равнин, усилению абразионных процессов, ухудшению водоснабжения приморских городов, деградации мангровой растительности и т.п. Увеличение сезонного протаивания грун­тов в районах с вечной мерзлотой создаст угрозу дорогам, строениям, коммуникациям, активизирует процессы заболачивания и т.д.

Разрушение «озонового слоя». Слой атмосферы с наиболь­шей концентрацией озона на высоте 20–25 км называется озоносферой. «Озоновая дыра» – значительное пространство в озоносфере планеты с заметно пониженным (до 50% и более) содержанием озона. Основной причиной возникновения «озоновых дыр» является значительное содержание в атмосфере фре­онов. Фреоны (хлорфторуглероды, или ФХУ) – высоколетучие, химически инертные у земной поверхности вещества, широко применяемые в производстве и быту в качестве хладагентов (холодильники, кондиционеры, рефрижераторы), пенообразователей и распылителей (аэрозольные упаковки). Истощение озонового слоя в атмосфере Земли приводит к увеличению потока ультрафиолетовых лучей на земную поверхность. Ультрафиолетовые лучи в небольших дозах необходи­мы живым организмам (стимуляция роста и развития клеток, бактерицидное действие, синтез витамина в и т.д.), в больших дозах губительны, из-за способности вызывать раковые заболевания и мутации.

Кислотные дожди – дождь, подкисленный до рН < 5,6 из-за растворения в атмосферной влаге антропогенных выбросов (диоксид серы, оксиды азота, хлороводород и пр.). Отрицательное воздействие кислотных дождей на растительность проявляется как в прямом биоцидном воздействии на растительность, так и в косвенном через снижение рН почв. Выпадение кислотных дождей приводит к ухудшению состоя­ния и гибели целых лесных массивов, а также снижению уро­жайности многих сельскохозяйственных культур. Кроме того, отрицательное воздействие кислотных дождей проявляется в закислении пресноводных водоемов. Снижение рН воды вызывает сокращение запасов промысловой рыбы, деградацию многих видов организмов и всей водной экосистемы, а иногда и полную биологическую гибель водоема.

Деградация почвенного покрова. Деградация почв – ухудшение качества почвы в результате снижения плодородия. К явлениям деградации почв относятся: дегумификация почв (по­теря почвами гумуса); промышленная эрозия почв (отчуждение почв городами, поселками, дорогами, линиями электропере­дач и связи, трубопроводами, карьерами, водохранилищами, свалками и т.д.); водная и воздушная эрозия (дефляция) почв (разрушение верхних слоев почвы под действием воды и ветра); вторичное засоление почв (результат неправильного орошения минерализованными или пресными водами); затопле­ние, разрушение и засоление почв водами водохранилищ и др.

Деградация растительного покрова. К деградации растительного покрова ведут следующие антропогенные факторы: прямое уничтожение в ходе использования (рубка лесов, выкашивание, сбор с различными целями, стравливание домашними животными), при создании водохранилищ, в ходе открытых разработок ископаемых, при пожарах, в процессе распашки новых угодий; ухудшение условий жизни растений при орошении, осушении, засолении почв, изменении гидрологии водоемов, загрязнении среды токсичными химическими веществами и элементами, заносе вредных организмов (возбудителей болезней, конкурентов) и др.

Деградация животного мира. К сокращению или уничтожению видов животных ведут следующие антропогенные факторы: прямое уничтожение в результате промысла животных, добываемых ради меха, мяса, жира и пр., при применении химических веществ для борьбы с вредителями сельского хозяйства (при этом часто гибнут не только вредители, но и полезные для человека животные), ухудшение условий жизни животных в результате вырубки лесов, распашки степей, осушения болот, сооружения плотин, строительства городов, загрязнения атмосферы, воды, почвы и т.д. К числу вымерших животных относятся: тур, тарпан, морская (стеллерова) корова, бескрылая гагарка, лошадиная антилопа, нелетающий голубь дронт и др.

Демографическая проблема. Стремительный рост численности населения развивающихся стран часто называют «демографическим взрывом». Его начало приходится на вторую половину XX в. После Второй мировой войны большинство бывших колоний стало независимыми государствами. С помощью созданных в это же время международных организаций они предприняли энергичные усилия по улучшению жизни населения. Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в короткие сроки, за одно-два десятилетия, удалось резко снизить детскую смертность, улучшить общее санитарное состояние жизненной среды населения этих стран (полнее обеспечить его питьевой водой, лекарствами, средствами гигиены и т. п.). О темпах ускорения наглядно свидетельствуют цифры: первый свой миллиард человечество отметило около 1830 г., второй – через 100 лет (1939 г.), третий – через 20 лет (1960 г.), четвертый – через 15 лет (1975 г.), пятый – через 12 лет (1987 г.), шестой – через 13 лет (2000 г.). В 2000 г. на Земле проживало 6 млрд. человек. Ежегодный чистый прирост составляет сейчас 78 млн. человек – почти столько живет в настоящее время во всей Германии. За сутки численность землян увеличивается почти на четверть миллиона человек, за час – на 10 тыс. Очевидные негативные следствия стихийного хода демографических процессов требуют его упорядоченности. Единственной приемлемой для этого формой является регулирование рождаемости.

Развивая цивилизацию, человек вырубает леса, распахивает степи, осушает болота, переселяет в новые места животных и пересаживает растения. Такое вмешательство в природу нарушает биологическое равновесие и в конечном итоге сокращает биологическое разнообразие. Если естественное вымирание животных в последние 100 млн. лет приводило к исчезновению в среднем одного вида за каждое тысячелетие, то с 1600 г. один вид исчезал каждые 10 лет, а с конце XX в. ежегодно с лица Земли безвозвратно исчезают по одному виду животных и растений. В настоящее время под угрозой исчезновения находятся почти 20 тыс. видов растений, свыше 1300 видов рептилий, около 1000 видов птиц и более 400 видов млекопитающих.

Исчезновение видов живых организмов нарушает тонкий баланс природы, который складывался миллионы лет. Обедневшие экологические системы (леса, луга, озера и т.д.) становятся неустойчивыми и подвергаются разрушению при любом изменении внешних условий. Это создает угрозу устойчивости биосферы, способствует ее разрушению, так как от одного исчезнувшего вида тянется скрытая цепочка последствий, подчас опасных не только для природы, но и для человечества.

Поэтому биологическое разнообразие планеты нуждается в охране. Для этого во всех странах мира создаются особо охраняемые природные территории (ООПТ): заповедники, заказники, национальные парки. Это участки нетронутой природы со всеми ее обитателями, они находятся под охраной государства. В настоящее время в России существует 101 заповедник (~1,5% территории страны) и 35 национальных парков (<0,5%), а, например, в Люксембурге и Коста-Рике более 1/4 всей территории занимают охраняемые природные зоны.

Охрана природы должна быть повсеместной. На территории заповедников и национальных парков запрещены любая хозяйственная деятельность. Однако надо не только расширять сеть заповедников, но одновременно добиваться, чтобы было меньше отходов, загрязняющих Землю.

В 1992 г. в Рио-де-Жанейро (Бразилия) была подписана Международная конвенция о биологическом разнообразии . В ней выражена решимость общими усилиями сохранять и поддерживать богатство и разнообразие всего живого. Благотворительный Всемирный фонд дикой природы собирает пожертвования частных лиц и организаций на финансирование научных исследований, направленных на сохранение биологического разнообразия на Земле.

Многообразие живых организмов – основа устойчивости биосферы. Биосфера, являясь целостной, согласованно функционирующей системой имеет пределы своей устойчивости, и проблемы изучения стабильности и устойчивого развития биосферы является одной из фундаментальных. При выходе за эти пределы система проходит через цепь бифуркаций, скачкообразно меняет свои свойства и может прекратить свое существование. Интенсивное развитие техносферы за последние 50 лет привело к антропогенным воздействиям невиданных ранее масштабов. И если «наступление на природу» будет продолжаться все возрастающими темпами, то в недалеком будущей может произойти переход биосферы за пределы устойчивости.

Индикаторами приближения биосферы к границе неустойчивости являются загрязнения окружающей среды, потепление климата, утоньшение озонового слоя, уменьшение биологического разнообразия, необратимое изменение связей в биогеоценозах и т.д. Главной особенностью жизни является то, что в силу сложности любой конкретный тип скоррелированности в биоте всегда неустойчив и непременно распадается с тече­нием времени.

Современное энергопотребление человеческого общества на 90% основано на невозобновляемых ресурсах, что приводит к нарушению устойчивости природных систем и их загрязнению.

Каждый живой организм адаптирован к своей экологической нише, в которой он может устойчиво существовать и развиваться. В этом смысле биосферу можно рассматривать как экологическую нишу устойчивого существования и развития цивилизованного человека в условиях НТР только при сохранении естественной биоты на больших территориях Земли и сокращении общего энергопотребления и оптимизации роста населения.

В связи с проблемой устойчивости экосистем возникла необходимость разработки концепции устойчивого развития. По своему замыслу принятие этой концепции должно было стимулировать разработку общей стратегии развития человеческого общества на базе экологически целесообразного природопользования, сохранения благоприятного для людей состояния окружающей среды, обеспечивающее приемлемое качество жизни для нынешнего и последующих поколений людей. Эту концепцию можно рассматривать в конечном итоге, как переход общества к ноосфере.

Существующая в настоящее время идеология «общества потребления» губительна для биосферы, для составляющих ее экосистем, для сохранения видового и экосистемного биоразнообразия, для вида Homo sapiens , выживание которого зависит в первую очередь от устойчивости биосферы, а, в конечном счете – от ее биологического разнообразия.

Каждый из видов, населяющих нашу планету, есть результат много миллионнолетней эволюции, носитель неповторимых генетических особенностей. Мы обязаны сохранить и передать потомкам биологическое разнообразие, существующее на Земле и являющееся следствием неповторимости эволюционных путей, приведших к формированию каждого вида. То принципиально новое, что внес наш век в понимание проблемы органического многообразия, сводится к следующему: сохранение биологического разнообразия – непременное условие существования человека на Земле.

5.5. Генетика и эволюция

5.5.1. Генетические признаки и носители

наследственной информации

Генетика – наука, изучающая наследственность и изменчивость живых организмов.

Наследственность заключается в способности организмов передавать особенности строения, функции, развития своему потомству. Наследственность обеспечивает преемственность между поколениями и обусловливает существование видов. Кроме того, выделяют понятие наследования, подразумевая конкретный способ передачи наследственной информации в ряду поколений, который может быть различен в зависимости от форм размножения, локализации генов в хромосомах и т. п. В основе наследственности лежат структурные и функциональные возможности генетической информации клеток.

Полинуклеотидная последовательность ДНК практически у всех организмов (исключение составляют РНК-содержащие вирусы) являются первичным носителем генетической информации. Прокариоты и многие вирусы содержат одну молекулу ДНК, все участки которой кодируют макромолекулы. В эукариотических клетках генетический материал распределен в нескольких хромосомах. Хромосома содержит одну молекулу ДНК, полинуклеотидная последовательность которой состоит из участков, кодирующих и некодирующих макромолекулы. Некодирующие области ДНК играют структурную роль, позволяя участкам генетического материала упаковываться определенным образом. Другая часть некодирующей ДНК является регуляторной и участвует во включении генов, направляющих синтез белка.

Единицей наследственной информации, далее не делимыми в функциональном отношении, является ген , ответственный за формирование какого-либо элементарного признака. Ген представлен участком ДНК (реже РНК), кодирующий синтез одной макромолекулы: полипептида, рРНК, либо тРНК. Гены находятся в определенных участках хромосом – локусах . Гены в одинаковых локусах гомологичных хромосом и отвечающие за развитие вариантов какого-либо признака, называют аллельными . Их принято обозначать буквами латинского алфавита. Аллельные гены могут быть доминантными или преобладающими (А, В ) или рецессивными или подавляемыми (a , b ).

Доминантным называют аллель, обеспечивающий развитие признака как в гомо-, так и в гетерозиготном состоянии. Рецессивным – аллель, проявляющийся только в гомозиготном состоянии. Разные аллельные формы генов возникают в результате мутации – изменения структуры полинуклеотидной последовательности ДНК соответству­ющих локусов гомологичных хромосом. Ген может мутировать неоднократно, образуя много аллелей. Если в генофонде популяции существует серия мутаций какого-либо гена, определяющая многообразие вариантов признака, то имеет место явление множественного аллелизма . Однако при образовании следующего поколения аллели комбинируются попарно у каждого индивидуума.

Совокупность генов гаплоидного набора хромосом получила название генόм , а информация внеядерных ДНК (митохондрии, пластиды) – плазмон .

Фенотип – совокупность всех признаков и свойств организма .

Генотип – совокупность всех генов организма.

Генофонд – совокупность генов популяции.

Кариотип – совокупность морфологических признаков хромосом вида (размер, форма, детали строения, число и т. д.).

Фенотип формируется в процессе реализации наследственной информации генотипа под воздействием факторов окружающей среды.

В живой природе существуют различия не только между индивидами разных видов, но и между индивидами одного и того же вида, сорта, породы и т.п. В пределах одного вида практически не встречаются совершенно идентичные особи. Эта изменчивость хорошо видна в пределах вида Homo sapiens – Человек разумный, каждый представитель которого имеет свои индивидуальные особенности.

Изменчивость – свойство живых организмов, противоположное наследственности. Оно заключается в изменении наследственных факторов и их проявлений в процессе развития организмов. Изменчивость неразрывно связана с наследственностью.

5.5.2. Основные генетические процессы. Биосинтез белка

Функциональные возможности генетического материала (способность сохраняться и воспроизводиться при смене клеточных поколений, реализовываться в онтогенезе и в ряде случаев изменяться) связаны с протеканием четырех генетических процессов – репликакции и репарации ДНК, биосинтеза белка и генетической рекомбинации.

Процесс генетической информации в клетках от ДНК через различные виды РНК к полипептидам и белкам называют экспрессией (проявлением) генов. Образующиеся при биосинтезе белка полипептидные цепи определяют признаки клеток, формирую белковые структуры или управляя процессами обмена веществ в качестве ферментов.

Репликация ДНК или генетическое удвоение ДНК происходит перед каждым нормально протекающим делением у эукариот (ДНК ядер, митохондрий, пластид), перед каждым делением прокариотических клеток и размножением ДНК-вирусов. Репликация является необходимой предпосылкой для сохранения имеющейся наследственной информации в ряду последовательных поколений клеток и организмов. Синтез макромолекул ДНК, а также РНК и белков происходит по типу матричного процесса , т.е. новые молекулы синтезируется в точном соответствии с химической структурой уже существующих молекул. Во время репликации ДНК каждая из двух ее цепей служит матрицей для образования новой цепи. В качестве предшественников (мономеров) для построения новой ДНК в клетке синтезируются трифосфаты четырех дезоксирибонуклеозидов: дАТФ, дТТФб дЦТФб дГТФ. Репликация ДНК начинается с раскручивания двойной спирали и разделения ее цепей за счет ферментативного разрыва водородных связей между спаренными азотистыми основаниями. Фермент ДНК-полимераза движется вдоль каждой из цепей, связывая между собой нуклеотиды, комплементарные нуклеотидам старой цепи.

Репарация ДНК – способность молекул ДНК к самовосстановлению, «исправлению» возникающих в ее цепях изменений. В восстановлении участвуют не менее 20 белков: узнающих измененные участки ДНК и удаляющих их из цепи, восстанавливающих правильную последовательность нуклеотидов и сшивающих восстановленный фрагмент с остальной молекулой ДНК.

Биосинтез белка – система сложных и последовательных реакций, в котором участвуют молекулы ДНК, все типы РНК, АТФ, ферменты, аминокислоты. Процесс состоит из нескольких этапов.

1. Транскрипция – синтез иРНК на матрице одной из цепей ДНК, т.е. переписывание информации, хранящейся в молекуле ДНК. На ДНК-матрице образуется три вида РНК: информационная, или матричная (иРНК), транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК). Синтез иРНК состоит из фазы инициации, элонгации и терминации. Образующаяся «сырая» иРНК состоит из экзонов (кодирующих участков) и интронов (некодирующих участков). Далее процесс созревания иРНК подразумевает удаление из нее интронов – процессинг и сшивку экзонов – сплайсинг . В виде иРНК генетическая информация для синтеза полипептида передается от ДНК к рибосомам; тРНК доставляют к рибосомам аминокислоты (каждую аминокислоту доставляет особый, именно для нее предназначенный вид тРНК). Главным компонентом рибосом является рРНК.

2. Трансляция – процесс перевода генетической информации иРНК в последовательность аминокислот в полипептиде. Процесс осуществляется в рибосомах на иРНК, в ней в виде последовательности нуклеотидов содержится генетический код о белковых молекулах.

В состав белков входит 20 аминокислот, их кодируют четыре вида нуклеотидов (аденин А, гуанин Г, цитозин Ц, урацил У) по три.

1 аминокислота = 3 нуклеотида

Три нуклеотида, образующих кодовый знак, называют триплетом . Например, ААА – лизин , АГА – аргинин , ГЦУ – аланин . Триплеты в молекуле РНК называют кодонами , а комплементарные им триплеты молекул тРНК – антидодонами . Из 64 триплетов 3 не кодируют аминокислоты – это стоп-сигналы (УАА, УАГ, УГА).

Многие аминокислоты кодируются более чем одним кодоном (АГУ, АГЦ, УЦУ и др. кодируют серин); в этом смысле код является вырожденным .

Генетический код одинаков, т.е. универсален для всех живых организмов (вирусов, бактерий, грибов, растений, животных) – во всех группах он слагается из одних тex же дезоксирибонуклеотидов, включающих два пуриновых осованиния (аденин А и гуанин Г) и два пиримидиновьгх (цитозин Ц и тимин Т).

Во всем органическом мире строго соблюдаются закономерности, называемые правила Чаграффа :

1. Сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых
нуклеотидов: (А + Г = Т + Ц).

2. Содержание аденина равно содержанию тимина: А = Т.

3. Содержание гуанина равно содержанию цитозина: Г = Ц.

4. Суммы Г + Т и А + Ц равны, т.е. Г + Т = А + Ц.

5. Содержание Г + Ц и А + Т может варьировать в довольно значительных пределах.

5.5.3. Основные законы генетики

Первый закон Менделя (закон единообразия ): при скрещивании гомозиготных особей, все гибриды первого поколения едино­образны. Например, при скрещивании растений с желтыми семенами АА и растений с зелеными семенами аа , гибриды первого поколения оказываются все с желтыми семенами Аа .

Второй закон Менделя (закон расщепления ): при моногибридном скрещивании гетерозиготных особей во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу 3:1 и по генотипу 1:2:1.

Третий закон Менделя (закон независимого наследования ): гены разных аллельных пар и соответствующие им признаки наследуются независимо.

Взаимодействие аллельных генов осуществляется в трех формах: полное доминирование, неполное доминирование и независимое проявление (кодоминирование – пример формирование групп крови человека).

Взаимодействие неаллельных генов подразделяют на основные формы: комплементарность, эпистаз, полимерию .

Закон Моргана (закон сцепленного наследования ): гены, локализованные в одной хромосоме наследуются сцеплено. Признаки, гены которых находятся в половых хромосомах, наследуются сцеплено с полом (гемофилия – несвертываемость крови, дальтонизм – неспособность различать красный и зеленый цвета и др.).

Анализ поведения генов свободно скрещива­ющейся популяции характеризует закон Харди-Вайнберга : любая популяция, в которой распределены пары генов А и а , соответствует соотношению р² + 2pq + q² , находится в генетическом равновесии (р² – число гомозиготных особей по доминантному гену с гонотипом АА ; q² – число гомозиготных особей по рецессивному гену с гонотипом аа ; pq – число гетерозиготных особей). Доли этих генов в последующих поколениях будут оставаться постоянными, если их не изменит отбор, мутационный процесс или какая-либо случайность.

5.5.4. Наследственная и ненаследственная изменчивость

Различия между видами и различия между особями внутри вида наблюдаются благодаря всеобщему свойству живого – изменчивости . Выделяют ненаследственную и наследственную изменчивость .

Наследственная (генотипическая) изменчивость связана с изменениями генетипа и передаче этих изменений из поколения в поколение. В зависимости от варьирования генетического материала различают две формы наследственной изменчивости: комбинативную и мутационную . Комбинативная изменчивость связана с образованием у потомков сочетаний генов без изменения их молекулярной структуры, формирующихся при перекомбинации генов и хромосом в процессе полового развития (кроссинговер, независимое расхождение хромосом, случайное сочетание гамет при оплодотворении). Мутационная изменчивость связана с приобретением новых признаков в результате мутаций. Мутации – изменения наследственных свойств организма в результате перестроек и нарушений в генетическом материале организма (хромосомах и генах). Мутация – основа наследственной изменчивости в живой природе. Мутации индивидуальны, возникают внезапно, скачкообразно, ненаправленно, наследуются. По характеру изменения генотипа различают геномные (полиплоидия, анэуплоидия), хромосомные и генные мутации.

Причинами хромосомных мутаций могут являться: потеря хромосомой фрагмента после ее разрыва в двух местах; поворот участка на 180° после разрыва хромосомы (инверсия); обмен двух хромосом своими кусками (транслокация); удвоение участка в хромосоме (дупликация).

Причины генных мутаций: замена одного основания другим (например, А на Г); выпадение одного основания (делеция); включение одного дополнительного основания (дупликация); поворот ДНК на 180° (инверсия).

Следствием генетических и хромосомных мутаций являются, например, болезнь Дауна (трисомия по 21-й хромосоме), синдром Тернера (45 Х0), альбионизм, облысение и др.

Ненаследственная (фенотипическая, модификационная) изменчивость связана с изменениями фенотипа под влиянием внешней среды на экспрессию генов. Генотип остается неизменным. Границы изменчивости признака, возникающей под действием факторов среды, определяется ее нормой реакции . Главные особенности модификационных изменений: кратковременность (не передаются следующему поколению), групповой характер изменений, охватывающий большинство особей в популяции, имеют приспособительный характер.

5.5.7. Генная инженерия и клонирование

как факторы дальнейшей эволюции

Генетическая (генная) инженерия – совокупность методов конструирования лабораторным путем (in vitro ) генетических структур и наследственно измененных организмов, т.е. создание новых, не существующих в природе сочетаний генов.

Возникла в нач. 70-х гг. 20 в. Генетическая инженерия основана на извлечении из клеток какого-либо организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов и соединении их со специальными молекулами ДНК (т. н. векторами), способными проникать в клетки другого организма (главным образом микроорганизмов) и размножаться в них, т.е. создание молекул рекомбинантных ДНК .

Рекомбинантные (чужеродные) ДНК привносят в реципиентный организм новые генетические и физико-биохимические свойства. К числу таких свойств можно отнести синтез аминокислот и белков, гормонов, ферментов, витаминов и др.

Применение методов генетической инженерии открывает перспективу изменения ряда свойств организма: повышение продуктивности, резистентности к заболеваниям, увеличение скорости роста, улучшения качества продукции и др. Животных, несущих в своем геноме рекомбинантный (чужеродный) ген, принято называть трансгенными, а ген, интегрированный в геном реципиента, – трансгеном. Благодаря переносу генов у трансгенных животных возникают новые качества, а дальнейшая селекция позволяет закрепить их в потомстве и создать трансгенные линии.

Методы генетической инженерии позволяют создавать новые генотипы растений быстрее, чем классические методы селекции и появляется возможность целенаправленного изменения генотипа – трансформации.

Генетическая трансформация заключается главным образом в переносе чужеродных или модифицированных генов в эукариотические клетки. В клетках растений возможна экспрессия генов, перенесенных не только от других растений, но и от микроорганизмов и даже животных.

Получение растений с новыми свойствами из трансформированных клеток (регенерация) возможно благодаря их свойству топитотентности , т.е. способность отдельных клеток в процессе реализации генетической информации к развитию в целый организм.

Клонирование – это воспроизведение живого существа его неполовых (соматических) клеток . Клонирование органов и ней – важнейшая задача в области трансплантологии, травматологии и других областях медицины и биологии. При пересадке клонированных органов не возникают реакции отторжения и отсутствуют возможные неблагоприятные последствия (например, рак, развивающийся на фоне иммунодефицита). Клонированные органы – это спасение для людей, попавших в автомобильные аварии или иные катастрофы, а также нуждающихся в радикальной помощи вследствие каких-либо заболеваний. Клонирование может дать бездетным людям возможно, иметь своих собственных детей, помочь людям, страдающим тяжелыми генетическими заболеваниями. Так, если гены, определяющие какое-либо наследственное заболевание, содержатся в хромосомах то в яйцеклетку матери пересаживается ядро ее собственной соматической клетки, тогда появится ребенок, лишенный опасных генов, копия матери. Если эти гены содержатся в хромосомах матери, в ее яйцеклетку будет перемещено ядро соматической клетки отца и появится здоровый ребенок, копия отца. Дальнейший прогресс человечества во многом связан с развитием биотехнологии. Вместе с тем необходимо учитывать, что неконтролируемое распространение генно-инженерных живых организмов и продуктов может нарушить биологический баланс в природе и представлять угрозу здоровью человека.

Контрольные вопросы

1.Каковы основные биологические уровни организации материи?

2.В чем проявляются основные свойства живых систем?

3.Что включается в понятие «биосфера»?

4.Каковы функции биосферы?

5.Какие факторы определяют стабильность биосферы?

6.Что лежит в основе принципов эволюции, воспроизводства и развития живых систем?

7.Каковы абиогенные факторы, необходимые для возникновения жизни?

8.В чем заключаются законы наследственности, открытые Г. Менделем?

9.Какова структура генетического кода живых организмов?

10. Какие положения включает синтетическая теория эволюции?

6. ЧЕЛОВЕК: ПРОИСХОЖДЕНИЕ, ФИЗИОЛОГИЯ, ЗДОРОВЬЕ

6.1. Человек: физиология, здоровье,

эмоции, творчество, работоспособность

6.1.1. Человек как единство биологического и социального.

Антропогенез

Человек – это целостное единство биологического (организменого), психического и социального уровней, которые формируются из природного и социального, наследственного и прижизненно приобретенного, т.е. человек является целостной многосложной биосоциальной системой. При этом человеческий индивид – это не простая арифметическая сумма биологического, психического и социального, а их интегральное единство, приводящее к возникновению новой качественной ступени – человеческой личности.

Определяющим условием становления человека является труд, возникновение которого ознаменовало собой превращение животного предка в человека. В процессе трудовой деятельности человек постоянно изменяет условия своего существования, преобразуя их в соответствии со своими постоянно развивающимися потребностями, создает мир материальной и духовной культуры, которая творится человеком в той же мере, в какой сам человек формируется культурой. Труд невозможен в единичном проявлении и с самого начала выступает как коллективный, социальный.

Развитие трудовой активности полностью изменило природную сущность предка человека. В социальном отношении труд повлек за собой формирование новых, социальных качеств человека: языка, мышления, общения, убеждений, ценностных ориентации, мировоззрения и др. В психологическом отношении он имел своим следствием преобразование инстинктов в двух планах: в плане их подавления, торможения (подчинения контролю разума) и в плане их преобразования в новое качественное состояние сугубо человеческой познавательной деятельности – интуицию.

Все, чем обладает человек, чем он отличается от животных, является результатом его жизни в обществе. И это относится не только к опыту, который индивид приобретает в течение своей жизни. Ребенок появляется на свет уже со всем анатомо-физиологическим богатством, накопленным человечеством за прошедшие тысячелетия. При этом характерно, что ребенок, не впитавший в себя культуру общества, оказывается самым неприспособленным к жизни из всех живых существ. Вне общества нельзя стать человеком. Известны случаи, когда в силу неблагоприятного стечения обстоятельств совсем маленькие дети попадали к животным. И что же? Они не овладели ни прямой походкой, ни членораздельной речью, а произносимые ими звуки были подражанием звуков тех животных, среди которых они жили. Их мышление оказалось столь примитивным, что о нем можно говорить лишь с известной долей условности. Это яркий пример того, что человек – постоянно действующий приемник и передатчик социальной информации, понимаемой в самом широком смысле слова как способ деятельности.

Исходным пунктом понимания человеческой личности является трактовка человека как субъекта и продукта трудовой деятельности, на основе которой формируются и развиваются социальные отношения. Такое понятие социальности, однако, не отрицает биологического компонента в человеческой личности, также имеющего универсальный характер.

Биологическое и социальное, существующие в нераздельном единстве в человеке, в абстракции фиксируют лишь крайние полюсы в многообразии человеческих свойств и действий. Так, если идти в анализе человека к биологическому полюсу, мы «спустимся» на уровень существования его организменных (биофизических, физиологических) закономерностей, ориентированных на саморегуляцию вещественно – энергетических процессов как устойчивой динамической системы, стремящейся к сохранению своей целостности. В этом аспекте человек выступает как носитель биологической формы движения материи.

Но ведь он не просто организм, не просто биологический вид, а в первую очередь субъект общественных отношений. Если, таким образом, идти в анализе человека к его социальной сущности начиная от морфологического и физиологического уровня и далее к его психофизиологической и духовной структуре, то мы тем самым переместимся в область социально-психологических проявлений человека как личности.

Организм и личность – две неразделимые стороны человека. Своим организменным уровнем он включен в природную связь явлений и подчиняется природной необходимости, а своим личностным уровнем обращен к социальному бытию, обществу, истории человечества, культуре.

Биологическая сторона человека детерминируется главным образом наследственным (генетическим) механизмом. Социальная же сторона человеческой личности обусловлена процессом вхождения человека в культурно-исторический контекст социума. Ни то ни другое в отдельности, а только их функционирующее единство может приблизить нас к пониманию человека. Это, разумеется, не исключает, что в разных познавательных и практических целях акценты на биологическое или социально-психологическое в человеке могут несколько смещаться в ту или в иную сторону. Но в итоговом осмыслении непременно должно осуществиться совмещение двух сущностей человека.

Можно и нужно исследовать, например, то, как проявляется природная, биологическая сущность общественно развитого человека или, напротив, социально-психологическая сущность природного начала в человеке, но само понятие человека, его личности и в том и в другом исследовании должно основываться на понятии единства биологического, социального и психического. Иначе рассмотрение покинет область собственно человеческой сферы и примкнет либо к естественно-научным и биологическим исследованиям, имеющим свою частную научную цель, либо к культурологии, отвлекающейся от непосредственно действующего человека.

Сходство и отличия человека от животных . Сходство человека с животными определяется, во-первых, вещественным составом и строением. Мы состоим из тех же белков и нуклеиновых кислот, что и животные, и многие структуры и функции нашего тела такие же, как у животных. Чем выше на эволюционной ступени стоит животное, тем больше его сходство с человеком. Во-вторых, человеческий зародыш проходит в своем развитии те же стадии, которые прошла эволюция живого. И, в-третьих, у человека имеются рудиментарные органы, которые выполняли важные функции у животных и сохранились у человека, хотя не нужны ему.

Однако и отличия человека от животных фундаментальны. К ним, прежде всего, относится разум. Изучение высших животных показало, что они обладают многим из того, на что раньше считались способными только люди. В экспериментах с обезьянами обнаружено, что они могут понимать слова, сообщать с помощью компьютера о своих желаниях. Но чем не обладают самые высшие животные, так это способностью к понитийному мышлению, т.е. к формированию отвлеченных, абстрактных представлений о предметах, в которых обобщены основные свойства конкретных вещей.

Этология получает все больше данных о том, что в поведении человека и животных много общего. Животные испытывают чувства радости, горя, тоски, вины и т.д.; у них есть любопытство, внимание, память, воображение. Тем не менее, остается справедливым, что хотя животные имеют очень сложные формы поведения и создают изумительные произведения (например, паутина, которую ткет паук), человек, отличается от всех животных тем, что до начала работы имеет план, проект, модель постройки. Благодаря способности к понятийному мышлению человек сознает, что он делает.

Другим важным отличием является то, что человек обладает речью. У животных может иметь место очень развитая система общения с помощью сигналов. Но только у человека есть то, что И.П. Павлов назвал второй сигнальной системой – общение с помощью слов. Этим человеческое общество отличается от других общественных животных.

Способность к труду – еще одно фундаментальное отличие человека от животных. Конечно, все животные что-то могут делать, а высшие животные способны к сложным видам деятельности. Обезьяны, например, используют палки в виде орудий для доставания плодов. Но только человек способен изготавливать орудия труда. С этим связаны утверждения, что животные приспосабливаются к окружающей среде, а человек преобразует ее и что, в конечном счете, труд создал человека.

Человек – один из 3 млн. известных сейчас биологических видов на Земле. Место в системе животного царства: класс млекопитающие, отряд приматы, семейство гоминиды, род человек, в котором до нашего времени дожил только один вид – Человек разумный (Homo sapiens).

Человечество представляет собой общемировую популяцию биологического вида, составную часть экосистемы Земли. Организм человека развивается по общим для всех живых видов законам. Ч. Дарвин распространил на человека основные положения эволюционной теории и доказал его происхождение от «ниже стоящих видов животных». Происхождение человека, становление его как вида называется антропогенезом .

Самые древние предки человека возникли 5–8 млн. лет назад. Это произошло на юге, вероятно, в Восточной Африке. Поэтому первые из известных ныне гоминид получили название австралопитеки (от лат. australis – южный). Среди них 2–3 млн. лет назад выделился род человек (Нomo). Его первые представители – древнейшие люди, в том числе человек умелый (Homo habilis) и человек прямоходящий (Homo erectus), к которому относят питекантропов и синантропов (300 тыс. – 2 млн. лет назад). Им на смену пришли древние люди – неандертальцы (Homo neandertaliensis), исчезнувшие относительно недавно – примерно 40 тыс. лет назад. В это же время (40–50 тыс. лет назад) появились кроманьонцы – прямые предки современных людей, вместе с которыми они составляют единый вид – Человек разумный (Homo sapiens).

Движущими силами антропогенеза являются биологические и социальные факторы. Биологические факторы – это наследственность, изменчивость, борьба за существование и естественный отбор. Социальные факторы – трудовая деятельность, общественный образ жизни, речь (II сигнальная система) и мышление.

Для человека свойственны не только биологические, но социальные адаптации к условиям окружающей среды. Вне человеческого общества само формирование человека невозможно.

Таким образом, человек имеет биосоциальную природу . Он растет и развивается под воздействием двух программ. Биологическая программа определяет строение и физиологические особенности человеческого организма. Она сформировалась в результате биологической эволюции, передается по наследству, ее материальным носителем являются хромосомы. Социальная программа – формирование личности человека под влиянием окружающих его условий. Она сформировалась в результате развития человеческого общества, не передается по наследству. Социальную сущность человека составляют культура, образование, мораль, совесть и т.п.

Вид Человек разумный (Homo sapiens), к которому относятся современные люди, в настоящее время разделен на 3 или 5 больших рас. В первом случае это европеоидная (евразийская), монголоидная (азиатско-американская) и австрало -негроидная (экваториальная), во втором – европеоидная, монголоидная, американская, австралоидная и негроидная расы. Расы появились в результате расселения и географической изоляции, видимо, популяций неоантропов, живших в разных природно-климатических условиях. С формированием социальных взаимоотношений и ослаблением действия биологических факторов темпы эволюции человека как вида резко снизились, и ни одна из рас не достигла видового обособления. Различия между расами заключается в морфологических особенностях: цвет кожи, волос, глаз, форма носа, губ и.т.д. Эти различия, скорее всего, связаны с адаптацией к условиям окружающей среды. Так, темная кожа негроидов предохраняла организм от ярких солнечных лучей, в шапке курчавых волос создаются воздушные прослойки, защищающие от жары. Светлая кожа европеоидов пропускает ультрафиолетовые лучи и этим предохраняет от рахита, узкий выступающий нос способствует согреванию вдыхаемого воздуха. Монголоидная раса характеризуется прямыми жесткими волосами, уплощенностью лица, уменьшающей возможность обморожения, сильно выдающимися скулами, наличием эпикантуса (складки в углу глаза) – адаптациями к суровому, с частыми пылевыми бурями климату Центральной Азии.

О единстве вида Homo sapiens свидетельствует то, что все расы человека равноценны в биологическом и психологическом отношениях и находятся на одном и том же уровне эволюционного развития. Представители всех рас в пределах нормы реакции способны к достижению больших высот в развитии культуры и цивилизации. Также о видовом единстве свидетельствуют неограниченные возможности скрещиваний с образованием плодовитого потомства

Между природной средой и обществом существуют сложные взаимодействия, обмен веществом и энергией. Взаимоотношения общества и природы – воздействие человеческого общества (антропогенных факторов) на природу и природы (природных факторов) на здоровье и хозяйственную деятельность человека. С одной стороны, человек с все возрастающей силой воздействует на природу. С другой стороны, природа по-прежнему воздействует на человека. Человек (общество) связан с природой своим происхождением, существованием, своим будущим. Окружающая человека природная среда влияла и влияет на формирование биологического вида Homo sapiens, рас и этносов. Территориальное расселение людей, их материальная деятельность, размещение производственных сил зависят от количества, качества и местоположения природных ресурсов.

Появившись на Земле 2–3 млн. лет назад человек был собирательлем. Около 1,6 млн. лет назад человек научился пользоваться огнем. Это позволило ему заселить территории с умеренным климатом и заняться охотой. Использование огня и изобретение оружия привело к массовому уничтожению (перепромыслу) крупных млекопитающих средних широт. Это послужило причиной первого экологического кризиса (кризиса консументов). Этот кризис заставил человека перейти от присваивающего типа хозяйства (охота и собирательство) к производящему (скотоводство и земледелие).

Первые земледельческие цивилизации возникли в районах недостаточного увлажнения, что потребовало создания оросительных систем. В результате эрозии и засоления почв произошли локальные экологические катастрофы в бассейнах рек. Тигр и Евфрат, а сведение лесов привело к появлению пустыни Сахара на месте плодородных земель. Так проявил себя кризис примитивного земледелия. Переход к аграрной (сельскохозяйственной) культуре называют неолитической революцией , так как человек перешел от присваивающей экономики к экономике производящей. Важными отличительными особенностями жизни человека стали оседлость и полуоседлость, что предполагало тесный контакт с территорией, которую он обрабатывал.

Экологические последствия деятельности неолитических земледельцев и скотоводов были весьма разнообразны. Практиковавшееся в то время подсечно-огневое земледелие позволяло не только освобождать новые территории для расширения земледелия, получать необходимые минеральные соли для подкормки культурных растений, но и. приводило к обширным пожарам, в результате которых выгорали большие территории леса, погибало много животных. Распашка земель приводила к разрушению естественных экологических ниш многих животных. Сельскохозяйственные животные также оказали огромное влияние на природные комплексы. Конкурируя с дикими копытными, они вытесняли их с естественных пастбищ. В то же время скопление большого количества крупного рогатого скота на ограниченных участках, расположенных в непосредственной близости к человеческим поселениям, приводило к сведению травяного покрова. Органическое истощение почв в результате выращивания сельскохозяйственных культур, вырубка лесов при заготовке древесины, перевыпас домашних животных – все это, в конечном счете, приводило к эрозии почв, надолго выводившей их из хозяйственного оборота.

Позднее земледелие продвинулось на территории достаточного увлажнения, в районы лесостепи и леса, в результате чего началась интенсивная вырубка лесов. Развитие земледелия и нужда в древесине для строительства домов и кораблей привели к катастрофическому уничтожению лесов в Западной Европе. Сведение лесов в прошлом и настоящем вызывает изменение газового состава атмосферы, климатических условий, водного режима, состояния почв. Массовое уничтожение растительных ресурсов Земли характеризуется как кризис продуцентов.

С XVIII в. в результате промышленной, а затем научно-технической революций на смену доиндустриальной эпохе приходит индустриальная. За последние 100 лет потребление возросло в 100 раз. В настоящее время на одного жителя Земли каждый год добывается и выращивается примерно 20 т сырья, которое перерабатывается в конечные продукты массой 2 т, то есть 90% сырья превращается в отходы. Из 2 т конечного продукта в течение того же года выбрасывается не менее 1 т. Появление огромного количества отходов, причем часто в виде несвойственных природе веществ, привело к возникновению еще одного кризиса – кризиса редуцентов. Редуценты не успевают очищать биосферу от загрязнения, часто они на это просто не способны биологически. Это приводит к нарушению круговорота веществ в биосфере.

Помимо загрязнения биосферы различными веществами происходит ее тепловое загрязнение – добавление тепловой; энергии в приземный слой тропосферы в результате сжигания огромного количества горючих полезных ископаемых, а также использования атомной и термоядерной энергии. Следствием этого может стать глобальное потепление климата. Этот кризис получил название термодинамического.

Еще одним экологическим кризисом является снижение надежности экологических систем, в частности, в результате снижения их видового разнообразия, разрушения озонового слоя, и т.д.

Усиливающееся воздействие человека на природу в результате роста населения и научно-технического прогресса имеет не только экологические последствия. Нарастание экологической напряженности проявляется и в социальных последствиях. К негативным социальным последствиям относятся: нарастающая нехватка продовольствия в мире, рост заболеваемости населения в городах, возникновение новых болезней, экологическая миграция населения, возникновение локальных экологических конфликтов из-за создания экологически опасных в глазах населения предприятий, экологическая агрессия – вывоз токсичных технологических процессов и отходов в другие страны и т.д.

6.1.2. Физиологические особенности человека

Физиология изучает функции живого организма, отдельных органов, систем органов, а также механизм регуляции этих функций.

Человек представляет собой сложную саморегулирующуюся и самообновляющуюся систему клеток и неклеточных структур, которые в процессе развития образуют ткани, органы и системы органов, объединенных клеточными, гуморальными и нервными механизмами регуляции в целостный организм.

Ткани. Совокупность клеток, сходных по происхождению, строению и функции, образует ткань . Выделяют четыре группы тканей: эпителиальные, соединительные, мышечные и нервную . Ткани образуют органы.

Эпителиальные ткани (однослойный и многослойный эпителий) покрывают поверхность тела, выстилают изнутри органы и стенки полостей тела, образуют железы. Они выполняют защитную, секреторную, выделительную функции; обеспечивают обмен веществ между организмом и окружающей средой.

Соединительные ткани (рыхлая и плотная волокнистые соединительная ткани, жировая ткань, хрящевая и костная ткани, кровь, лимфа) выполняют функции: трофическую (связанную с участием клеток в обмене веществ), защитную (фагоцитоз, выработка иммунитета), механическую (образуют строму органов, связки, скелет), пластическую (участвуют в процессах регенерации, заживления ран), гомеостатическую (обеспечивают поддержание постоянства внутренней среды организма).

Мышечные ткани (гладкая мышечная ткань, поперечно-полосатая скелетная и сердечная мышечная ткани) обладают свойствами сократимости возбудимости и обеспечивают в организме двигательные процессы.

Нервная ткань составляет основу нервной системы, она представлена нервными клетками и нейроглией. Основными свойствами нервной ткани являются возбудимость и проводимость. В рецепторах возникает возбуждении, которое передается в центральную нервную систему, оттуда к рабочим органам, вызывая ответную реакцию на внешние и внутренние раздражения.

Орган – обособленная часть тела, имеющая определенную форму, строение, функции и положение в организме. Все органы снабжены нервами, кровеносными и лимфатическими сосудами. Регуляция работы органов и систем органов осуществляется нервным и гуморальным путем.

Гуморальная (жидкостная) регуляция осуществляется за счет гормонов, медиаторов, ионов, продуктов обмена, выделяемых клетками одних тканей органов в кровь, лимфу и воздействующих на клетки других тканей и органов, изменяя их работу. Ведущая роль в этом способе регуляции функций принадлежит железам внутренней секреции.

Нервная регуляция происходит рефлекторно и в отличие от гуморальной, она обеспечивает более быструю перестройку функций органов и организма в целом в соответствии с определенными условиями существования.

Деятельность всех структур организма, начиная с клетки и заканчивая системой органов, согласованна и подчинена единому целому, сохранения относительного постоянства внутренней среды организма. Способность сохранять постоянство химического состава и физико-химических свойств внутренней среды называют гомеостазом . Особенностью организма является способность его к саморегуляции, что обеспечивает устойчивость индивидуума к воздействию факторов внешней среды. Нервный и гуморальный механизмы регуляции взаимосвязаны. Активные химические вещества, образующиеся в организме, способны оказывать свое воздействие и на нервные клетки, изменяя их функциональное состояние. Образование и поступление в кровь многих активных химических веществ находится, в свою очередь, под регулирующим влиянием нервной системы. В этой связи правильнее говорить о единой нервно-гуморальной системе регуляции функций организма.

Опорно-двигательная система образована скелетом и мышцами. С ее деятельностью связана одна из ведущих функций всего организма – движение. Скелет и его соединения являются пассивной частью аппарата движения, а прикрепленные к костям скелетные мышцы – активной.

Скелет человека состоит из более 200 костей и их соединений. Он выполняет опорную, защитную, двигательную функции. Кроме того, кости участвуют в минеральном обмене и кроветворении (красный костный мозг).

Скелетные мышцы (около 400 мышц) выполняют в теле человека ряд функций связанных с перемещением тела и его частей в пространстве, дыхательными движениями, жеванием, глотанием, мимикой, артикуляцией звуков и т.д. Мышцы работаю рефлекторно, т.е. сокращаются под влияние нервных импульсов через неврно-мышечный синапс (медиатором служит ацетилхолин), поступающих из центральной нервной системы. Корковый отдел двигательного анализатора находится в передней центральной извилине коры больших полушарий, но непосредственно мышцы получают импульсы от нейронов серого вещества спинного мозга, продолговатого и среднего мозга.

Пищеварительная система представляет собой комплекс органов, осуществляющих процесс механической и химической обработки пищи, всасывание переработанных веществ и выведение наружу непереваренных и неусвоенных составных частей пищи. Сложные органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) распадаются на более простые, которые всасываются в кровь или лимфу усваиваются организмом как пластический и энергетический материал. В пищеварительной системе различают пищеварительный канал и пищеварительные железы, открывающиеся в него своими выводными протоками. Пищеварительный канал имеет длину 8–10 м подразделяется на отделы: полость рта, глотка, пищевод, желудок, тонкая и толстая кишка . Пищеварительный центр находится в продолговатом мозге. Наиболее крупные пищеварительные железы – поджелудочная железа и печень.

Поджелудочная железа состоит из экзокринной части, вырабатывающей панкреатический сок (поступает в двенадцатиперстную кишку) и эндокринной части, секретирующей в кровь гормоны инсулин и глюкогон.

Печень состоит из долек, образованных печеночными клетками. Печень вырабатывает желчь (по желчному протоку поступает в двенадцатиперстную кишку), активирующая действие всех пищеварительных ферментов, эмульгирующая жиры. Помимо участи в пищеварении печень выполняет барьерную функцию в организме, обезвреживая ядовитые вещества, образующиеся в процессе обмена или поступающие извне. В клетках печени синтезируется гликоген.

Обмен веществ – одно из основных свойств живых организмов. Суть его состоит в постоянном обмене веществ и энергии между организмом и внешней средой. Совокупность всех химических превращений (т.е. процессов ассимиляции и диссимиляция ) в живом организме, обеспечивающих его жизне­деятельность, называют обменом веществ (метаболизмом ). В период роста организма преобладает ассимиляция во взрослом организме устанавливается относительное равновесие между ассимиляцией и диссимиляцией; в старческом возрасте ассимиляция отстает от диссимиляции. Процессы превращения жиров, углеводов и белков строго согласованы между собой.

Обмен белков. Аминокислоты, входящие в состав белков, подразделяют на заменимые и незаменимые. Суточная потребность в белках составляет около 80 – 150 г и зависит от интенсивности физической нагрузки. При избытке поступающих с пищей белков они превращаются в жиры и углеводы. Белки пищи расщепляются ферментами пищеварительных соков до аминокислот, которые всасываются в кровь. В регуляции белкового обмена наиболее важную роль играют гормоны щитовидной железы.

Обмен углеводов. Углеводы – основной источник энергии в организме. При расщеплении 1 г высвобождается 17,6 кДж энергии. Суточное потребление углеводов должно составлять около 500 г. При избытке их в пище углеводы могут превращаться в жиры, а при недостатке они могут образовываться из белков и жиров. Сложные углеводы пищи расщепляются в пищеварительном тракте до моносахаридов, которые с током крови попадают в печень, где из них синтезируется гликоген. Гормоны адреналин, глюкагон и адренокортикотропный гормон вызывают повышение расщепления гликогена, тогда как инсулин тормозит распад гликогена и способствует его синтезу из глюкозы в печени. Согласованное действие этих гормонов сохраняет определенный уровень глюкозы в крови.

Обмен жиров. Жиры содержат наибольшие запасы энергии. При распаде 1 г выделяется 38,9 кДж энергии. Половина энергетических затрат обеспечивается за счет окисления жирных кислот и глицерина. Суточная потребность в жирах состав­ляет 70 – 80 г. Избыточное употребление в пищу углеводов и белков приводит к отложению жира в организме. В регуляции жирового обмена существенную роль играют железы внутренней секреции – надпочечники, гипофиз, щитовидная же­леза.

Водно-солевой обмен. Вода составляет около 70% массы тела. Суточная потребность в воде для взрослого организма соответствует 2,5 – 3 л. Воду, которую человек получает в виде питья (1,5 л) и в составе пищевых продуктов (1 – 1,2 л). Воду также образуется при окислительном распаде в организме белков, жиров и углеводов (500 мл). Центр регуляции потребности воды находится в гипоталамусе. Организм нуждается в поступлении не только воды, но и минеральных веществ для поддержания кислотно-щелочного равновесия (натрий, калий, хлор), в обеспечении процессов возбудимости нервной и мышечной тканей (калий), в образовании костного скелета (фосфор, кальций, магний), для гемоглобина, миоглобина (железо) и т.д. Важную роль в организме играют витамины – группа биологически активных органических соединений различной химической природы, посту­пающих в организм с пищей растительного и животного происхождения, часто являющихся составной частью ферментов.

Дыхательная система. В процессе дыхания различают три этапа: внешнее (легочное) дыхание, заключающееся в обмене газов в легких между организмом и средой; транспорт газов кровью; тканевое дыхание, состоящее из газообмена в тканях и биологического окисления в митохондриях. Внешнее дыхание обеспечивается системой органов дыхания, которая включает носовую полость, гортань, трахею, бронхи и легкие. Находясь в спокойном состоянии, человек вдыхает и выдыхает около 500 см³ воздуха. При глубоком вдохе человек может вдохнуть еще около 1500 см³ воздуха. Регуляция дыхания осуществляется дыхательным центром, расположенным в продолговатом мозге. Гуморальная регуляция дыхания заключается в том, что увеличение в крови концентрации СО₂ повышает возбудимость дыхательного центра, что обусловливает учащение и углубление дыхания. На дыхательные движения оказывает влияние кора больших полушарий, что выражается в возможности произвольно задерживать дыхание, изменять его ритм и глубину.

Выделительная система. Основными органами выделения являются почки. Они способствуют поддержанию постоянства ионного состава, осмотического давления, рН крови и внеклеточной жидкости, удаляют из организма многие вредные и ядовитые вещества. В выделении участвуют также легкие (выводят СО₂ , Н₂ О и некоторые летучие вещества), кишечник (соли тяжелых металлов, продукты превращения жёлчных пигментов), потовые железы (выделяют с потом воду, мочевую кислоту, мочевину, аммиак, соли и др.). Регуляция деятельности почек осуществляется нейрогуморальными механизмами.

Внутренняя среда организма. Кровь, лимфа, тканевая жидкость образуют внутреннюю среду организма. Кровеносная и лимфатическая системы обеспечивают гуморальную связь между органами, объединяя обменные процессы в общую систему. Относительное постоянство физико-химических свойств внутренней среды способствует существованию клеток организма в довольно неизменных условиях и уменьшает влияние на них внешней среды.

Кровь выполняет следующие функции: транспортную, распределения теплоты, регуляторную, защитную, участвует в выделении, поддерживает постоянство внутренней среды организма. В организме взрослого человека содержится около 5 л крови, в среднем 6 – 8 % от массы тела. Потеря 1/3 –1/2 объема крови может привести к смерти. Кровь представляет собой непрозрачную красную жидкость, состоящую из плазмы (55%) и взвешенных в ней клеток, форменные элементов (45%) – эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов. При переливании небольших доз крови от донора (человека дающего кровь) реципиенту (принимающему кровь) необходимо учитывать группу крови. Людей с I группой крови называются универсальными донорами, так как эту группу можно переливать всем четырем группам. Людей с IV группой называют универсальными реципиентами, так как им можно переливать любую группу крови. Кровь II группы может быть перелита II и IV группам, кровь III группы может быть перелита III и IV группам. При переливании больших доз крови используют только одногруппную кровь.

Иммунитет – способ защиты организма от генетически чужеродных веществ и инфекционных агентов. 3ащитные реакции организма обеспечиваются клетками фагоцитами, а также белками – антителами.

Лимфа – бесцветная жидкость; образуется из тканевой жидкости и не содержит эритроцитов, имеет различный состав в зависимости от особенностей их обмена веществ (лимфа, оттекающая от печени, имеет наибольшее количество белка, от кишечника – липидов).

Благодаря кровообращению кровь осуществляет связь всех органов тела человека и выполняет свойственные ей функции. Движение крови по сосудам обеспечивается органами кровообращения, которые представлены центральным пульсирующим органом – сердцем и сосудами – артериями, капиллярами и венами. Сердечная мышца обладает свойством автономии, способностью сокращаться под влиянием импульсов, возникающих в само сердце. Работа сердца заключается в ритмическом нагнетании крови из вен в артерии. Эта функция выполняется благодаря попеременным ритмическим сокращениям и расслаблениям мышечных волокон миокарда. Систола (сокращение) и диастола (расслабление) согласованы и составляют цикл работы сердца. В норме частота сердечных сокращений взрослого человека колеблется от 60 до 80 в 1 мин, у спортсменов 40 – 50, у новорожденных 140. Регуляция сердечной деятельности осуществляется блуждающим (парасимпатическим) нервом, который вызывает урежение силы сердечных сокращений, и симпатическими волокнами, оказывающими ускоряющее и усиливающее действие. Центры, регулирующие деятельность сердца, находятся в продолговатом и спинном мозге. Кроме того, имеются центры регуляции сердечной деятельности в гипоталамусе и коре больших полушарий. Большую роль в регуляции деятельности сердца играют различные гуморальные влияния. Гормон надпочечников адреналин учащает и усиливает работу сердца, ацетилхолин (медиатор) обладает противоположным эффектом, гормон тироксин учащает сердечный ритм. При резких физических (нагрузках или состоянии эмоционального напряжения мозговой слой надпочечников выбрасывает в кровь большие количества адреналина, что приводит к резкому усилению сердечной деятельности.

Кровеносные сосуды тела объединяют в большой и малый круги кровообращения. Сосуды большого круга снабжают кровью органы, сосуды малого круга обеспечивают газообмен в легких. Аорта дает начало большому кругу кровообращения, назначение которого – питание кровью, богатой кислородом и питательными веществами, всего тела человека. В капиллярах артериальная кровь насыщается углекислым газом и продуктами распада и превращается в венозную. Венозная кровь собирается сначала в мелкие, а затем в крупные вены и, наконец, по двум полным венам возвращается в правое предсердие. Здесь заканчивается большой круг кровообращения. Малый (легочный) круг кровообращения начинается из правого желудочка, откуда кровь направляется в легкие. Там благодаря газообмену венозная кровь превращается в артериальную, затем возвращается в левое предсердие, а оттуда – в левый желудочек.

Нервная система регулирует работу органов, осуществляет согласованную деятельность разных систем органов, обеспечивает связь организма с внешней средой, а также сознательную деятельность людей. Выполнение этих функций связано с особенностями строения и функционирования нервных клеток, их отростков и соединений (синапсов). Основными свойствами нервного волокна и тела нервной клетки являются возбудимость и проводимость. Наиболее характерным свойством клеточной мембраны не только нейронов, и всех живых клеток является поддержание разности потенциалов между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью – потенциала покоя , причем внутренняя сторона мембраны заря­жена отрицательно по отношению к наружной. Потенциал покоя обусловлен неравенством концентраций ионов К⁺ , Nа⁺ и Сl^– по обе стороны клеточной мембраны и неодинаковой проницаемостью мембраны для этих ионов. Разность потенциалов у большинства клеток создается диффузией ионов К⁺ из цитоплазмы в наружную среду, а ионов Сl^– наружной среды в цитоплазму. Нервная регуляция носит рефлекторный характер. Рефлексом называют ответную реакцию организма на раздражение рецепторов, осуществляемую через центральную нервную систему (ЦНС). Путь, по которому распространяется возбуждение при осуществлении рефлекса, называют рефлекторной дугой. Рефлекторные дуги состоят из следующих компонентов: рецептора, воспринимающего раздражение; чувствительного (центростремительного) нервного волокна, по которому возбуждение, передается от рецептора в ЦНС; нервного центра – группы вставочных (ассоциативных) нейронов, расположенных на различных уровнях ЦНС и передающих нервные импульсы с чувствительных нервных клеток на двигательные; двигательного (центробежного) нервного волокна, передающего возбуждение от ЦНС к исполнительному органу, деятельность которого изменя­ется в результате рефлекса. Нервная система анатомически подразделяется на центральную (спинной и головной мозг) и периферическую (нервы, нервные узлы, сплетения, нервные окончания. В зависимости от характера иннервации органов и тканей нервную систему делят на соматическую и вегетативную . Соматическая нервная система регулирует произвольные движения скелетной мускулатуры и обеспечивает чувствительность. Вегетативная нервная система регулирует деятельность внутренних органов, кровеносной системы, желез внутренней секреции и обмен веществ.

Спинной мозг расположен в позвоночном канале и состоит из серого (внутренний слой) и белого (наружный слой) вещества, с отходящими отростками нейронов. Спинной мозг выполняет две важные функции: рефлекторную и проводниковую. Как рефлекторный центр спинной мозг осуществляет двигательные и вегетативные рефлексы. Двигательные нейроны спинного мозга иннервируют все мышцы туловища и конечностей. С вегетативными центрами спинного мозга связаны важнейшие вегетативные рефлексы: сосудодвигательный, пищевой, дыхательный, дефекации, мочеиспускания, половой. Рефлекторную функцию спинной мозг осуществляет во взаимодействии с головным мозгом. Проводниковая функция производится за счет восходящих и нисходящих путей белого вещества.

Головной мозг находится в мозговом отделе черепа. Масса головного мозга у взрослых людей составляет около 1400 – 1600 г. Он состоит из пяти отделов: переднего, промежуточного, среднего, заднего (мост и мозжечок) и продолговатого. Полушария переднего мозга человека являются эволюционно более новыми и достигают наибольшего развития (до 80% массы мозга). Продолговатый мозг, варолиев мост (задний мозг), средний и промежуточный образуют ствол головного мозга. От головного мозга отходят 12 пар черепно-мозговых нервов.

Продолговатый мозг выполняет две функции: проводнико­вую и рефлекторную – центры дыхания, сердечной деятельности, сосудодвигательный, центры безусловных пищевых рефлексов (сосания, глотания, отделения пищеварительных соков), защитных рефлексов (кашля, чихания, мигания, слезоотделения, рвоты). С деятельностью продолговатого мозга, кроме того, связаны рефлексы положения тела, изменения тонуса шейных мышц и мышц туловища. Белое вещество продолговатого мозга.

Задний мозг состоит из варолиева моста и мозжечка. Проводящие пути моста связывают продолговатый мозг и мозжечок с большими полушариями. Основными функциями мозжечка являются координация движений и нормальное распределение мышечного тонуса.

Средний мозг (четверохолмие) состоит из двух ножек и крыши (пластинки четверохолмия). Он играет важную роль в регуляции мышечного тонуса и в появлении установочных рефлексов, обеспечивающих сохранение правильного положения тела в пространстве. Четверохолмие является центром зрительных и слуховых ориентировочных рефлексов.

Промежуточный мозг включает зрительные бугры (таламус), надбугорную область (эпиталамус), подбугорную область (гипоталамус) и коленчатые тела. Сверху к нему прилегает эпифиз, снизу – гипофиз. Таламус является подкорковым центром всех видов чувствительности, за исключением обонятельной. Кроме того, он регулирует и координирует внешнее проявление эмоций (мимику, жесты, изменение дыхания, пульса, давления). В гипоталамусе находятся высшие центры вегетативной нервной системы, обеспечивающие постоянство внутренней среды, а также регулирующие обмен веществ, температуру тела. С гипоталамусом связаны чувство голода, жажды и насыщения, регуляция сна и бодрствования. Гипоталамус контролирует деятельность передней доли гипофиза и вырабатывает гормоны, поступающие в заднюю долю гипофиза. В состав надбугорья входит эпифиз. Ядра эпиталамуса принимают участие в работе обонятельного анализатора. В коленчатых телах находятся подкорковые центры зрения и слуха.

Передний мозг представлен правым и левым полушариями, которые соединены пластинкой белого вещества – мозолистым телом. Белое вещество представляет собой проводящие пути полушарий. Среди белого вещества находятся ядра серого вещества (подкорковые структуры).

Кора больших полушарий представляет собой слой серого вещества толщиной в 2–4 мм. Она образована нервными клетками (14–17 млрд.). Многочисленные складки, извилины и борозды значительно увеличивают площадь коры (до 2000–2500 см ). Различные области коры определяют разные функции, с чем связано выделение в ней ряда зон. Двигательная зона коры расположена в передней центральной извилине лобной доли, зона кожно-мышечной чувствительности – в задней центральной извилине теменной доли. Зрительная зона находится в затылочной доле, слуховая – в височной. Центры обоняния и вкуса функционально связаны между собой и расположены на внутрен­ней поверхности височной и лобных долей. Ассоциативные зоны коры (в частности, теменная доля) связывают различные области^- коры. Здесь происходит интеграция всех импульсов, поступающих в мозг. Деятельность этих зон лежит в основе высших психических функции человека (памяти, способности к логическому мышлении и обучению, воображению), обеспечивающих возможность целе­сообразной реакции поведения. Они играют важную роль в формировании условных рефлексов.

Вегетативная нервная система является частью нервной системы, регулирующей деятельность внутренних органов (дыхания, кровообращения, пищеварения, выделения и др.). Она влияет на обмен веществ и рост; играет ведущую роль в поддержании постоянства внутренней среды и в приспособительных реакциях организма. Центральная часть вегетативной нервной системы расположена в среднем, продолговатом и спинном мозге. Вегетативная нерв­ная система состоит из двух частей: симпатической и парасимпатической. К большинству внутренних органов подходят как симпатические, так и парасимпатические нервные волокна (двойная иннервация), которые обычно оказывают противоположные влияния (например, парасимпатическое влияние – ослабление и замедление сердечной деятельности, симпатическое – усиление и ускорение). Это имеет большое значение в приспособлении организма к меняющимся условиям среды. Деятельность вегетативной нервной системы не подчинена воле человека.

Высшая нервная деятельность – деятельность высших отделов центральной нервной системы, обеспечивающих наиболее совершенную приспособляемость животных и человека к условиям среды. Основой высшей нервной деятельности у млекопитающих является кора больших полушарий вместе с подкорковыми ядрами переднего мозга. Положения о рефлекторной деятельности мозга были высказаны И.М.Сеченовым в 1863 г. в книге «Рефлексы головного мозга». Идеи И.М. Сеченова получили развитие в трудах И.П. Павлова. Всю совокупность рефлексов, происходящих в организме, И.П. Павлов разделил на две группы: безусловные и условные.

Безусловные рефлексы – врожденные, передающиеся по наследству (слюноотделение, глотание, дыхание и т.д.), видовые, имеют постоянные рефлекторные дуги, осуществляются в ответ на адекватное раздражение на уровне спинного мозга и ствола мозга, подкорковых ядер.

Условные рефлексы – приобретенные организмом в течение жизни, индивидуальные, не имеют готовых рефлекторных дуг, они формируются при определенных ус­ловиях, непостоянные, могут выработаться и исчезнуть, осуществляются на любое воспринимаемое организмом раздражение; формируются на базе безусловных рефлексов и осуществляются за счет деятельности коры головного мозга. При действии условного раздражителя (например, света) в коре возникает очаг возбуждения. Последующее действие безусловного раздражителя (например, пищи) сопровождается появлением второго очага возбуждения в коре. Между ними возникает временная связь (происходит замыкание, по Павлову). После нескольких сочетаний условного и безусловного раздражителей связь становится более прочной. Теперь достаточно только одного условного раздражителя, чтобы вызвать рефлекс. Условные рефлексы не только вырабатываются, но и исчезают или ослабляются при изменении условий существования в результате торможения. И.П. Павлов различал два вида тормо­жения условных рефлексов: безусловное (внешнее) и условное (внутреннее). Безусловное (внешнее) торможение возникает в результате действия нового раздражителя достаточной силы. В коре головного мозга при этом возникает новый очаг возбуждения, который вызывает угнетение существующего очага возбуждения. У человека, например, при острой зубной боли перестает болеть сильно пораненный палец. Условное (внутреннее) торможение развивается по закономерностям условного рефлекса, т.е. если действие условного раздражителя не подкрепляется действием безусловного раздражителя. Благодаря торможению в коре исчезает ненужная временная связь.

Таким образом, в коре происходит сложное взаимодействие процессов возбуждения и торможения, причем кора способна различать и разделять отдельные раздражения (анализ) наряду с возможностью обобщать, объединять возбуждения, возникающие в различных ее участках (синтез).

Поведение любого животного гораздо проще, чем поведение человека. Особенностями высшей нервной деятельности человека являются высокоразвитая психическая деятельность, сознание, речь, способность к абстрактно-логическому мышлению. Высшая нервная деятельность человека сформировалась исторически в ходе трудовой деятельности и необходимости общения. Опираясь на особенности высшей нервной деятельности человека и животных, И.П. Павлов разработал учение о первой и второй сигнальных системах.

Первую сигнальную систему составляет восприятие окружающего мира, связанное с анализом и синтезом непосредственных сигналов, которые приходят от зрительных, слуховых, обонятельных и других рецепторов. Вторая сигнальная система возникла и развилась у человека в связи с появлением речи. Она отсутствует у животных. Вторая сигнальная система обусловлена специфической особенностью высшей нервной деятельности чело­века – восприятием слышимых (произносимых) или видимых (при чтении) слов. Сигнальное значение слова связано не с простым звукосочетанием, а с его смысловым содержанием. Развитие словесной сигнализации сделало возможным обобщения и абстракции, находящие свое выражение в понятийной деятельности человека.

Накопление, хранение и обработка информации – важнейшее свойство нервной системы. Различают два вида памяти : кратковременную и долговременную. В основе кратковременной памяти лежит циркуляция нервных импульсов по замкнутым нейронным цепям. Это может продолжаться от нескольких секунд до 10–20 мин. Информация, хранящаяся в кратковременной памяти, быстро «стирается». В процессе обучения нервные импульсы неоднократно проходят по одним и тем же нервным путям, оставляя в них след. Материальной основой долговременной памяти являются различные структурные изменения, в цепях нейронов, вызванные электрохимическими процессами возбуждения. В долговременной памяти информация хранится в доступном для извлечения виде. В настоящее время найдены пептиды, вырабатываемые нервными клетками и влияющие на процесс памяти. Определенная роль в формировании памяти принадлежит эмоциям. При эмоциональном возбуждении усиливается циркуляция нервных импульсов по цепям нейронов. В формировании памяти участвуют нейроны коры больших полушарий (височные доли), ретикулярная формация ствола мозга, гипоталамическая область. Различают зрительную, слуховую, осязательную, двигательную, или моторную, и смешанную память в зависимости от того, какой из анализаторов играет в этом процессе главную роль.

Анализаторы. Организм человека улавливает различные изменения, происходящие во внешней среде, с помощью органов чувств – осязания, зрения, слуха, вкуса и обоняния. В каждом из них имеются специфические рецепторы, воспринимающие определенный вид раздражения. В зависимости от способа взаимодействия рецептора с раздражителем различают контактные (рецепторы кожи, вкусовые) и дистантные (зрительные, слуховые, обонятельные) рецепторы. И.П. Павлов ввел понятие анализатора как функциональной системы, состоящей из трех компонентов: рецептора (периферической части), проводниковой части и центральной части, представленной соответствующей областью коры головного мозга. В рецепторе энергия внешнего раздражения трансформируется в нервные импульсы, а затем по чувствитель­ным нервным путям импульсы поступают в соответствующую зону коры, где формируются специфические ощущения.

Железы внутренней секреции не имеют выводных протоков и выделяют свой секрет – гормоны – в кровь и лимфу. Это гипофиз, щитовидная, паращитовидные железы, надпочечники, эпифиз, вилочковая железа. Кроме желез внутренней секреции существуют железы внешней секреции (слюнные железы, печень, молочные, сальные, потовые и др.) и смешанной секреции (половые и поджелудочная железа). Гормоны – химические соединения, обладающие высокой биологической активностью и в малых дозах дающие значительный физиологический эффект – играют ведущую роль в гуморальной регуляции функций организма.

Гипоталамус (отдел промежуточного мозга) – высший центр регуляции эндокринных функций. Он объединяет нервные и эндокринные регуляторные механизмы в единую нейроэндокринную систему, оказывая влияние на эндокринные железы либо по нисходящим нервным путям, либо через гипофиз (гуморально).

Гипофиз (нижний придаток мозга; масса около 0,6 мг) выделяет гормоны: соматотропный (регулирует рост), гонадотропный (способствует росту половых клеток и образованию половых гормонов), тиреотропный (действует на щитовидную железу), адренокортикотропный (усиливает синтез гормонов коры надпочечников), вазопрессин (влияет на гладкую мускулатуру артериол и повышает артериальное давление; угнетает мочеобразование) и др.

Эпифиз расположен в полости черепа, над таламусом между холмами среднего мозга (масса около 0,2 мг). Выделяет гормон мелатонин, тормозящий действие гонадотропных гормонов. Секреция эпифиза изменяется в зависимости от освещенности: свет подавляет синтез мелатонина.

Щитовидная железа (масса 30–40 г) расположена на шее впереди гортани. В ней образуются гормоны, богатые иодом: тироксин, трииодтиронин др. Основной функцией этих гормонов является стимуляция окислительных процессов в клетках, регуляция водного, белкового, жирового, углеводного и минерального обменов, роста и развития организма. Оказывают действие на функции центральной нервной системы и высшую нервную деятельность.

Паращитовидные железы – парные образования (масса 0,2–0,5 г), тесно прилегающие к щитовидной железе и вырабатывают паратгормон, вызывающий повышение уровня Са²⁺ в плазме.

Надпочечники – парные железы, расположены на верхних полюсах почек (масса около 15г). Они вырабатывают глюкокортикоиды (влияют на обмен углеводов, белков, жиров и др.), минералокортикоиды (регулируют обмен натрия и калия, действую на почки) и половые гормоны (андрогены, эстрогены и прогестерон, обуславливающие развитие вторичных половых признаков), адреналин (повышает систолический объем, ускоряет частоту сердечных сокращений и др.) и норадреналин (замедляет частоту сердечных сокращений).

Вилочковая железа (тимус) наибольшую массу имеет у новорожденных. после наступления полового созревания ее развитие прекращается и железа постепенно атрофируется. В железе размножаются и дифференцируются клетки – предшественники Т-лимфоцитов (зрелые Т-лимфоциты ответственны за развитие иммунитета).

Поджелудочная железа выделяет пищеварительные ферменты в двенадцатиперстную кишку по выводному протоку, а гормоны непосредственно в кровь (глюкагон и инсулин, регулирующих уровень глюкозы в крови).

Половые железы – семенники у мужчин и яичники женщин. За счет внешнесекреторной функции образуются сперматозоиды и яйцеклетки. Эндокринная функция связана с выработкой мужских (фндрогены – тестостерон и андростерон) и женских (эстрагены – эстрадиол ипрогестерон) половых гормонов. В мужских половых железах помимо андрогенов вырабатыва­ется небольшое количество женских половых гормонов, а в женских одновременно с эстрогенами образуется небольшое количество андрогенов. При нарушении функции яичников или семенников изменяется соотношение продукции этих гормонов.

Размножение и развитие. Половое размножение обеспечивает смену поколений человеческих популяций. При слиянии женской и мужской половой клеток образуется зигота, дающая начало новому организму. Она наследует признаки отца и матери. Половые клетки образуются в половых органах: яйцеклетки – в яичниках, сперматозоиды – в семенниках. Оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом происходит в маточной трубе. Образовавшаяся диплоидная зигота начинает делиться. Зародыш затем попадает в матку и внедряется в ее слизистую оболочку. Оплодотворение возможно в течение 12 – 24 ч после ову­ляции (т.е. выхода яйцеклетки из фолликул яйчника в брюшную полость), пока яйцеклетка сохраняет свою жизнеспособность. Способность к оплодотворению сперматозоидов сохраняется 2–4 сут. Если оплодотворения не произошло, то яйцеклетка разрушается и отторгается слизистая оболочка матки (менстуация). Самая наибольшая вероятность оплодотворения яйцеклетки примерно с 11 по 19 день после первого дня ментсруального периода.

В развитии человека выделяют эмбриональный (пренатальный или внутриутробный) и постэмбриональный периоды.

Эмбриональное развитие человека (продолжается в среднем 280 сут.) делят на три периода: начальный (1-я неделя развития), зародышевый (2–8-я недели), плодный (с 9-й недели развития до рождения ребенка).

Постэмбриональный период включает детство, отрочество и зрелость (взрослое состояние). Каждый из этих этапов состоит из нескольких стадий, имеющих ряд характерных особенностей.

Детство включает три стадии: первое детство начинается с появления ребенка на свет и продолжается 3 года, это период развития функциональной независимости и речи; второе детство охватывает период с 3 до 6 лет и характеризуется развитием личности ребенка и когнитивных процессов; третье детство продолжается с 6 до 12 лет и соответствует школьному возрасту и включению ребенка в социальную группу. Начало полового созревания знаменует собой окончание детства и вступление ребенка в отрочество.

Отрочество подразделяется на два периода: пубертатный период соответствует половому созреванию и продолжается до 15 или 16 лет; ювенальный период (юность), продолжающийся с 16 до 18–20 лет.

Зрелость несколько произвольно разделяют на три стадии: стадия ранней зрелости охватывает период с 20 до 40 лет; зрелый возраст, продолжающийся с 40 до 60 лет; период зрелости начинается с 60–65 лет и чаще всего сопровождается отходом человека от активной жизни, после 75 возраст считается преклонным.

Средняя продолжительность жизни в развитых странах составляет 80 лет у женщин и 72 года у мужчин. По мнению некоторых ученых, продолжительность человеческой жизни (за редкими исключениями) не может превышать 110 лет.

Жизнь уходит также поэтапно – в обратном порядке по сравнению с тем, как она развивается. Можно выделить четыре стадии этого процесса: социальная смерть; психическая смерть; мозговая смерть; физиологическая смерть.

Эволюция ранних форм человека – Homo habilis, Homo erectus и более поздних форм – неандертальцев, кроманьонцев. Формирование человека под действием не только природных факторов, но и под все возрастающим влиянием социальных факторов. Социально детерминированный характер эволюции современного человека.

Эволюционная экология как теоретическая база для объ­яснения эволюции человека и его предков. Основные принципы экологии и их связь с теорией эволюции. Естественный отбор и факторы, ограничивающие отбор. Типы эволюционных изменений: филетические изменения и дивергенция. Отбор и адапта­ция. Адаптивная радиация. Адаптивные признаки организма как средства решения проблем, поставленных перед организ­мом окружающей средой. Принципиальное сходство эволюции человека и других видов живой природы : эволюция гоминид как процесс взаимодействия внутренних сил эволюции (филогенетического наследия) и внешних сил (окружающей среды); одновременное существование нескольких видов гоми­нид в определенные периоды эволюции; повторяемость эволю­ционных тенденций в разных ветвях гоминид.

Филогенетическое развитие человека . Геологическая хро­нология. Хронологические рамки эволюции человека. Реконст­рукция облика понгидного предка человека. Гоминоиды и гоминиды. Построение филогенетических схем эволюции гоминид по данным палеонтологии, сравнительной морфологии, карио­логии, иммуногенетики, сравнительной биохимии, этологии.

Использование «молекулярных часов» для датировки эволюци­онных событий гоминид.

Действие основных факторов эволюции в современных че­ловеческих популяциях и возможные пути эволюции человека в будущем: снижение значения многих факторов эволюции, таких как естественный отбор, изоляция, волны численности; про­должение действия, а в ряде районов даже усиление мутацион­ного процесса.

Человек как биологический вид.

Изменчивость организма. Морфологическая уникальность человеческого организма. Биологическая изменчивость совре­менного человека: индивидуальная, внутрипопуляционная, межпопуляционная изменчивость. Причины изменчивости: гео­графические (экологические) условия, исторические факторы и др.

Основные закономерности роста человека.

Кривая роста человека, рост в пренатальном и постнатальном периодах, абсолютный рост, скорость роста. Пренатальный рост, общая характеристика пренатального роста, из­менение скорости роста от оплодотворения до рождения. Фак­торы, влияющие на пренатальный рост, процессы морфогенеза в пренатальный период.

Постнатальный рост, изменение скорости роста в течение жизни. Половые различия в ростовых кривых. Критические пе­риоды. Ростовые скачки – полуростовой скачок и пубертатный скачок роста. Постпубертатный рост. Кривая роста человека как характерная особенность приматов.

Пубертатный скачок роста и его проявление на различных органах и тканях; половые различия в проявлении пубертатно­го скачка. Развитие системы органов размножения у мальчиков и девочек в пубертатный период.

Биологический возраст. Определение возраста по степени развития и понятие фи­зиологической зрелости или биологического возраста. Совпадение биологического и хронологического возраста у большин­ства детей.

Акселерация или эпохальный сдвиг.

Эпохальные сдвиги темпов развития: изменения соматиче­ского и физиологического развития детей и подростков за по­следние 100-150 лет.

Старение организма . Природа, механизмы и критерии ста­рения. Первичное проявление старения - изменения генетическо­го аппарата клетки. Морфологические критерии старения: осо­бенности внешности, состояние скелета или костный возраст, состояние зубов или зубной возраст. Функциональные крите­рии старения - повышение уровня холестерина в крови и др. Видовая продолжительность жизни человека. Факторы, регулирующие темп старения – экологические условия, наследствен­ные особенности организма и др.

Половой диморфизм человека . Генетические, морфологи­ческие, физиологические аспекты полового диморфизма чело­века.

Генетическое определение пола, процесс мейоза и половые X и Y хромосомы, аномальные отклонения в наборе половых X и Y хромосом. Численное соотношение полов в разном возрас­те. Наследование, сцепленное с полом – Х-сцепленное наследо­вание и Y-сцепленное наследование, примеры признаков, сцеп­ленных с полом, болезни, связанные с полом: цветовая слепота, гемофилия и др. Наследование, ограниченное или регулируемое полом: преждевременное облысение, синдром Лоуренса-Муна-Билда и др.

Морфологические различия полов у человека: различие в ростовой кривой у женщин и мужчин, развитие первичных и вторичных половых признаков у мальчиков и девочек, половые различия в пропорциях тела, половая изменчивость конститу­ционных типов. Половой диморфизм основных морфологиче­ских частей тела человека: скелета, покровов тела, внутренних органов, сердечно-сосудистой системы, желез внутренней сек­реции и др.

Половые различия в физиологии человека: деятельность гормонов, определяющих развитие половых признаков у чело­века – преобладание андрогенов у мужчин и эстрогенов у жен­щин. Деятельность половых гормонов и уровень обмена ве­ществ: у мужчин уровень обмена веществ выше. Физиологиче­ские особенности полов в работе функциональных систем: по­ловой, кровеносной, дыхательной и др.

6.1.3. Здоровье человека

По определению Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), здоровье человека – это состояние полного физического, душевного и социального благополучия. Здоровье – одно из основных прав человека. Не менее важным правом является право человека на информацию о тех факторах, которые определяют здоровье человека или являются факторами риска, то есть их воздействие может привести к развитию болезни.

Фактор риска – общее название факторов, не являющихся непосредственной причиной определенной болезни, но увеличивающих вероятность ее возникновения. К ним относятся условия и особенности образа жизни, а также врожденные или приобретенные свойства организма. Они повышают вероятность возникновения у индивидуума болезни и (или) способны неблагоприятно влиять на течение и прогноз имеющегося заболевания. Обычно выделяют биологические, экологические и социальные факторы риска. Если к факторам риска присовокупить факторы, являющиеся непосредственной причиной болезни, то вместе их называют факторами здоровья.

К биологическим факторам риска относятся генетические и приобретенные в онтогенезе особенности организма человека. Известно, что некоторые болезни чаще встречаются в определенных национальных и этнических группах. Существует наследственная предрасположенность к заболеванию гипертонической болезнью, язвенной болезнью, сахарным диабетом и другими болезнями. Для возникновения и течения многих болезней, в том числе сахарного диабета, ишемической болезни сердца, серьезным фактором риска является ожирение. Существование в организме очагов хронической инфекции (например, хронического тонзиллита) может способствовать заболеванию ревматизмом.

Экологические факторы риска. Изменения физических и химических свойств атмосферы влияют, например, на развитие бронхолегочных заболеваний. Резкие суточные колебания температуры, атмосферного давления, напряженности магнитных полей ухудшают течение сердечно-сосудистых заболеваний. Ионизирующее излучение является одним из онкогенных факторов. Особенности ионного состава почвы и воды, а, следовательно, и продуктов питания растительного и животного происхождения, приводят к развитию элементоза – заболеваний, связанных с избытком или недостатков в организме атомов того или иного элемента. Например, недостаток йода в питьевой воде и продуктах питания в районах с низким содержанием йода в почве может способствовать развитию эндемического зоба.

Социальные факторы риска. Неблагоприятные жилищные условия, многообразные стрессовые ситуации, такие особенности образа жизни человека, как гиподинамия – фактор риска развития многих заболеваний, особенно болезней, сердечно-сосудистой системы. Вредные привычки, например курение – фактор риска возникновения бронхолегочных и сердечно-со­судистых заболеваний. Употребление алкоголя – фактор риска развития алкоголизма, болезней печени, сердца и др.

Факторы риска могут быть существенны для отдельных индивидуумов (например, генетические особенности организма) или для множества особей разных видов (например, ионизирующее излучение). Наиболее неблагоприятно оценивается совокупное воздействие на организм нескольких факторов риска, например одновременное наличие таких факторов риска, как ожирение, гиподинамия, курение, нарушение углеводного обмена, значительно увеличивает риск развития ишемической болезни сердца.

В профилактике возникновения и прогрессирования болезни большое внимание уделяют устранению факторов риска индивидуального характера (отказ от вредных привычек, занятия физкультурой, ликвидация очагов инфекции в организме и др.), а также устранению факторов риска, имеющих значение для популяции. На это направлены, в частности, мероприятия по охране окружающей среды, источников водоснабжения, санитарная охрана почвы, санитарная охрана территории, устранение профвредностей, соблюдение техники безопасности и др.

Первобытный человек был практически не защищен от дей­ствия лимитирующих факторов среды. Продолжительность его жизни была небольшой, а плотность популяции весьма низкой. Главными из ограничивающих факторов были недоедание, гипердинамия и инфекционные болезни.

Чтобы выжить человек старался оградить себя от воздействия неблагоприятных факторов окружающей природной среды. Для этого он создал искусственную среду своего обитания. Но и здесь действуют свои факторы риска. Особенно остро они проявляются в городской среде. В современном об­ществе доминирующими стали такие факторы риска как гиподинамия, переедание, вредные привычки, стрессы, загрязнение окружающей среды.

В настоящее время негативное воздействие окружающей человека среды проявляется в развитии следующих процессов: нарушение биоритмов (в частности сна), аллергизация населения, рост онкологической заболеваемости, рост доли лиц с избыточным весом, рост доли рождения недоношенных детей, акселерация, «омоложение» многих форм патологии, абиологическая тенденция в организации жизни (курение, наркомания, алкоголизм и пр.), рост близорукости, возрастание удельного веса хронических заболеваний, развитие профессиональных заболеваний и т. д.

Группировка факторов риска и их значение для здоровья

В последнее время стало понятно, что одна только медицина не может справиться с растущей патологией у населения. Доля влияния здравоохранения на здоровье человека составляет 10–15%, в то время как условия и образ жизни составляет более 50% этого влияния. В связи с этим возрос интерес к здоровому образу жизни, как среди специалистов, так и широких кругов населения. Происходит осознание тезиса: искусство продлить жизнь – это искусство не укорачивать ее. Становится ясно, что болезни современного человека обусловлены, прежде всего, его образом жизни и повседневным поведением. Здоровый образ жизни необходимо рассматривать как основу профилактики заболеваний.

При определении здорового образа жизни необходимо учитывать два фактора – генетическую природу данного челове­ка и ее соответствие конкретным условиям жизнедеятельности. Здоровый образ жизни есть способ жизнедеятельности, соответствующий генетически обусловленным особенностям данного человека, конкретным условиям жизни и направленный на формирование, сохранение и укрепление здоровья, на полноценное выполнение человеком его социально-биологических функций. Обязательным является учет индивидуальности каждого человека. Здоровых образов жизни должно быть столько, сколько существует людей.

6.1.4. Эмоции. Творчество

Эмоции представляют собой реакции животных и человека на воздействие внешних и внутренних раздражителей, имеющие ярко выраженную субъективную окраску и охватывающие все виды чувствительности. Различают положительные эмоции – радость, наслаждение, удовольствие – и отрицательные – грусть, печаль, неудовольствие. Разные виды эмоций сопровождаются различными физиологическими изменениями в организме, соответствующими психическими проявлениями. Например, при печали, смущении, испуге понижается тонус скелетной мускулатуры. Печаль характеризуется спазмом сосудов, испуг – расслаблением гладкой мускулатуры. Гнев, радость, нетерпение сопровождаются повышением тонуса скелетной мускулатуры, при радости, кроме того, Расширяются сосуды, при гневе расстраивается координация Движений, увеличивается содержание сахара в крови и пр.

Эмоциональное возбуждение мобилизирует все имеющиеся у организма резервы. Более тонко работает интеллектуальная сфера, память. Возникает резкое возбуждение симпатической части вегетативной нервной системы, в кровь поступает значительное количество адреналина, усиливается работа сердца и повышается артериальное давление, растет газообмен, расширяются бронхи, Увеличивается интенсивность окислительных и энергетических процессов в организме. Резко изменяется характер деятельности скелетных мышц, т.е. они могут включиться в работу одновре­менно, а не поочередно. Блокируется процесс, тормозящий мышечную деятельность при утомлении.

В процессе эволюции эмоции сформировались как механизм приспособления. Огромную роль в жизни человека играют положительные эмоции. Они важны для сохранения здоровья в работоспособности человека.

Творчество – процесс создания чего-либо нового, часто пред­полагает, что человек может испытывать недостаточность информации, знаний, умений для достижения цели и решения той или иной проблемы, и именно поэтому ему необходимо создать новые знания, умения, новые объекты и произведения. Эмоции, вдохновение воображение помогают это сделать. Огромную роль эмоций в творческом процессе признавал и В.И. Вернадский. Он писал: «Говорят: одним разумом можно все постигнуть. Не верьте!.. Одна нить – разум, другая – чувство, и всегда они друг с другом соприкасаются в творчестве».

Творчество проявляется в поиске принципиально нового решения научной или технической проблемы, причем структура мыслительного процесса решения проблем сложна, но неизменно успеху, «озарению», нахождению нового решения способствует эмоциональная увлеченность проблемой, вера в успех, эмоциональная положительная стимуляция.

Выделяют четыре стадии решения проблемы: подготовка, созревание решения, вдохновение, проверка найденного решения.

Структура мыслительного процесса решения проблемы следующая:

1. Мотивация (желание решить проблему).

2. Анализ проблемы (выделение «что известно», «что требуется найти»).

3. Поиск решения на основе следующих операций:

- поиск решения на основе одного известного алгоритма (репродуктивное решение).

- поиск решения на основе выбора оптимального варианта из множества известных алгоритмов.

- решение на основе комбинации отдельных звеньев из различных алгоритмов.

- поиск принципиально нового решения (творческое мышление): на основе углубленных логических рассуждений (анализ, сравнение, синтез, классификация, умозаключение и т.п.), использования аналогий, эвристических приемов, эмпирического метода проб и ошибок.

В случае неудачи – переключение на другую деятельность («период инкубационного отдыха» – «созревание идей»), потом снова озарение, вдохновение, мгновенное осознание решения некоторой проблемы (интуитивное мышление).

4. Логическое обоснование найденной идеи решения, логическое
доказательство правильности решения.

5. Реализация решения.

6. Проверка найденного решения.

7. Коррекция (в случае необходимости возврат к этапу 2).

Мыслительная деятельность реализуется как на уровне сознании, так и на уровне бессознательного, характеризуется сложными переходами и взаимодействиями этих уровней. В результате успешного (целенаправленного) действия получается результат, соответствующий предварительно поставленной цели, и результат, который не был предусмотрен в сознательной цели; он является по отношению к ней побочным (побочный продукт действия). Проблема познанного и неосознанного конкретизировалась в проблему взаимоотношения прямого (осознаваемого) и побочного (неосознаваемого) продуктов действия. Побочный продукт действия также отражается субъектом, это отражение может участвовать в последующей регуляции действий.

Исследуя решение творческих задач, можно наблюдать следующую закономерность: вначале используются первичные, автоматизированные способы решения (что соответствует низшим уровням), причем первичные способы действия реализуются до тех пор, пока не становится ясно, что данным способом задачу не решить.

На следующем этапе происходит осмысление неудач (средний уровень), осознается причина этих неудач, и именно то, что средства не соответствуют задаче, формируется критическое отношение к собственным средствам и способам действия. В результате к условиям сдачи применяется более широкий круг средств, происходит выработка программ «поисковой доминанты», потом на низшем (неосознанном) уровне принимается интуитивное решение, «решение в принципе», а на последних этапах (высший уровень) происходит логическое обоснование и формализация решения.

Для активизации мышления можно применять специальные формы организации мыслительного процесса, например «мозговой штурм» – метод, предложенный А. Осборном (США). Он предназначен для продуцирования идей и решений при работе в группе. Основные правила проведения «мозгового штурма» следующие:

1. Группа состоит из нескольких человек, желательно различной профессиональной направленности (для уменьшения стереотипизации подходов), в группе имеется лишь несколько человек, сведущих в рассматриваемой проблеме.

2. «Запрет критики» – чужую идею нельзя прерывать, критиковать; можно лишь похвалить, развить чужую идею или предложить свою.

3. Участники должны быть в состоянии релаксации, т.е. состоянии психической и мышечной расслабленности, комфорта.

4. Все высказываемые идеи фиксируются (на магнитофоне, стенографических записях) без указания авторства.

5. Собранные в результате обсуждения идеи передаются группе экспертов-специалистов, занимающихся данной проблемой, для от­бора наиболее ценных идей. Как правило, таких идей оказывает примерно 10%. Участников в состав «жюри-экспертов» не включают.

Практика показала, что эффективность таких «мозговых штурмов» очень высока. «Мозговой штурм», который ведет группа, постепенно накапливающая опыт решения различных задач, положен в основу так называемой синектики, предложенной американским ученым У. Гордоном. При «синектическом штурме» предусмотрено обязательное выполнение четырех специальных приемов, основанных на аналогии: прямой («подумайте, как решаются задачи, похожие на данную»); личной («попробуйте войти в образ данного в задаче объекта и рассуждать его точки зрения»); символической («дайте в двух словах образ» определение сути задачи»); фантастической («представьте, как бы эту задачу решали сказочные волшебники»).

Все рассмотренные методы активизации творческих мыслительных возможностей предусматривают целенаправленную стимуляцию ассоциативных образов (воображения).

Научное творчество и особенно творчество в искусстве опирается и на воображение, которое в свою очередь неразрывно связано с эмоциями и чувствами человека. Воображение – психический процесс, заключающийся в создании новых образов (представлений) Путем переработки материала восприятий и представлений, полученных в предшествующем опыте.

Воображение как своеобразная форма отражения действительности осуществляет мыслительный отход за пределы непосредственно воспринимаемого, способствует предвосхищению будущего, «оживляет» то, что было ранее.

Воображение может быть пассивным (сновидения, грезы) и активным, которое в свою очередь разделяют на воссоздающее (создание образа предмета по его описанию) и творческое (создание новых образов, требующих отбора материалов в соответствии с замыслом).

Мечта – также вид творческого воображения, связанного с дознанием желаемого будущего.

6.1.5. Работоспособность

Работоспособность – это способность к выполнению работы. С физиологической точки зрения работоспособность определяет возможности организма при выполнении работы, к поддержанию структуры и энергозапасов на заданном уровне. В соответствии с двумя основными типами работ – физической и умственной – различают физическую и умственную работоспособность.

Говоря о работоспособности, выделяют общую (потенциальную, максимально возможную работоспособность при мобилизации всех резервов организма) и фактическую работоспособность, уровень которой всегда ниже. Фактическая работоспособность зависит от текущего уровня здоровья, самочувствия человека, а также от типологических свойств нервной системы, индивидуальных особенностей функционирования психических процессов (памяти, мышления, внимания, восприятия), оценки человеком значимости и целесообразности мобилизации определенных ресурсов организма для выполнения определен­ной деятельности на заданном уровне надежности и в течение задан­ного времени при условии нормального восстановления расходуемых ресурсов организма.

В процессе выполнения работы человек проходит через различ­ные фазы работоспособности. Фаза мобилизации характеризуется предстартовым состоянием. При фазе врабатываемости могут быть сбои, ошибки в работе, организм реагирует на данную величину нагрузки с большей силой, чем это необходимо; постепенно происходит приспособление организма к наиболее экономному, оптималь­ному режиму выполнения конкретной работы.

Фаза оптимальной работоспособности (или фаза компенсации) характеризуется оптимальным, экономным режимом работы организма и хорошими, стабильными результатами работы, максимальной про­изводительностью и эффективностью труда. Во время этой фазы несчастные случаи крайне редки и происходят в основном в силу объективных экстремальных факторов или неполадок оборудования.

Затем, во время фазы неустойчивости (компенсации или субкомпенсации), происходит своеобразная перестройка организма: необходимый уровень работы поддерживается за счет ослабления менее важных функций. Эффективность труда поддерживается благодаря дополнительным физиологическим процессам, менее выгодным энергетически и функционально. Перед окончанием работы при наличии достаточно сильного мотива к деятельности может наблюдаться также фаза «конечного порыва».

При выходе за пределы фактической работоспособности во время работы в сложных и экстремальных условиях после фазы неустойчивой компенсации наступает фаза декомпенсации, сопровождаемая прогрессирующим снижением производительности труда, появление ошибок, выраженными вегетативными нарушениями, учащением дыхания, пульса, нарушением точности координации.

Первый этап – врабатывание – приходится, как правило, на пер­вый час (реже на первые два часа) от начала работы. Второй этап устойчивой работоспособности – длится последующие 2–3 часа, после чего работоспособность вновь снижается (этап некомпенсированного утомления). Эти три этапа повторяются дважды за трудовой день: до обеденного перерыва и после него.

В течение недели также отмечаются те же три этапа. В понедельник человек проходит стадию врабатывания, во вторник, среду и четверг имеет устойчивую работоспособность, а в пятницу и субботу у него развивается утомление.

В последние годы обнаружены ритмы функционирования нервной, мышечной и сердечно-сосудистой систем. Их выраженность зависит от тяжести труда. У людей тяжелого физического труда они равны 5–8 дням, у работников умственного труда – 8–16 дням.

Выявлено влияние возраста на работоспособность, так к 20 лет у человека наблюдается самая высокая интенсивность интеллектуальных и логических процессов, к 30 годам она снижается на 4%, к 40 – на 13%, к 50 – на 20%, а в возрасте 60 лет – на 25%.

Утомление – возникающее вследствие работы временное ухудшение функционального состояния организма человека, выражающееся в сниже­нии работоспособности, в неспецифических изменениях физиологических функций и в ряде субъективных ощущений, объединенных чувством усталости. Физиологическое утомление выражается, прежде всего, в воздействии на нерв­ную систему продуктов распада, образующихся в результате двигательно-мускульной активности, а психологическое утомление – в состоянии перегруженности самой центральной нервной системы, обычно явления психического и физиологического утомления взаимно переплетаются, причем психическое утомление, т.е. ощущение усталости, как правило, предшествует утомлению физиологическому. Полагают, утомление в утренней смене становятся наиболее интенсивными на четвертом-пятом часу работы. При продолжении работы фаза декомпенсации может довольно быстро перейти в фазу срыва (резкое падение производительности, вплоть до невозможности продолжения работы, резко выраженная неадекватность реакций организма, нарушение деятельности внутренних органов, обмороки).

После прекращения работы наступает фаза восстановления физиологических и психологических ресурсов организма. Однако не всегда восстановительные процессы проходят нормально и быстро. После сильно выраженного утомления вследствие воздействия экстремальных факторов организм не успевает отдохнуть, восстановить силы за обычные 6–8 часов ночного сна. Порой требуются дни, недели для восстановления ресурсов организма. В случае неполного восстановительного периода сохраняются остаточные явления утомления, которые могут накапливаться, приводить к хроническому переутомлению различной степени выраженности. В состоянии переутомления длительность фазы оптимальной работоспособности резко сокращается или может отсутствовать полностью, и вся работа проходит в фазе декомпенсации.

В состоянии хронического переутомления снижается умственная работоспособность: трудно сосредоточиться, временами наступает за­бывчивость, замедленность и порой неадекватность мышления. Все это повышает опасность несчастных случаев. Психогигиенический мероприятия, направленные на снятие состояния переутомлен: зависят от степени переутомления. Для начинающего переутомления эти мероприятия включают упорядочение отдыха, сна, культурные развлечения. В случае легкого переутомления полезен очередной отпуск и отдых. При выраженной переутомлении необходимо ускорение очередного отпуска и организованного отдыха. Для тяжелого переутомления уже требуется лечение.

Принципы мудрого отношения к жизни

Физические нагрузки успокаивают и помогают переносить душевные травмы. Умственное перенапряжение, неудачи, неуверенности, бесцельное существование – самые вредоносные стрессоры. Среди всех работ, с которыми способен справиться данный человек, надо найти ту, что нравится больше всех и ценится людьми. Человек нуждается в признании, он не может вынести постоянных нареканий и порицаний, потому что больше всех других стрессоров делает его труд изнурительным и вредным.

Проследив динамику стресса, необходимо научиться эффективно, управлять им. Лучшее поведение для человека – это следование естественному ходу вещей, деятельность без нарушения меры.

Наибольшую пользу в самоорганизации оказывают принципы мудрого отношения к жизни: умение отличить главное от второстепенного; внутреннее спокойствие (создает психологический иммунитет от ситуационных помех); эмоциональная зрелость и устойчивость; знание меры воздействия на события; умение подходить к проблеме с разных точек зрения; готовность к любым неожиданным событиям; восприятие действительности такой, какой она есть, а не такой, какой человеку хотелось бы видеть; стремление выйти за рамки проблемной ситуации; наблюдаемость; дальновидность; стремление понять других; умение извлекать положительный опыт из всего происходящего.

Оптимизация умственной деятельности, процесс творчества, упорная работа, достижение конечных результатов даже при самом бурном темпе развития, способствуют самореализации и самоутверждению человека, адаптируют его к стрессорам. «Найдите свой оптимальный уровень стресса, – живите полной жизнью»; человек не должен бояться риска, жизненных трудностей, быть оптимистом. Человек должен искать в жизни радости и находить их, но не только для себя и не за счет других; стараться забывать об отвратительном и тягостном.

Контрольные вопросы

1. Каковы физиологические особенности человека?

2. Каковы факторы риска здоровья человека?

3. Каковы генезис человека разумного?

4. Каковы принципы мудрого отношения к жизни?

5. Каковы возрастно-половые особенности человека?

6. Каковы фазы работоспособности?

7. Что такое «мозговой штурм»?

8. Что такое творчество?

9. Как формировать инновационную культуру?

10. Какова направленность эволюции человека?

7. ЧЕЛОВЕК, БИОСФЕРА И КОСМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

7.1. Биоэтика

Сравнительно недавно возникла одна из многих междисциплинарных наук – биоэтика. Причем в данном случае речь идет о науке, пограничной между естественными и гуманитарными знаниями. Предпосылки создания биоэтики, ее цели и задачи будут рассмотрены ниже.

7.1.1. Противоречия современной цивилизации

Сто пятьдесят лет тому назад в биосфере сложилось определенное равновесие. Человек использовал относительно небольшую часть ресурсов природы, перерабатывал ее для обеспечения своих потребностей и часть их снова возвращал в окружающую среду. В этот период природа испытывала небольшую нагрузку со стороны человечества и была в состоянии самовосстанавливаться. Для изучения проблем взаимодействия животного мира, мира растений и человека между собой и со средой обитания возникла новая наука – экология.

Постепенно, в связи с развитием производства и началом использования природных ресурсов во все возрастающих масштабах, сложившееся равновесие стало постепенно нарушаться, и изменения в природе стали происходить такими темпами, что качество среды обитания резко ухудшилось. Особенно интенсивно этот процесс протекал, начиная со второй половины прошлого века. К настоящему времени все три сферы обитания животных и растений — атмосфера, гидросфера, литосфера – оказались сильно загрязнены вредными для живых организмов веществами.

Причем в последние десятилетия ухудшение среды обитания живых организмов (в том числе и человека) происходит со все возрастающей скоростью. Указанный дисбаланс состояния биосферы привел к тому, что экология стала в большей мере заниматься проблемами выяснения причин ухудшения качества окружающей среды и в основном превратилась в науку изучения окружающей среды и выработки оптимальных условий природопользования. Сегодня с понятием экологии чаще всего связывают вопросы состояния окружающей среды и проведение природоохранных мероприятий.

Итак, налицо ситуация, когда развитие цивилизации приходит в противоречие с возможностью выживания живых организмов в существенно ухудшающейся среде обитания.

Другим противоречием современной цивилизации является, с одной стороны, все убыстряющееся развитие естественно-научных направлений исследования природы в физике, химии, биологии и т.д., а с другой – возможности использования достижений этих наук для уничтожения всего живого при применении ядерного, химического или бактериологического оружия.

Новым направлением биологии является также генная инженерия, дающая возможности клонирования живых организмов. С одной стороны, это исключительно перспективное направление исследований для улучшения существующих в природе живых организмов – выведения более продуктивных пород скота и сортов сельскохозяйственных растений, возможность искусственного создания банка разнообразных человеческих органов для замены, трансплантации и других медицинских целей. А с другой стороны, клонирование может привести к созданию различного рода мутантов с непредсказуемыми свойствами, в том числе и с вредными для окружающего живого мира.

Можно указать также на противоречия, связанные с развитием и превращением биосферы в техносферу. Происходит создание новых высокосовершенных роботов, способных заменить труд человека на многих производственных операциях, компьютеров с искусственным интеллектом, способных обыграть в шахматы выдающихся шахматистов. Развитие этих направлений, в том числе самообучающихся систем, может привести к неконтролируемым человеком результатам.

Перечисленных фактов достаточно для того, чтобы сложился пессимистический взгляд на дальнейшее развитие цивилизации с возможностью самоуничтожения биосферы в обозримом будущем. Некоторые ученые усматривают в таком исходе некоторый общий принцип, суть которого сводится к тому, что путь биологического развития, подобный земному, проходил во Вселенной многократно и заканчивался самоуничтожением цивилизаций.

Эта точка зрения основывается на следующих соображениях. Эволюция жизни сопровождается созданием, накоплением и передачей информации. Наиболее фундаментальным типом биологической информации является информация генетическая. Ее носитель – молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В сущности, эволюция жизни есть эволюция информационной молекулы.

Информация получила способность накапливаться и передаваться по наследству небиологическим путем. Возник способ эволюции, параллельный биологическому. Эволюция информации более не нуждается в жизни с ее медленным механизмом эволюции. Биосфера передала эстафетную палочку эволюции антропогенному миру.

В конечном счете, человек окажется, и уже в значительной степени оказался, в искусственном мире. Он выходит из равновесия с живой природой, перестает быть частью биологического мира. Подобно созревшему плоду, человек отрывается от древа жизни. Он отчуждается от жизни с ее законами эволюции. Ни одно живое существо не может выжить вне живой природы, кроме человека. Он может уничтожить все живое и продолжать существовать. Он не зависит от кислорода атмосферы, вырабатываемого растениями, ибо может добыть его электролизом. Ему не нужно мясо животных, ибо он может синтезировать любой набор аминокислот. Если он еще не достиг этого состояния сейчас, то, во всяком случае, приближается к нему.

С этого момента существование жизни на Земле перестает быть условием его собственного существования. Он может сохранить жизнь для забавы и для развлечения в виде ландшафтных заповедников и биологических парков. Но, скорее всего, жизнь не сохранится в неволе у человека и, лишенная собственного саморегулирования, исчезнет, если только не успеет адаптироваться к человеку, но уже не как к биологическому виду, а как к чужеродной стихии.

Из семени плода, оторвавшегося от древа жизни, разовьется новое древо, имя которому антропогенный мир. В этом мире удовлетворение биологических потребностей человека становится целиком зависимым от производства. В отличие от биологического, в антропогенном мире производство –необходимый элемент гомеостаза.

Биологически существование живого организма сводится к исполнению трех функций:

1)поддержанию жизни, т.е. удовлетворению потребности в пище, физиологических отправлениях, восстановлению сил (сон, отдых);

2)приспособлению к внешней среде, пассивному (гнездо, нора, средства мимикрии и т.д. у животных; кров, одежда – у человека) и активному (защите от посягательств других особей);

3)воспроизводству себе подобных.

Природа снабдила все живое средствами для исполнения этих функций, сделав, однако, так, что эти средства не являются абсолютными. Относительность и ограниченность их в отношении каждого отдельного организма делают ограниченным время жизни индивидуума, что является условием обновления, совершенствования и развития живого как целого.

По мере развития нового древа неизбежно возникает вопрос: «Нужны ли вообще человеку его биологические потребности?» Ведь логика их была продиктована смыслом жизни. Вне биологической жизни самое их назначение, механизм осуществления и относительный характер средств, отпущенных живым существам для удовлетворения потребностей, теряют изначальный смысл – служить средством отбора и эволюции.

Поэтому следующей ступенью развития технологической цивилизации будет устранение биологических функций человека. Нетрудно предвидеть возможность радикального изменения механизма питания и деторождения, последовательной замены биогенных органов техногенными, постепенное возникновение биотехногенного гибрида. Но решающим и, может быть, роковым шагом будет устранение смертности. Конечность существования индивидуума – непременное условие эволюции жизни. Но это и условие устойчивости любой развивающейся системы. Преодолеет ли техногенная цивилизация этот опасный рубеж или ему суждено стать завершающим в развитии оторвавшегося от древа жизни плода?

Будущее антропогенного мира находится за пределами возможности предвидения. Вечен ли разум? Вездесущ ли он во Вселенной? Или это краткий миг в истории Вселенной, и жизнь гаснет, взобравшись на эту вершину? Нигде в окрестной Вселенной мы не наблюдаем следов разумной жизни. 4,5 миллиарда лет заняла на Земле эволюция, приведшая к появлению разума. Возможно, миллиарды лет – это тот масштаб времени, который требуется в любых условиях и любых мирах для достижения эволюцией подобного уровня организации.

Невозможно представить, что Земля – единственное место Вселенной, где возникла разумная жизнь. Тогда ненаблюдаемость космического разума, вероятнее всего, связана с исторической краткостью его существования. Появляясь в разных точках Вселенной как результат эволюции, занимающей миллиарды лет, разумная жизнь, вероятно, длится недолго в своей высшей фазе – может быть, лишь, тысячелетия. В необъятном пространстве она вспыхивает и гаснет подобно искрам, так что одновременное существование даже нескольких искр в обозримой Вселенной маловероятно.

7.1.2. Понятие биоэтики и ее принципы

Для того чтобы предупредить развитие такого пессимистического сценария эволюции биосферы, в последние годы набирает силу новая наука –биоэтика, находящаяся на стыке биологии и этики.

Цель биоэтики – выработка этических, нравственных норм взаимодействия человека с миром природы, в том числе с миром живой природы.

В настоящее время формируется целый ряд основных принципов биоэтики. При этом исходными являются те, которые утверждают жизнь в качестве высшей ценности. Эти принципы включают следующее:

1.Гармонизация системы «человек – биосфера», выдвижение в качестве главной задачи создание оптимальных взаимоотношений между человеком и окружающей живой и неживой природой, создание совокупности правил и норм биоэтики для всемирного содружества всех стран планеты Земля.

2.Признание принципа единства жизни и этики, их взаимообусловленности. При этом жизнь – высшее проявление упорядоченности и развития в природе, а этика – сила, организующая социальную сферу.

3. Особое место в биоэтике занимает выработка оптимальных программ в системе отношений «человек–медицина».

Таким образом, под биологической этикой понимается применение правил и норм общечеловеческой морали, в которых осмысливаются проблемы долга, совести, чести, добра и зла.

Уже первая конференция ООН по окружающей среде, прошедшая в 1972 г., констатировала наличие на Земле глобального экологического кризиса всей биосферы. Сегодня налицо уже не локальные (региональные), а глобальные (всемирные) экологические проблемы:

• уничтожены тысячи видов растений и животных;

• в значительной степени истреблены лес и полезные ископаемые;

• Мировой океан истощен в своей флоре и фауне и перестает быть регулятором природных процессов;

• нарушены не только химический состав, но и физика атмосферы;

• изменилась структура человеческих заболеваний.

Выводы конференции – необходим глобальный переход от потребительского, технократического подхода к природе, поиску гармонии с ней, неукоснительному соблюдению целенаправленных мер по экологизации производства, применению природосберегающих технологий и производств, обязательности экологических экспертиз новых проектов на их безотходность и безвредность для природы и жизни во всех ее проявлениях.

Первоочередной проблемой стала угроза уничтожения частично или полностью тех или иных форм жизни на Земле, вызываемая деятельностью (по-видимому, недостаточно осмысленной) политиков, ученых и исполнителей (в основном руководителей промышленных объектов), их планов и научных разработок, прежде всего в области физики, химии и биологии.

Сейчас, когда бережное отношение к природе начинает приобретать особенно большое значение для жизни людей и успешного развития общества, становится важной разработка эколого-этического аспекта морали , как в области теории, так и в практическом поведении людей. Здесь нельзя полагаться на стихийное формирование таких установок в поведении людей, как забота о земле, лесе, чистоте воздуха, сохранности растительного и животного мира. Требуется хорошо продуманная и организованная система экологического воспитания людей с самого раннего возраста и на протяжении всей жизни.

Опыт показывает, что небрежное отношение к природе и ее благам коренится не в каких-то объективных обстоятельствах, как, например, недостаток средств, а в элементарном экологическом бескультурье, непонимании сложной взаимосвязанности природных явлений и, в частности, того, что малые ущербы, наносимые природе, постепенно накапливаются из-за многократного их повторения и приводят к резким качественным изменениям среды. Неведение относительно возможности таких качественных скачков и соответствующих отрицательных последствий таит в себе большую опасность.

Сегодня нам еще под силу найти компромисс между своими устремлениями и возможностями природы. Принимается немало мер по урегулированию взаимоотношений человека с природой. Многое уже разработано в этом направлении. В развитых странах интенсивно развиваются энергосберегающие технологии . Это позволяет сжигать меньше топлива, а значит, меньше углерода выбрасывать в атмосферу. Необходимо использовать такие виды энергии, которые исключают сжигание минерального топлива.

Ученые рекомендуют также массовые лесопосадки, чтобы зав тормозить процесс повышения температуры на поверхности Земли. Разум подсказывает, что необходимо как можно скорее прекратить дальнейшее разрушение природы, приступить к ее восстановлению в масштабах всей планеты.

Пока еще понимание того, что от взаимодействия людей с природой зависит их жизнь, не стало всеобщим. Это отчасти объясняется тем, что большинство землян не имеет информации о состоянии нашей планеты в целом и мало кто задумывается о том, как он личнс воздействует на всю экологическую систему.

Для защиты природы в глобальном масштабе предлагается создать международные законы природопользования , обязательные для всех стран. А значит, потребуется создать международный законодательный орган. Для взаимодействия людей с природой предстоит разработать целую систему налогов и штрафов и, конечно же, создать систему оперативного контроля. В настоящее время поиск путей решения этих проблем ведется на государственном и международном уровнях.

7.1.3. Медицинская биоэтика

Одной из очень важных проблем биоэтики является также проблема «человек–медицина». Она включает, например, такие вопросы, как целесообразность поддержания жизни смертельно больного человека, допустимость использования человеком его «права на смерть», проведение научных экспериментов над животными и людьми, наконец, целесообразность применения генетики для клонирования (копирования) животных и людей.

Формирование биоэтики обусловлено грандиозными изменениями в технологическом оснащении современной медицины, огромными сдвигами в медикоклинической практике, которые стали возможными благодаря успехам генной инженерии, трансплантологии, появлению оборудования для поддержания жизни пациента и накоплению соответствующих практических и теоретических знаний.

Все эти процессы обострили моральные проблемы, встающие перед врачом и родственниками больных. Существуют ли пределы оказания медицинской помощи в поддержании жизни смертельно больного человека и каковы они? С какого момента следует отсчитывать наступление смерти? Допустимы ли аборты? С какого момента зародыш можно считать живым существом? Вот лишь некоторые из тех вопросов, которые встают перед врачом, а также перед широкой общественностью при современном уровне развития медицинской науки.

Медицинская этика в эпоху биологической и социальной революций рассматривает громадное количество новых и трудных моральных проблем: искусственное оплодотворение, нейрохирургия, «пилюли счастья», смерть мозга и использование медицинских технологий в военных целях. В каждом конкретном случае основную роль при решении той или иной проблемы будет играть дух моральной ответственности, который зависит от выбора соответствующей модели моральных отношений между сообществами профессионалов и непрофессионалов. Это и есть подлинное основание для медицинской этики в эпоху революционных преобразований.

Среди прав пациента первостепенное значение имеет право на информацию, необходимую для информированного согласия. Под информированным согласием понимается добровольное принятие пациентом курса лечения или терапевтической процедуры после предоставления врачом адекватной информации. Можно условно выделить два основных элемента этого процесса: 1) предоставление информации и 2) получение согласия.

Первый элемент включает в себя понятия «добровольности» и «компетентности». Врачу вменяется в обязанность информировать пациента о характере и целях предлагаемого ему лечения, связанном с ним существующем риске, возможных данному виду лечения альтернативах.

С этой точки зрения понятие альтернативы предложенному лечению является центральным в идее информированного согласия. Врач дает совет о наиболее приемлемом с медицинской точки зрения варианте, но окончательное решение принимает пациент, исходя из своих нравственных ценностей. Таким образом, доктор относится к пациенту как к цели, а не как средству для достижения другой цели, пусть даже им является здоровье.

Особое внимание при информировании уделяется также риску, связанному с лечением. Врач должен затронуть четыре аспекта риска: его характер, серьезность, вероятность его материализации и внезапность материализации. Но одновременно с этим встает вопрос: «Как (в каком объеме) информировать пациента?» В последнее время наибольшее внимание уделяется «субъективному стандарту» информирования, требующему, чтобы врачи, насколько возможно, приспосабливали информацию к конкретным интересам отдельного пациента.

С точки зрения этики «субъективный стандарт» является наиболее приемлемым, так как он опирается на принцип уважения автономии пациента, признает независимые информационные потребности и желания лица в процессе принятия непростых решений. Добровольное согласие – принципиально важный момент в процессе принятия медицинского решения. Добровольность информированного согласия подразумевает неприменение со стороны врачей принуждения, обмана, угроз при принятии пациентом решений. Можно говорить в связи с этим о расширении сферы применения морали, моральных оценок и требований по отношению к медицинской практике. Правда, пусть жестокая, сегодня получает приоритет в медицине. Врачу вменяется в обязанность быть более честным со своими пациентами.

Под компетентностью в биоэтике понимается способность принимать решения. Основополагающий и самый главный элемент компетентности – лицо компетентно, если оно может принимать приемлемые решения, основанные на рациональных мотивах.

Особенно актуальна проблема компетентности для психиатрии. Существует две основные модели информированного согласия: событийная и процессуальная.

В событийной модели принятие решения означает событие в определенный момент времени. После оценки состояния пациента врач ставит диагноз и составляет рекомендуемый план лечения. Заключение и рекомендации врача представляются пациенту вместе с информацией о риске и преимуществах, а также о возможных альтернативах и их риске и преимуществах. Анализируя полученную информацию, пациент обдумывает ситуацию и затем делает медицински приемлемый выбор, который наиболее соответствует его личным ценностям.

В противоположность событийной процессуальная модель информированного согласия основывается на идее о том, что принятие медицинского решения – длительный процесс, и обмен информацией должен идти в течение всего времени взаимодействия врача с пациентом. Лечение здесь осуществляется в несколько стадий.

В целом поворот к доктрине информированного согласия стал возможен благодаря пересмотру концепции целей медицины.

Возникшая около 20 лет назад биоэтика явилась ответом на так называемые «проблемные ситуации» в современной клинической практике при оказании психиатрической помощи. Широкое обсуждение «проблемных ситуаций» в современном обществе стало манифестацией идеологии защиты прав человека в медицине.

Представление о помещении в больницу как безусловном благе для душевнобольных обернулось для многих из них многолетним (а то и пожизненным) пребыванием в больничных условиях.

Проницательные врачи-клиницисты давно отмечали негативные стороны госпитализации: утрату социальной активности, разрыв социальных связей, эмоциональную изоляцию, хронизацию патологии и т.д.

Система современных принципов организации психиатрической помощи включает еще один важнейший принцип – оказание медицинской помощи в наименее ограничительных условиях. В контексте названного принципа было в корне переосмыслено назначение психиатрического стационара. Его функцией является не только изоляция представляющих опасность душевнобольных, но и удовлетворение нужд и потребностей, получающих здесь медицинскую помощь пациентов с учетом их гражданских прав. Применение мер изоляции или стеснения допустимо лишь при «включенном счетчике времени», при условии «этического мониторинга», непрерывно подтверждающего, что другой разумной альтернативы в данном состоянии больного просто нет. Что касается вопроса применения стеснения («камзола»), то, отказавшись от смирительной рубашки, приходится применять у некоторых больных слишком большие дозы лекарственных препаратов.

Если теперь учесть, что аналогичная работа в отношении других проблемных ситуаций отечественным медикам и юристам еще только предстоит, то можно заключить: идеология защиты гарантий прав человека осмыслена в нашем обществе раньше и глубже именно в области психиатрии.

Принципы поведения животных

Биоэтику следует рассматривать как естественное обоснование человеческой морали. Когда мы, люди, говорим «мы все люди и ничего человеческое нам не чуждо» на самом деле наше поведение похоже на поведение животных, изучением которого занимается этология. Многие признаки человеческого поведения генетически и социально обусловлены. Часть человеческих черт обусловлено воспитанием, образованием и другими факторами внешней среды. Все человеческие действия – это его поведение. Истоки человеческой морали можно и нужно искать поведенческих программах, присущих животным. Этологи открыли у животных большой набор инстинктивных запретов, необходимых и полезных в отношении с сородичами. Все эти запреты возникают под жестким давлением отбора рода – выполнения задачи сохранения вида. Основные запреты у животных:

1. «Не убей своего», чтобы его выполнить, необходимо отличать своего от чужого, должна работать система «свой–чужой» биологического узнавания, поэтому;

2. Нельзя не нападать неожиданно и сзади. Ритуал – специальная форма взаимодействия изобретенная людьми для удовлетворения потребности в признании среди своих. Потребность в признании – это первая потребность, с которой начинается взаимодействие людей. Если эта потребность не реализуется, то начинает развиваться агрессивное поведение по отношению к «непризнанному человеку», который ощущает себя как чужой.

3. У хорошо вооруженных природой животных есть запрет применения смертоностного оружия или убийственного приема в драке со своими. Этот механизм торможения является врожденным;

4. Не бить того, кто принял позу покорности «не бей лежачего»;

5. Победа с тем, кто прав. Животное, защищавшее свою территорию, нору, самку (детенышей) почти всегда выигрывает в конфликте даже у более сильного противника, потому что противник психически ослаблен.

Исследование феномена власти показывает, что государственная власть своими корнями уходит в биосоциальную эволюцию предков человека. Среди социальных животных структурируются:

– лидер (вожак) α – взрослые сильные особи с быстрой реакцией;

– β – разумные особи , уступающие первым в физической силе, быстроте реакции, храбрости, отличаются развитыми способностями, временные лидеры (замы), предлагающие новые нестандартные решения, выступающие буфером между лидером и остальной массой популяции;

– δ, γ – молодые и неопытные особи , которым «разрешено спариваться и иметь потомство»;

– ω – изгои, которым неразрешено иметь потомство, их используют в качестве живца для пробы возможно несъедобной пищи, если она погибает, то стадо не употребляет эту пищу и уходит прочь, сохранив стадо.

7.2. Биосфера и космические циклы

Биосфера – живая открытая система. Она обменивается энергией и веществом с внешним миром. В данном случае внешний мир – это безбрежное космическое пространство.

Извне на Землю приходят солнечное и электромагнитное излучение; так называемый солнечный ветер, представляющий собой сгустки плазменных облаков, непрерывно испускаемые Солнцем с переменной интенсивностью; галактические и солнечные космические лучи, а также потоки метеоритов.

От Земли в космос уходит собственное тепловое излучение, часть обратного рассеянного излучения Солнца (альбедо), а также потоки вещества верхней атмосферы Земли.

Таким образом, взаимодействие «биосфера–космос» представлявляет собой сложную динамическую систему, находящуюся в состояню подвижного равновесия.

Пограничная область между системой «Земля–космос» проходит на расстоянии 50–60 тыс. км над поверхностью Земли. Именно на такое расстояние простирается граница геомагнитного поля магнитосферы Земли. Процессы взаимодействия магнитосферы с веществом солнечной плазмы – солнечным ветром и космическими лучами – изучаются, и исследуется в рамках магнитной гидродинамики – современной космической науки, совместно учитывающей сложные явления пограничной среды в соответствии с уравнениями электромагнитного поля Максвелла, с одной стороны, и уравнениями гидродинамики, с другой.

В свое время академик В.В. Вернадский подчеркивал, что существует тесная взаимосвязь между явлениями, происходящими на Земле, и процессами космического порядка. Сейчас уже нет никаких сомнений в том, что среда нашего обитания – не только Земля и даже не только Солнечная система, но и вся окружающая нас Вселенная, неотъемлемой частью которой мы являемся.

В связи с этим при изучении земных явлений необходимо исходить из системного подхода в науках о Земле, что диктуется не только обнаружением тех или иных конкретных связей между земными и космическими явлениями, но и общими принципами современного естествознания. Целостное восприятие мира – необходимая черта современного стиля научного мышления.

Эпоху, в которой мы живем, по праву называют космической эрой, эпохой освоения космоса. И дело не только в осуществлении космических полетов и успешном развитии космической техники. Освоение космоса, все более глубокое познание закономерностей космических явлений, широкое вовлечение космоса в сферу человеческой практики – настоятельная потребность современного этапа в развитии земной цивилизации.

Становится ясно, что само возникновение и существование биосферы и человека тесно связано с физическими условиями во Вселенной, а также с особенностями течения физических процессов на Земле, в непосредственно окружающей нас области космоса и во Вселенной в целом.

Земные явления бесчисленными нитями связаны с физическими процессами, протекающими в космическом пространстве. Во-первых, во многих земных явлениях находят свое отражение общие закономерности космического порядка. Во-вторых, существует целый ряд непосредственных связей и зависимостей, определяющих влияние тех или иных космических факторов на нашу планету, в том числе и на биосферу. Таких факторов очень много.

Например, в результате вращения Земли дважды в сутки наблюдаются морские приливы и отливы под действием гравитационного притяжения Луны. Ясно, что это явление важно для обитателей приморских районов Земли.

Положение Земли в пространстве относительно Солнца приводит к суточной смене дня и ночи и естественной смене времен года в разных районах Земли, что влияет на все стороны жизни биосферы.

Важную роль сыграли факторы космического порядка в процессе становления жизни на Земле. В частности, многие характерные особенности живых организмов, в том числе и организма человека, непосредственно связаны с величиной силы тяжести на Земле, характером солнечного излучения, положением нашей планеты в Солнечной системе, а также положением Солнечной системы в нашей Галактике.

Так, например, строение органов зрения человека и животных обусловлено тем, что Солнце интенсивно излучает в оптическом диапазоне и это излучение проходит сквозь атмосферу Земли. Не случайно и то, что человеческий глаз наиболее чувствителен к желто-зеленым лучам, ибо именно эти лучи в составе солнечного света имеют наибольшую интенсивность.

Есть основания предполагать, что солнечная деятельность оказывает влияние на биосферу нашей планеты и в настоящее время.

Так, подмечен целый ряд статистических зависимостей, которые обнаруживают связь колебаний солнечной активности с эпидемическими, сердечно-сосудистыми и нервно-психическими заболеваниями, обострением хронических болезней, урожайностью и ростом годовых колец у деревьев. В связи с этим возникла новая область науки – гелиобиология, главная задача которой – выяснить физические механизмы воздействия Солнечной системы на процессы, протекающие в биосфере. Это одна из актуальных проблем современного естествознания, имеющая огромное практическое значение для человечества.

Изучение космического пространства с помощью спутников и космических аппаратов в последние десятилетия позволило существенно продвинуться в исследовании механизмов солнечно-земных связей, в первую очередь в выяснении целого ряда циклических процессов на Солнце и их проявлений в земных условиях. Прежде всего, речь идет о 27-дневных (в среднем) ритмах, связанных с вращением Земли относительно своей оси, с 11-летним (в среднем) и 22-летним (в среднем) циклами солнечной активности, проявляющимися более или менее синхронно в длительных временных рядах по большому числу визуальных характеристик Солнца в виде солнечных пятен, факелов, флокулл, хромосферных вспышек и др.

Современная гелиобиология подтверждает факт влияния ритмов Солнца на земные процессы, однако выясняется, что механизмы такого влияния являются гораздо более сложными, чем это представлялось в первой половине XX в. основателям космической биологии В.В. Вернадскому и А.Л. Чижевскому .

В то же время целый ряд конкретных вопросов солнечно-земных связей уже нашел решение как с точки зрения изучения материальных носителей таких связей (главным образом солнечных корпускулярных потоков), так и самих их механизмов. В частности, к ним относятся:

• вопросы изучения причин вариации магнитного поля Земли, в том числе и появления магнитных бурь на Земле;

• резкие изменения состояния ионосферы, нарушающие процесс распространения радиоволн на Земле;

• появление полярных сияний, земных электрических токов, процессов изменения атмосферного электричества и др.

Ясно, что необходимо дальнейшее изучение влияния всех установленных геофизических явлений на биосферу, в том числе и организм человека.

Человеческий организм – сложная и высокосовершенная саморегулирующаяся система, которая стремится к равновесию с окружающей средой, включающей в себе факторы космического порядка. Всякое нарушение данного равновесия, связанное с изменением внешних условий, вызывает соответствующую перестройку в деятельности организма.

Эту закономерность использует, например, современная медицина в лечебных целях. Воздействуя на организм климатическими, бальнеологическими и другими природными факторами, врачи сознательно добиваются таких целенаправленных изменений, которые повлекли бы за собой ликвидацию определенных заболеваний. Возможности подобного метода еще далеко не исчерпаны. Дальнейшее изучение влияния различных природных, в том числе и космических, факторов на живые организмы открывает новые пути избавления человека от различных недугов.

В последние годы идей о наличии многосторонних космо-земных связей подтверждены в работах по влиянию геомагнитного поля и солнечной активности на ритмы артериального давления, частоту сердечно-сосудистых заболеваний, поведение эритроцитов, свертываемость крови, содержание гемоглобина, гомеостаз живых организмов, почвообразование, барическое давление и циркуляцию атмосферы, осадки, генезис рельефа Земли и т.д. Таким образом, периодичность солнечной активности является одним из важнейших факторов, влияющих на жизнь на Земле.

7.3. Биосфера и ноосфера

Факторы эволюции и этапы развития биосферы. Эволюция биосферы на протяжении большей части ее истории осуществлялась под влиянием двух главных факторов:

1) естественных геологических и климатических изменений на планете;

2) изменений видового состава и количества живых существ в процессе биологической эволюции.

На современном этапе в третичном периоде основным фактором, определяющим эволюцию биосферы, стало развивающееся человеческое общество.

Эволюция органического мира прошла несколько этапов. Первый этап – возникновение первичной биосферы с присущим ей биотическим круговоротом, второй – усложнение структуры биотического компонента биосферы в результате появления многоклеточных организмов. Эти два этапа эволюции, протекавшие в соответствии с чисто биологическими закономерностями жизнедеятельности и развития, получили название биогенеза.

Третий этап связан с возникновением человеческого общества. Разумеется, по своим намерениям деятельность людей в масштабе биосферы способствует превращению последней в ноосферу. На данном этапе эволюция протекает под определяющим воздействием человеческого сознания и связанной с ним производственной (трудовой) деятельности людей, что соответствует периоду ноогенеза.

Представления о том, что живые существа взаимодействуют с внешней средой, изменяя ее, возникли давно. Этому способствовали наблюдения за природными явлениями. В начале XVII в. зачаточные представления о биосфере имели место в трудах голландских ученых Б. Варениуса и X . Гюйгенса .

Век спустя французский естествоиспытатель Ж. Кювье заметил, что живые организмы могут существовать только путем обмена веществ с внешней средой. Другие исследователи – французский химик Ж.Б. Дюма и немецкий химик Ю. Либих выяснили значение зеленых растений в газовом обмене земного шара и роль почвенных растворов в питании растений. Впоследствии многие ученые изучали взаимоотношения организмов со средой их обитания, что в итоге привело к современному пониманию биосферы.

В частности, Ж.Б. Ламарк в своей книге «Гидрогеология» посвятил целую главу влиянию живых организмов на преобразование земной поверхности. Он писал:

В природе существует особая сила, могущественная и непрерывно действующая, которая обладает способностью образовывать сочетания, умножать их, разнообразить их. Влияние живых организмов на вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его внешнюю кору, весьма значительно, потому что эти существа, бесконечно разнообразные и многочисленные, с непрерывно меняющимися поколениями, покрывают своими постепенно накапливающимися и все время отлагающимися остатками все участки поверхности земного шара.

Из этих высказываний следует правильная оценка огромной геологической роли организмов и продуктов их разложения.

Выдающийся натуралист и географ А. Гумбольдт в своем сочинении «Космос» дал синтез знаний того времени о Земле и космосе и на основании этого развил идею о взаимосвязи всех природных процессов и явлений.

Существование биосферы Земли как целостной природной системы выражается в первую очередь в круговороте энергии и веществ при участии всех живых организмов планеты. Идея биосферного круговорота была обоснована немецким физиологом Я. Молешоттом . А предложенное в 80-е гг. XIX в. подразделение организмов по способам питания на три группы (автотрофные, гетеротрофные и миксотрофные) немецким физиологом В. Пфеффером было крупным научным обобщением, способствующим пониманию основных процессов обмена веществ в биосфере.

Начало учения о биосфере связывают с именем знаменитого французского натуралиста Ж.Б. Ламарка. Определение же биосферы впервые было введено австрийским геологом Э. Зюссом в 1875 г. Значительно более широкое представление о биосфере мы встречаем у В.И. Вернадского.

Биосфера и человек. На начальных этапах существования человеческого общества интенсивность воздействия на среду обитания не отличалась от воздействия других организмов. Получая от окружающей среды средства к существованию в таком количестве, которое полностью восстанавливалось за счет естественных процессов биотического круговорота, люди возвращали в биосферу то, что использовали другие организмы для своей жизнедеятельности. Универсальная способность микроорганизмов разрушать органическое вещество, а растений – превращать минеральные вещества в органические обеспечивала включение продуктов хозяйственной деятельности людей в биотический круговорот.

Первая созданная человеком культура – палеолит (каменный век) – продолжалась примерно 12–30 тыс. лет. Она совпала с длительным периодом оледенения. Экономической основой жизни человеческого общества в это время была охота на крупных животных: северного оленя, шерстистого носорога, лошадей, мамонта, тура. На стоянках дикого человека находят многочисленные кости диких животных – свидетельство успешной охоты. Интенсивное истребление крупных травоядных животных привело к сравнительно быстрому сокращению их численности и исчезновению многих видов. Если мелкие травоядные могли восполнить потери от преследования охотниками высокой рождаемостью, то крупные животные в силу особенностей их биологии были лишены этой возможности. Дополнительные трудности для них создали изменившиеся в конце палеолита климатические условия. 10–12 тыс. лет назад наступило резкое потепление, отступил ледник, распространились леса в Европе. Это создало новые условия жизни, разрушило сложившуюся экономическую базу человеческого общества. Закончился период его развития, характеризовавшийся чисто потребительским отношением к окружающей среде.

В следующую эпоху – эпоху неолита (новый каменный век) – наряду с охотой, рыбной ловлей и собирательством все большее значение приобретает процесс производства пищи. Делаются первые попытки одомашнивания животных и разведения растений. На местах археологических раскопок поселений, существовавших 9–10 тыс. лет назад, обнаруживают пшеницу, ячмень, чечевицу, кости домашних животных – коз, свиней, овец. Развиваются зачатки земледельческого и скотоводческого хозяйства. Широко используется огонь для уничтожения растительности в условиях подсечного земледелия и как средство охоты. Начинается освоение минеральных ресурсов, зарождается металлургия.

Рост населения, интенсивное развитие науки и техники в последние два столетия, и особенно в наши дни, привели к тому, что деятельность человека стала фактором планетарного масштаба, направляющей силой дальнейшей эволюции биосферы. Возникли антропоценозы (от греч. anthropos – человек, koinos – общий, общность) – сообщества организмов, в которых человек является доминирующим видом, а его деятельность – определяющей состояние всей системы. В настоящее время человек извлекает из биосферы сырье в значительном и все возрастающем количестве, а современные промышленность и сельское хозяйство производят или применяют вещества, не только не используемые другими видами организмов, но нередко ядовитые и чуждые природе. В результате биотический круговорот становится незамкнутым. Вода, атмосфера, почвы загрязняются отходами производства, вырубаются леса, истребляются дикие животные, разрушаются природные биогеоценозы.

Нежелательные последствия неконтролируемой человеческой деятельности осознавали естествоиспытатели уже в конце XVIII – начале XIX в. (Ж.-Л.-Л. Бюффон, Ж.-Б. Ламарк).

По своим последствиям воздействия человеческого общества на среду обитания могут быть положительными и отрицательными. Последние особо привлекают к себе внимание. Основные пути воздействия людей на природу заключаются в расходовании естественных богатств в виде минерального сырья, почв, водных ресурсов; загрязнении среды, истреблении видов, разрушении биогеоценозов.

Положительное влияние человека выражается в выведении новых пород домашних животных и сортов сельскохозяйственных растений, создании культурных биогеоценозов, а также в разработке новых штаммов полезных микроорганизмов как основы микробиологической промышленности, развитии прудового рыбного хозяйства, продукции полезных видов в новых условиях обитания.

Прогнозы будущего человечества с учетом экологических проблем, стоящих перед ним, представляют непосредственный интерес для всего населения планеты. По мнению экспертов, экологическая ситуация, складывающаяся на Земле, таит в себе опасность серьезных и, возможно, необратимых нарушений биосферы в том случае, если деятельность человечества не приобретет планомерный, согласующийся с законами существования и развития биосферы характер. Вместе с тем расчеты показывают, что человеческое общество не использует значительные резервы биосферы.

Одной из наиболее острых проблем современности является проблема быстрого роста населения Земли. Ежегодный прирост населения в абсолютном исчислении достигает 60–70 млн. человек, или примерно 2%. К 2000 г. численность населения достигла 6 млрд. человек. Площадь поверхности суши на планете равна 1,5•10¹⁴ м² , что достаточно для размещения 15–20 млрд. человек со средней плотностью 300–400 человек на 1 км² , имеющей место в настоящее время в Бельгии, Нидерландах, Японии.

Растущее население Земли должно быть обеспечено пищей. Известно, что производство продовольствия на душу населения растет медленнее, чем производство энергии, одежды, различных материалов. Многие миллионы людей в слаборазвитых странах испытывают; нехватку продуктов. Вместе с тем из всей территории суши, пригодной для земледелия, в среднем по земному шару сельскохозяйственными угодьями занято лишь 41%. При этом на используемой территории, по мнению разных экспертов, получают от 3 – 4 до 30% возможного при современном уровне развития агротехники количества продуктов. Причины этого отчасти заключаются в недостаточной энерговооруженности сельского хозяйства. Так, в Японии при выращивании урожая, в пять раз большего, чем в Индии (с 1 га сельскохозяйственных угодий), затрачивают в 20 раз больше электроэнергии и в 20 – 30 раз – удобрений и пестицидов.

Уже сейчас 30% металлоизделий изготовляют из вторичного сырья. При существующей технологии из месторождений нефти извлекается лишь 30–50% запасов. Выход полезных ископаемых, таким образом, может быть увеличен путем разработки прогрессивных способов добычи. Около 95% энергии в настоящее время получают за счет сжигания ископаемого топлива, 3–4% – за счет энергии речного стока и только 1 – 2% – за счет атомного горючего. Использование атомной энергии в мирных целях решает проблему энергетического кризиса.

Преобразующая деятельность людей неизбежна, так как с ней связано благосостояние населения. Современное человечество располагает исключительно мощными факторами воздействия на природу планеты. Следование принципу научно обоснованного рационального природопользования позволяет получить в целом позитивный итог.

Превращение биосферы в ноосферу. Понятие «ноосфера» было введено и науку французским философом Э. Леруа в 1927 г.

Ноосферой Леруа назвал оболочку Земли, включающую человеческое общество с его языком, индустрией, культурой и прочими атрибутами разумной деятельности.

Ноосфера, по мнению Э. Леруа, представляет собой «мыслящий пласт», который, зародившись в конце третичного периода, разворачивается с тех пор над миром растений и животных, вне биосферы и над ней.

Значительно более широкое представление о биосфере и ноосфере дал один из выдающихся ученых, основатель геохимии, биохимии, радиогеологии В.В. Вернадский. Он исходил из того, что естественно-научные гипотезы должны отражать объективную реальность материального мира – закономерности, связанные с физико-химическими, геологическими, биохимическими и другими процессами в едином комплексе.

В противоположность трактовке ноосферы, выдвинутой Э. Леруа, Вернадский представлял ноосферу не как нечто внешнее по отношению к биосфере, а как новый этап в развитии биосферы, заключающийся в разумном регулировании отношений человека и природы.

В. Вернадский сформулировал ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы. Перечислим эти условия и посмотрим, в какой мере эти условия выполнены или выполняются.

1. Заселение человеком всей планеты. Это условие выполнено. На Земле не осталось места, где бы не ступала нога человека. Он обосновался даже в Антарктиде.

2. Резкое преобразование средств связи и обмена между странами . Это условие также можно считать выполненным. С помощью радио и телевизора мы моментально узнаем о событиях в любой точке земного шара.

Средства коммуникации постоянно совершенствуются, ускоряются, появляются такие возможности, о которых недавно трудно было мечтать. И здесь нельзя не вспомнить пророческих слов Вернадского:

Этот процесс - полного заселения биосферы человеком - обусловлен ходом истории научной мысли, неразрывно связан со скоростью сношений, с успехами техники передвижения, с возможностью мгновенной передачи мысли, ее одновременного обсуждения на всей планете.

До недавнего времени средства телекоммуникации ограничивались телеграфом, телефоном, радио и телевидением. Имелась возможность передавать данные от одного компьютера к другому при помощи модема, подключенного к телефонной линии. В последние годы развитие глобальной телекоммуникационной компьютерной сети Интернет дало начало настоящей революции в человеческой цивилизации, которая входит в эру информационных технологий. Рост развитие сети, совершенствование вычислительной и коммуникационной техники идут сейчас в геометрической прогрессии подобно размножению и эволюции живых организмов. На это в свое время обратил внимание Вернадский:

Со скоростью, сравнимой со скоростью размножения, выражаемой геометрической прогрессией в ходе времени, создается этим путем в биосфере все растущее множество новых для нее косных природных тел и новых больших природных явлений, ход научной мысли, например, в создании машин, как давно замечено, совершенно аналогичен ходу размножения организмов.

Если раньше сетью Интернет пользовались только исследователи в области информатики, государственные служащие, то теперь практически любой желающий может получить доступ к ней. И здесь мы видим воплощение мечты Вернадского о благоприятной среде для развития научной работы, популяризации научного знания, об интернациональности науки.

Всякий научный факт, всякое научное наблюдение, – писал Вернадский, – где бы и кем бы они ни были сделаны, поступают в единый научный аппарат, в нем классифицируются и приводятся к единой форме, сразу становятся общим достоянием для критики, размышлений и научной работы.

Если раньше для того, чтобы вышла в свет научная работа, a научная мысль стала известной миру, требовались годы, то сейчас любой ученый, имеющий доступ к сети Интернет, может представить свой труд ученому миру.

Можно считать, что и это предсказание Вернадского сбылось.

3. Усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли. Это условие можно считать если не выполненным, то выполняющимся. Возникшая после Второй мировой войны Организация Объединенных Наций (ООН) оказалась достаточно устойчивой и действенной.

4. Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере. Это условие также можно считать выполненным, хотя именно преобладание геологической роли человека в ряде случаев привело к тяжелым экологическим последствиям. Объем горных пород, извлекаемых из глубин Земли всеми шахтами и карьерами мира, сейчас почти в два раза превышает средний объем лав и пеплов, выносимых ежегодно всеми вулканами Земли.

5. Расширение границ биосферы и выход в космос. В работах последнего десятилетия жизни Вернадский не считал границы биосферы постоянными. Он подчеркивал расширение их в прошлом как итог выхода живого вещества на сушу, появления высокоствольной растительности, летающих насекомых, а позднее – летающих ящеров и птиц. В процессе перехода к ноосфере границы биосферы, согласно учению Вернадского, должны расширяться, а человек должен выйти в космос. Эти предсказания сбылись.

6. Открытие новых источников энергии. Условие в принципе выполнено, но иногда с трагическими последствиями. Речь идет об атомной энергии, которая давно освоена и в мирных, и, к сожалению, в военных целях. Человечество (а точнее, политики) пока явно не готово ограничиться мирными целями, более того, атомная (ядерная) сила вошла в наш век, прежде всего как военное средство и средство устрашения противостоящих ядерных держав. Вопрос об использовании атомной энергии глубоко волновал Вернадского еще более полувека назад. В предисловии к книге «Очерки и речи» он пророчески писал:

Недалеко время, когда человек получит в свои руки атомную энергию, такой источник силы, который даст ему возможность строить свою жизнь, как он захочет. Сумеет ли человек воспользоваться этой силой, направить ее на добро, а не на самоуничтожение?

Для развития международного сотрудничества в области мирного использования атомной энергии в 1957 г. создано Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), объединившее большую часть государств – членов ООН.

7. Равенство людей всех рас и религий. Это условие если не достигнуто, то, во всяком случае, достигается. Решительным шагом для установления равенства людей различных рас и вероисповеданий стало в прошлом веке разрушение колониальных империй.

8. Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики. Это условие соблюдается во многих странах с парламентской формой правления.

9. Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли. Сейчас трудно говорить о выполнении этого условия в разных странах. Для поддержания российской науки созданы международные фонды. В развитых и даже развивающихся странах, например в Индии, государственный и общественный строй создает режим максимального благоприятствования для свободной научной мысли.

10. Продуманная система народного образования, и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и ослабить болезни. О выполнении этого условия пока судить преждевременно. Однако Вернадский предупреждал, что процесс перехода биосферы в ноосферу не может происходить постепенно и однонаправленно, что на этом пути временные отступления неизбежны.

11. Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения. Это условие пока также не может считаться выполненным, однако первые шаги в направлении разумного преобразования природы во второй половине прошлого века, несомненно, начали осуществляться. Вся система научного знания дает фундамент для решения экологических задач.

12. Исключение войн из жизни общества. Это условие Вернадский считал чрезвычайно важным для создания и существования ноосферы. Но оно пока не выполнено. В целом мировое сообщество стремится не допустить мировой войны, хотя локальные войны непрерывно возникают.

Таким образом, мы видим, что большая часть условий перехода биосферы в ноосферу выполняется , а те, для которых такие условия еще не созрели, в принципе могут быть выполнены объединенными усилиями всего человечества. Однако ясно, что процесс перехода к ноосфере будет постепенным. Это неоднократно подчеркивал и сам Вернадский, утверждая, что человеческая цивилизация лишь вступает в переходный период от биосферы к ноосфере.

На современном этапе говорить о разумной планетарной деятельности человечества еще рано. Ноосфера – это определенный образ или идеал будущего планетарного развития. Идеи Вернадского намного опережали то время, в котором он творил. В полной мере это относится к учению о биосфере и ее переходе в ноосферу. Только сейчас, в условиях необычайного обострения глобальных проблем современности, становятся ясны пророческие слова Вернадского о необходимости мыслить и действовать в планетарном – биосферном – аспекте. Только сейчас рушатся иллюзии технократизма, покорения природы и выясняется сущностное единство биосферы и человечества. Судьба нашей планеты и судьба человечества – это единая судьба.

Устремленность в будущее – характерная черта ноосферного учения, которое в современных условиях необходимо развивать во всех направлениях.

7.4. Современное естествознание и экология

Экология вызывает в настоящее время особый интерес как в различных естественно-научных дисциплинах, так и в гуманитарном знании. Интегрирующее направление в этой науке связано с исследованием гармоничных взаимодействий системы и окружающей среды и с исследованием экосистем. Экология в концептуальном плане понимается многими учеными как космическая этика , ибо экологические проблемы в открытом, нелинейном мире не могут быть локальными. Подобное направление хорошо согласуется с концепцией относительных равновесий в природе . Можно даже сказать, что относительные идеи экологии основаны на относительных равновесиях. Экология – одна из наук биосферного класса, которые получили широкое распространение в современном естествознании, поскольку в ней равновесные взаимодействия природной системы и окружающей среды принимаются в качестве исходного понятия.

В настоящем учебнике экология рассматривается в свете сформулированных в нем основных принципов естествознания. Возможность подойти к экологии как к науке, изучающей экосистемы, существует благодаря развитию системного метода исследований. Для эффективного использования этого метода необходимо расширить представления об основных, ключевых понятиях данной науки, основываясь, прежде всего, на таких, как «адаптация», «экосистема», «экологическое равновесие», «экологическая ниша».

Сам термин «экосистема» введен А. Тенсли в 1935 г. Экосистема слагается из всех организмов, обитающих в данной местности и зависящих друг от друга в различных отношениях, и из окружающей эти элементы физической и химической среды. Выделение в ландшафте различных экосистем осуществляется достаточно произвольно. Все экосистемы взаимосвязаны и образуют в своей совокупности единое целое – биосферу.

Важной разновидностью экосистем можно считать экосистему человека , под которой понимаются отдельные люди вместе со своими культурными растениями и домашними животными. Каждый организм может жить, только взаимодействуя со своим окружением в рамках экосистемы. Устойчивые экосистемы – основное условие устойчивости жизни на Земле. В каждой экосистеме выделяют два основных компонента: организмы и факторы окружающей их неживой среды. Первые (совокупность организмов – растений, животных, микробов) называют биотой экосистемы.

Развитие представлений об экологии как науке об экосистемах позволяет сформулировать три основных принципа функционирования экосистем (Н.Ф. Реймерс): получение ресурсов и избавление от отходов осуществляется в рамках круговорота всех элементов; экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно в пределах экосистем и избыточно; чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический (пищевой) уровень.

Первый принцип хорошо гармонирует с законом сохранения массы.

Второй принцип делает акцент на основном факторе, который обеспечивает устойчивость процессов взаимодействия экосистем с окружающей их средой.

Третий принцип связан с принципом дополнительности . Одной из важнейших форм энергетических потоков в экосистемах являются пищевые цепи. Исходная причина всех этих потоков – солнечное излучение, практическое их воплощение характеризуется особыми механизмами.

В природе совместно существуют два типа процессов: первый – экологическое равновесие и закономерные изменения среды; второй – экологическое равновесие организмов во времени. Исследование экосистем ведется, прежде всего, в рамках исследования биогеоценозов . В. Н. Сукачев, ввел само понятие «биогеоценоз», а Н.В. Тимофеев-Ресовский, предложивший разделять экосистемы на типы: биотропные, недотропные, гидротропные и эквитропные. В основе этого разделения лежат различия в накопительных способностях биомассы, содержащейся в почвах, грунтах водоемов, илах. Биомасса является мощным накопителем многих элементов, и именно этим объясняются интенсивность миграции элементов и условия ускорения и замедления этой миграции.

Понятия «экосистема» и «адаптация» тесно связаны между собой. Они ориентированы на совместное рассмотрение понятий «система» и «среда», их влияния друг на друга. В основе экологического равновесия лежит относительное постоянство круговорота веществ в каждой конкретной экосистеме. В связи с этим уместно подчеркнуть, что простые системы экологически нестабильны и, наоборот, разнообразие – залог стабильности.

Прибавление особей обусловливается биотическим потенциалом , их гибель – сопротивлением среды. Подобное равновесие называют динамическим, так как параметры сопротивления среды редко подолгу остаются неизменными. Размер популяций является результатом динамического равновесия между их биотическим потенциалом и сопротивлением среды.

Нечто подобное можно сказать и относительно вида. Основным условием, определяющим жизнеспособность вида, является его способность устанавливать и поддерживать равновесие с другими видами в пределах экосистемы, обеспечивающей эффективный круговорот биогенов и устойчивый поток энергии. Что касается человечества, то оно имеет дело с промежуточными равновесиями и не достигло еще собственного популяционного равновесия, которое можно считать исходным для построения остальных равновесии.

Выделенный нами подход к экологическим проблемам иллюстрируется рядом важнейших экологических принципов и законов.

7.5. Экологическая философия

Задача современной экологической науки – искать такие способы воздействия на окружающую среду, которые помогли бы предотвратить катастрофические последствия и практическое использование которых существенно улучшило бы биологические и социальные условия развития человека и всего живого на Земле.

Взаимодействие системы и окружающей среды становится настолько общим понятием, что сегодня уже говорят об экологии культуры, языка, самого человека. Все эти направления экологии ориентированы на изучение равновесии между системами культуры, языка, человека и соответствующей средой (культурной и т.п.). Что касается человека, то он уже научился оказывать негативное влияние на окружающую его среду и дошел в этом воздействии до пределов, способных разрушить биосферу. В связи с этим особое значение приобретает формирование экологического сознания человека и человечества. Формирование такого сознания представляет собой формирование важных граней планетарного мышления (синергетического мышления) и включает в себя следующие направления: экологическое научное сознание (прежде всего, экологическую философию), экологическую этику, психологию, правосознание.

Сформировавшаяся к 50-м гг. XX в. общая экология сосредоточила свое внимание на изучении взаимодействия организмов и структуры образуемых ими систем. Затем начала формироваться физиологическая и эволюционная экология, а в 70-х гг. – экология человека, или социальная экология , изучающая закономерности взаимодействия человеческого общества и окружающей среды. Во второй половине XX столетия произошла «экологизация» многих естественных наук, были установлены связи экологии с философией. Таким образом, в настоящее время основные направления экологии активно участвуют в формировании современной научной картины мира.

В основе экологической философии лежит идея единства человека и космоса, в ней утверждаются гармоничность и целостность природы; обосновываются идеи отказа от традиционных ценностей современной цивилизации (успех, прибыль, карьера) и моделей поведения (эгоизм, индивидуализм). Экологическая философия является теоретической основой идеологии альтернативных социальных и культурных движений. Экологическая философия согласуется с новым диалогом человека и природы.

Большой резонанс в современной экологии получила «глубокая экология», разработка которой началась в 70-х гг. XX столетия. Из родоначальников этого направления наиболее известен норвежский ученый А. Наэсс, а из основных идей – принцип биосферного равенства в существовании всех основных частей биосферы (организмов, сред их обитания и т.п.).

Подготовка указанных концепций шла не только в философии и науке, но также в литературе и искусстве. О чувстве «соприкосновения» с основными законами природы часто писал Ф.М Достоевский: «Бог взял семена из миров иных и посеял на сей земле и взрастил сад свой, и взошло все, что могло взойти, но взращенное живет и живо лишь чувством соприкосновения своего таинственным мирам иным; если ослабевает или уничтожается в тебе сие чувство, то умирает и взращенное в тебе. Тогда станешь к жизни равнодушен и даже возненавидишь ее».

Экологический кризис заставляет человечество отказаться от господствующей в настоящее время экономической парадигмы. Как считает известный современный эколог и политолог Э. фон Вайцзекер, современная экономическая парадигма должна уступить место экологической парадигме. XXI веку придется поставить проблему изучения взаимодействий с окружающей средой в качестве одной из основных.

Время стихийного развития человечества заканчивается, наступает эпоха управляемого развития, но сами механизмы этого управления еще до конца не ясны. Знаменитый американский физик-теоретик Ф. Дайсон предвидит возникновение «зеленой» технологии, которая будет строиться на тех же принципах самоорганизации, что и живая природа. Ф. Дайсон противопоставляет ее традиционной «серой» технологии, основывающейся на жестких механистических предписаниях и пассивных следованиях внешним командам.

7.6. Планетарное мышление

Когда наступает время для определенной идеи, системы взглядов, то они начинают проявляться самыми различными способами, в широком многообразии форм и видов. Об этом явлении часто говорят так: «проблема висит в воздухе». А Виктор Гюго в свое время добавил, что нет ничего сильнее идеи, время которой пришло. Нечто подобное происходит в настоящее время с планетарным мышлением.

Планетарное мышление – это мышление, в котором равновесные целостности философских систем, религий, научных концепций, произведений искусства взаимно дополняют друг друга, рассматриваются исходя из планетарных масштабов и образуют единое мировоззрение.

Планетарный масштаб важен потому, что земные оболочки находятся в устойчивом равновесии с космосом. Эти оболочки являются естественным ориентиром устойчивости для макроскопических природных процессов, к которым может быть отнесено мышление. Если системы, соответствующие мышлению, не будут коррелировать с системами земных оболочек, то они потеряют устойчивость под воздействием окружающей среды.

Наиболее важными чертами планетарного мышления могут считаться следующие: взаимодействие равновесных целостностей философии, религий, искусства, науки; участие все устоявшиеся направления из всех областей человеческой деятельности; необходимость планетарно-космического масштаба мысли; планетарное мышление не может рассматриваться в отрыве от ноосферы.

В становлении планетарного мышления можно выделить два основных этапа. На первом из них планетарное мышление не было осознано как некое целое, а развивались идеи и концепции, направленные на поиск истины. Человек воспринимал не всю окружающую среду, а только ее часть, устанавливая равновесную взаимосвязь лишь с этой частью. То есть упрощение представлений о природе позволяло человеку связаться с фундаментальным равновесием, но часто эта связь была неустойчивой и случайной. Второй этап связан с сознательным конструированием планетарного мышления. Можно сказать, что этот подход развивался посредством исследования промежуточных равновесии в естествознании и философии. Данное направление возникло в XX в. и бурно развивается в настоящее время.

Сознательное формирование планетарного мышления можно обнаружить в мировоззрении русского космизма , а также в трудах П. Тейяра де Шардена. Большой вклад в развитие русского космизма, внесенный П.И. Новгородцевым, можно рассматривать и как вклад в формирование планетарного мышления. Новгородцев верил в земной рай и сводил эту веру к следующим убеждениям: «1. Человечество, по крайней мере, в избранной своей части, приближается к заключительной и блаженной поре своего существования. 2. Есть «решительное слово», известна спасительная истина, которая приведет людей к этому высшему и последнему пределу истории». Но не как земной рай понимал Новгородцев эту блаженную пору, а «как веру в человеческое действие и нравственное долженствование» – и это он считал основной задачей, стоящей перед современным человечеством.

Роль А.А.Чижевского в развитии планетарного мышления можно считать особенно значительной. Чижевский исследовал влияние Солнца на все уровни структурной организации живого: молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционно-видовой, а также на биосферу. Чижевский подробно исследовал различные типы влияния Солнца на неорганический и органический земные миры, на ритмы и другие особенности этих взаимодействий. Чижевский стоит у истоков гелиотраксии и многих других направлений науки (биоклиматологии, гелиобиологии и т.п.)

Тейяр де Шарден связывал планетарные аспекты взаимосвязи человека (природной системы) и окружающей его среды с понятием «рефлексия». Под рефлексией он понимал появление более фундаментального свойства биосферы в целом, а также отдельных ее элементов – свертывания организующейся материи в самой себе (образование замкнутого объема планеты, автоматическое самозамыкание молекулярной ленты ДНК). В концепции Тейяра де Шардена рефлексия становится универсальной моделью субъект-объектных отношений, ибо субъект через объект возвращается к самому себе, в объекте «узнает» себя, и только таким образом он способен что-либо понять: «человек опять приходит к самому себе и во всем, что он видит, рассматривает самого себя».

В настоящее время начинается глобальная переориентация сознания на гибкую систему связей человека с окружающей средой. И один из наиболее действенных способов организации подобной системы – диалог между человеком и природой. М. Хайдеггер, например, пишет, что философия должна ставить вопросы, вопрошать. А выдающийся физик XX в. Р. Фейнман считает, что в физике правильно поставленный вопрос гораздо важнее поисков ответа на него. Ответ на правильный вопрос открывается сам собой – падает в подставленные ладони. Все это можно истолковать так, что стремление к правильному вопросу означает стремление к установлению равновесия между исследователем и законами природы. И когда человек обретает это равновесие, настраивается на него, тогда он, конечно, будет иметь представление о развитии природных процессов относительно этих равновесии.

Различные грани планетарного мышления анализируются современным естествознанием, универсальным эволюционизмом, эмерджентным эволюционизмом, экологической философией, синергетикой. Данные направления уже достаточно подробно проанализированы нами ранее, что позволяет отметить в качестве характерных черт современного естествознания , наиболее тесно связанных с планетарным мышлением, следующие черты.: осознание того, что простота не присуща ни бесконечно малому, ни бесконечно большому; первом нет «кирпичиков мироздания», во втором – абсолютного предела; возникновение наук биосферного класса, в которых все процессы рассматриваются во взаимосвязи, а также в единстве генезиса; Тесная взаимосвязь естественно-научных процессов с самоорганизацией природы.

Л. Н. Гумилев, вычленяя в качестве эволюционирующей единицы генезис этноса, осуществил попытку соединения природных факторов, этногенеза и социально-культурного развития, рассматривает человечество как часть биосферы Земли – антропосферы, а разнообразие этнического развития объясняет спецификой адаптации групп людей к раз­личным ландшафтам. Каждый этнос, обитая на определенной территории и входя в биоценоз данного ландшафта, составляет вместе с ним целостную («замкнутую») систему, развитие которой представляет полную аналогию с космическими процессами термодинамики.

Суммируя идеи неравновесной термодинамики, кибернетики, теории систем и синергетики и сопрягая их с данными географии и этнологии, Гумилев приходит к выводу, что наблюдаемая в природных процессах вспышка энергии (отрицательной энтропии) с последующей ее растратой представляет собой универсальный механизм взаимодействия системы со средой. Гумилев связывает ее с самопроизвольными всплесками избыточной энергии, в том числе и космическо­го происхождения. Факторами развития этноса являются пассионарии – это люди, которые обладают врожденной способностью организма абсорбировать энергию внешней среды и выдавать ее в виде работы, т. е. осуществлять негэнтропийный прорыв. Это проявляется как способность пассионариев к целенаправленным сверхнапряжениям, которые часто ломают инстинкт самосохранения (как ин­дивидуального, так и видового) и сопровождаются поступками, ведущими к резкому изменению, как окружающей их природной среды, так и отношений внутри этноса. Результатом этой негэнтропийной работы этноса является возросшая ди­намика и «событийность» истории народа.

По мнению Гумилева, живая история выглядит более оптимистично «новый пассионарный взрыв – мутация, или негэнтропийный импульс, зачинает очередной процесс этногенеза прежде, чем успеет иссякнуть инерция прежнего. Вот благодаря чему человечество еще населяет планету Земля, которая для людей не рай, но и не ад, а поприще для свершений, как великих, так и малых. Так было в прошлом, предстоит в будущем, во всех регионах земной поверхности».

Модель Л.Н. Гумилева динамики этносов хорошо вписывается в представления современного естествознания и позволяет объяснить весь ход исторического процесса.

7.6. Ноосфера

Под ноосферой понимается сфера разума, но разработано это понятие еще совершенно недостаточно. Однако точка зрения, согласно которой ноосфера представляет собой одно из природных равновесии, являющихся естественным продолжением равновесии, возникших в биосфере, позволяет рассматривать это понятие в тесном взаимодействии, как с естественными науками, так и с духовностью.

В последнее время много пишут об ученых, в трудах которых впервые появилось понятие «ноосфера», – о В.И. Вернадском, П. Тейяре де Шардене (иногда вспоминают Э. Леруа). Но многое в определениях ноосферы остается расплывчатым. Дело в том, что ни Вернадский, ни Тейяр де Шарден не стремились к созданию теории или концепции ноосферы, а увязывали ее с процессом развития биосферы и планетарной эволюцией Земли. В первую очередь следует подчеркнуть, что ноосфера представляет собой новый структурный уровень развития природы, который хотя и связан энергетически со всеми другими земными оболочками, и, прежде всего с биосферой, но соответствует новому фундаментальному относительному природному равновесию. Такая характеристика ноосферы, как разум, не является принципиальной. Фундаментальной характеристикой ноосферы может быть только духовность. Это, в частности, имел в виду П. А. Флоренский, предложивший выделять пневматосферу (от греч. пневма – дух) – духовную планетарную оболочку. Мы исходим из того, что именно пневматосфера должна стать духовным каркасом ноосферы. Подтверждение подобной идее можно найти во многих великих религиях и философских системах. Утверждение о том, что в основе ноосферы лежит равновесный духовный каркас, может считаться первым и основным свойством ноосферы.

Вторым важнейшим свойством ноосферы является то, что все структурные природные уровни возникают посредством взрыва. В естественных науках накоплено много фактов, подтверждающих, что уровни обособленных частиц и зарядов, уровни жизни, духовный уровень образовались подобным образом. В отношении двух последних уровней глубокие мысли, обосновывающие мгновенность их образования, содержатся в мировых религиях. Третьим важнейшим свойством ноосферы является то, что формирование планетарного мышления, в котором так нуждается современное человечество, возможно только на основе ноосферы. Планетарное мышление объединяет в себе фундаментальные относительные равновесия, соответствующие основным религиям, философии, естествознанию, искусству благодаря достигнутому ими планетарному масштабу. Четвертым, важнейшим свойством ноосферы является объединение в ее пределах всего человечества, на что обратил внимание еще В.И. Вернадский.

Перечисленные свойства ноосферы могут быть выявлены в ряде ее определений, предложенных отечественными учеными. Так, по Н.Ф. Реймерсу, ноосфера – это буквально «мыслящая оболочка», сфера разума, высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества, с периодом, когда разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития на Земле.

Р.Ф. Абдеев понимает «ноосферу как естественную информационную структуру». Это верно только отчасти. На информацию должна быть ориентирована биосфера, ноосфера же должна ориентироваться на духовность. Но поскольку ноосфера может формироваться лишь при устойчивой биосфере, постольку информация косвенно имеет значение и для ноосферы. В связи с этим приобретает значение вопрос о носителях информации, которые должны быть емкими, доступными, устойчивыми и надежными в ее сохранении.

Н.Н. Моисеев считает, что есть сложности с самим термином «ноосфера» – он не однозначен. «Широко распространено наиболее простое его толкование – сфера Разума. Так принято называть часть биосферы, которая оказывается под влиянием человека и преобразуется им». По этим причинам Моисеев считает более уместным говорить не о ноосфере, а об эпохе ноосферы, когда человек уже сможет разумно распоряжаться своим могуществом и обеспечивать такое взаимоотношение с окружающей средой, которое «позволит развиваться и обществу, и Природе».

Попытка исследовать внутреннюю структуру ноосферы (ноосферные структуры) была предпринята Г.И. Худяковым. Он считает, что ноосферные структуры – это пространственные целостности гармонического взаимодействия косных, биокосных, биогенных и социальных форм организации материи. И предполагает, что «пространственной основой ноосферных структур являются геокомплексы – от планетарных до региональных и локальных, т.е. саморазвивающиеся геолого-геоморфологические структуры с их гидробиоатмосферными составляющими». Это вполне соответствует идее о духовном каркасе ноосферы. В самом деле, равновесность на духовном уровне возможна только тогда, когда уравновешены все остальные структурные уровни природы. Таким образом, равновесие геолого-геоморфологических структур, равновесие биосферы естественным образом может найти свое продолжение в духовном каркасе ноосферы. В концепцию строительства ноосферы на основе духовного каркаса прекрасно вписываются философские идеи, связанные с бессмертием человеческой души.

Представление о ноосфере тесно связано с представлением о бессмертии человеческой души. Эта проблема волнует человечество тысячи лет и еще далека от своего разрешения. Человек пытался исследовать этот вопрос различными способами, в том числе и проводя эксперименты на самом себе. Данной проблемой интересовались и многие философы. Например, М. Хайдеггер считал, что «смерть в самом широком смысле есть феномен жизни» (смерть принадлежит жизни). В христианской теологии В. Дильтей и Г. Зиммель включали смерть в определение жизни. По мнению Дильтея, задача философии – понять жизнь, исходя из нее самой. Основной идеей Зиммеля было то, что смерть не приходит извне, жизнь несет ее в себе. К. Ясперс рассматривал смерть как «пограничную ситуацию» человеческой жизни.

Главным предназначением человека в процессе глобальной самоорганизации природы является, по-видимому, строительство ноосферы. Устойчивое возведение ноосферы возможно только тогда, когда сначала возводится ее духовный каркас, а затем все остальное, однако у человека всегда была неосознанная тоска по ноосфере, принимавшая форму стремления к смерти.

По нашему мнению, человек действительно способен сохранить свою душу «бессмертной», если при жизни он сформирует в себе равновесную ячейку, связанную с фундаментальными равновесиями природы. Тем самым он примет участие и в формировании естественной системы координат природы, которая будет существовать, и после его смерти. К этому и сводятся все надежды на бессмертие человеческой души.

Нынешний этап развития человечества трудно понять, если не предположить наличия в нем некоторой телеологической направленности к фундаментальным равновесиям природы. Такая направленность подтверждается многочисленными примерами в естественных науках и нашла свое отражение в искусстве и религии. Большинство этих равновесий (механическое, термодинамическое, равновесие живого вещества) устроены целесообразно и гармонично. Духовный же уровень – самый несовершенный. Способность человека совмещать высокие чувства со злом отмечается во многих выдающихся литературных и философских произведениях. Все это становится более понятным, если признать человечество единственным механизмом формирования ноосферы вокруг Земли. «Человеческая широта» необходима природе для того, чтобы в любых условиях найти возможный путь к относительному равновесию. К настоящему времени были созданы отдельные элементы ноосферы и сложились общие представления о ее конструкции. Сейчас, на рубеже двух тысячелетий, начинается формирование планетарного духовного каркаса и возведение всей последующей конструкции ноосферы при активном участии человека. Духовная оболочка нашей планеты только частично будет соответствовать понятию «ноосфера».

Весь путь развития ноосферы – это путь непрерывной борьбы духовности со злом, причем духовность часто выглядит в этой борьбе слабее зла, потому что пытается перейти в состояние фундаментального равновесия, минуя естественный порядок относительных равновесий. Каждый человек обладает запасом энергии, достаточным для того, чтобы создать ячейку для ноосферы (ячейку духовности). Ориентированная на духовное, фундаментальное равновесие, часть человечества находится в состоянии становления, поэтому есть опасность, что ноосфера может погибнуть. Поскольку строительство ноосферы происходит в нашу эпоху, то ответственность нашего поколения, его пафос, заключается в том, чтобы защитить ноосферу в этом процессе.

Главной трудностью здесь является то, что устойчивой связи с фундаментальными равновесиями для всего человечества пока не существует. Каждый раз для отдельных подсистем и для новых условий человечество строит пирамиду из промежуточных равновесий, стремясь таким образом связаться с параметром фундаментального равновесия. Дальнейший процесс, в случае обретения этой связи, представлял бы собой самоорганизацию, протекающую по объективным законам природы. К сожалению, человечество часто теряет эту связь, но дальше так продолжаться не может. С нашей эпохи человечество должно начать жить в естественной системе координат – иного не дано. Другими словами, планетарное мышление может строиться только на духовной основе . На основе каких-либо других принципов оно невозможно.

Динамика развития современного естествознания позволяет утверждать, что современное знание, полученное из него, должно быть ориентировано на целостность и взаиморазвитие. Важнейшими принципами построения и организации современного знания являются системность, глобальный эволюционизм, самоорганизация, взаимосвязь с фундаментальными равновесиями природы и общества. Наука, знание (образование) и культура – это единственный вид коллективной собственности, от использования которой ее объем и ценность только возрастают. В этом состоит значимость и непреходящая ценность самой науки, являющейся связующим мостом между прошлым и будущим современной культуры.

Контрольные вопросы

1.Каковы современные естественно-научные представления о порисхождении человека?

2.В чем сходство и отличие человека от животных?

3.Что такое планетарное мышление?

4.В чем состоят основная цель биоэтики и ее принципы?

5.Каковы принципы поведения животных?

6.Как понимать экологическую философию?

7.Что такое циклы А.А. Чижевского?

8.Что такое циклы Гумилева?

9.Каковы основные предпосылки перехода биосферы в ноосферу?

10.Назовите центральные проблемы экологии.

8. ПРОБЛЕМЫ САМООРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

И УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЭВОЛЮЦИОНИЗМ

8.1. Самоорганизация в живой и неживой природе

В последние годы работами ряда авторов, и, прежде всего, И. Пригожина и П. Гленсдорфа, была развита термодинамика сильно неравновесных систем, в которых связь между термодинамическими потоками и силами перестает быть линейной, а также не выполняются соотношения взаимности Онсагера.

Это новое, далеко еще не завершенное физическое учение, получившее название нелинейной, неравновесной термодинамики, приводит к возможности спонтанного возникновения упорядоченных структур в различных сильно неравновесных открытых системах, т.е. к процессу их самоорганизации. Отдельные примеры подобных процессов были известны сравнительно давно – образование ячеистых структур Бенара в неоднородно нагретом горизонтальном слое жидкости, возникновение турбулентности, вихрей и т.д.

Общим во всех явлениях образования упорядоченных структур при необратимых процессах в сильно неравновесных открытых системах является совместное (кооперативное) движение больших групп молекул. Немецкий ученый Г. Хакен предложил для таких процессов самоорганизации общий термин «синергетика» (от греч. – совместное, или кооперативное, действие). Физическая природа синергетики состоит в том, что в нелинейной области, вдали от равновесного состояния система теряет устойчивость и малые флуктуации, возрастающие до больших масштабов, приводят к новому режиму – совокупному движению многих частиц.

Установление факта самоорганизации в сильно неравновесных системах имеет важнейшее значение для физики, химии и особенно для биологии. Дело в том, что живые организмы и их различные органы представляют собой весьма неравновесные макросистемы, в которых существуют большие градиенты концентраций химических веществ, температур, давлений, электрических потенциалов.

Это также имеет большое мировоззренческое значение, поскольку позволяет объяснить стройную организацию окружающего нас мира природы. Синергетика показывает, как законы природы приводят к появлению определенного порядка в неупорядоченных системах, «порядка из хаоса», а затем к усложнению и развитию образовавшихся упорядоченных структур.

М. Эйгеном было показано, как в сложных, сильно неравновесных системах может реализоваться механизм управления самовоспроизведением образовавшихся структур. Развитие нелинейной термодинамики позволяет высказать весьма правдоподобную гипотезу, как с точки зрения физики могла возникнуть жизнь.

Нелинейная термодинамика коренным образом изменяет статус второго начала термодинамики. Действительно, этот закон определяет не только разрушение структур при необратимых процессах вблизи равновесного состояния, но и возникновение структур при необратимых процессах вдали от равновесия открытой системы. Отражая необратимость всех реальных процессов, второе начало выражает, таким образом, закон развития материи. Подобное понимание второго начала термодинамики снимает кажущееся противоречие между законом возрастания энтропии и беспорядка в замкнутой системе и теорией эволюции Дарвина о возникновении все более сложных самовоспроизводящихся структур в живой природе.

Заметим, что дело здесь не только в том, что живая система является открытой, поскольку вместе с внешней средой она образует замкнутую систему, энтропия которой также возрастает при усложнении живой природы. В данном случае речь идет об установленном П. Гленсдорфом и И. Пригожиным универсальном критерии эволюции, который является обобщением принципа минимального производства энтропии на нелинейные процессы.

Рассматривая зависимость скорости производства энтропии от двух факторов: изменения термодинамических сил и изменения потоков, Гленсдорф и Пригожин обобщили принцип минимального производства энтропии, который называется универсальным критерием эволюции Гленсдорфа-Пригожина.

Согласно данному критерию в любой неравновесной системе с фиксированными граничными условиями процессы идут так, что скорость изменения производства энтропии, обусловленная изменением термодинамических сил, уменьшается и стремится к нулю. Это приводит к возникновению упорядоченных структур.

Упорядоченные структуры, возникающие, согласно критерию Гленсдорфа-Пригожина, при необратимых процессах в открытых системах вдали от равновесия в нелинейной области, когда параметры систем превышают определенные критические значения, Пригожин назвал диссипативными структурами .

Существуют пространственные, временные и пространственно-временные диссипативные структуры.

8.1.1. Пространственные диссипативные структуры

Простейшим примером пространственныx структур являются ячейки Бенара, обнаруженные им в 1900 г. Если горизонтальный слой жидкости сильно подогреть снизу, то между нижней и верхней поверхностями возникнет разность температур ΔТ = Т₁ – Т₂ >0. При малой разности температур ниже некоторого критического значения (ΔТ<ΔТ_кр ) подводимое снизу количество теплоты распространяется вверх путем теплопроводности, и жидкость остается неподвижной. Однако при разности температур выше критического значения (ΔТ>ΔТ_кр ) в жидкости начинается конвекция: холодная жидкость опускается вниз, а нагретая поднимается вверх. Распределение двух противоположно направленных потоков оказывается самоорганизованным,в результате чего возникает система правильных шестиугольных ячеек.

По краям каждой ячейки жидкость опускается вниз, а в центре – поднимается вверх. Зависимость полного теплового потока в единицу времени от нижней поверхности к верхней от разности температур ΔТ имеет вид ячеек Бенара.

При ΔТ>ΔТ_кр состояние неподвижной теплопроводящей жидкости становится неустойчивым и вместо него наступает устойчивый режим в виде конвекционных ячеек Бенара. Обусловливается это тем, что при большой разности температур покоящаяся жидкость уже не обеспечивает перенос возросшего количества теплоты, и поэтому устанавливается новый; конвекционный режим. При переходе от докритического к сверхкритическому режиму спонтанно меняется симметрия системы, что аналогично термодинамическим фазовым переходам. Поэтому переходы в неравновесных системах часто называют кинетическими фазовыми переходами .

Как уже отмечалось, диссипативные структуры возникают лишь в сильно неравновесных многочастичных системах, состояние которых описывается нелинейными уравнениями для макроскопических величин. Для описания возникновения ячеек Бенара в жидкости используются нелинейные уравнения гидродинамики. При этом привлекаются критерии неустойчивости решений дифференциальных уравнений, установленные известным математиком А.М. Ляпуновым. Исследования показывают, что при ΔТ>=ΔТ_кр решение уравнений гидродинамики, соответствующее покоящейся жидкости и обычной теплопередаче, становится неустойчивым, и жидкость переходит в новый устойчивый конвекционный режим.

К числу пространственных диссипативных структур принадлежат также кольца Сатурна. Образование данной структуры (более 90 колец, различаемых современной аппаратурой) обусловлено неравновесностью вращающегося вокруг планеты вещества, притяжением его к Сатурну и взаимодействием отдельных частиц вещества между собой.

8.1.2. Временные диссипативные структуры

Примером временной диссипативной структуры является химическая система, в которой протекает так называемая реакция Белоусова –Жаботинского . Если система отклонилась от равновесия, но остается к нему близкой, то возвращение к равновесию происходит плавно, без колебаний по экспоненциальному закону. Если речь идет о стационарном состоянии, близком к равновесному, то отклонившаяся от стационарного состояния система возвращается в равновесное состояние по тому же закону.

Но вдали от равновесия, как мы видели, возникают диссипативные пространственные и временные структуры, т.е. неравновесный порядок. В ряде случаев неравновесный порядок может состоять в появлении колебаний и волн. Это особенно эффектно выглядит в химических диссипативных системах.

В 1910 г. Лотка выполнил важную теоретическую работу, в которой показал, что в открытой химической системе, далекой от равновесия, возможны колебания концентраций реагентов. В 1921 г. Брей впервые наблюдал периодическую химическую реакцию в растворе перекиси водорода Н₂ О₂ , йодноватой кислоты НIO₃ и серной кислоты H₂ SO₄ . В реакции происходило периодическое выделение и поглощение йода (соответственно в восстановительной и окислительной реакциях):

5Н₂ О₂ + 2НIO₃ → 5О₂ +I₂ + 6Н₂ О,

5Н₂ О₂ +I₂ → 2НIO₃ + 4Н₂ О.

Но наиболее удивительное явление – возникновение периодического изменения окраски химического раствора – наблюдал Б.Н. Белоусов в 1951 г.

В смеси лимонной кислоты, бромата калия КВrO₃ и сульфата церия Ce(SO₄ )₂ , растворенной в разбавленной серной кислоте, наблюдалось строго периодическое изменение цвета жидкости с красного на синий. Колебания окраски происходили с периодом около 4 мин и продолжались до тех пор, пока не израсходуются все реагенты, т.е. пока система далека от термодинамического равновесия. В указанном явлении, по сути, проявлялось существование химических часов.

Исследования Б.Н. Белоусова вследствие принципиальной новизны своевременно не были поняты. Его статьи не принимались к опубликованию «ввиду теоретической невозможности» описываемых в них реакций. Исследования Б.Н. Белоусова были продолжены и детально развиты А.М. Жаботинским. В 1980 г. группе авторов – Б.Н. Белоусову (посмертно) и А.М. Жаботинскому с сотрудниками – была присуждена Ленинская премия «за открытие нового класса автоволновых и автоколебательных явлений».

Суть описываемого явления заключается в том, что изменение окраски определяется периодическими изменениями концентраций трехвалентного и четырехвалентного ионов церия. В упрощенной схеме реакция Белоусова—Жаботинского состоит из двух стадий. На первой стадии трехвалентный ион церия окисляется бромноватой; кислотой и превращается в четырехвалентный ион:

Се³⁺ → (НВrO₃ ) → Се⁴⁺ ,

а на второй – Се⁴⁺ восстанавливается органическим соединением малоновой кислотой (МК) и снова превращается в трехвалентный ион:

Се⁴⁺ → (МК) → Се³⁺ .

В результате изменения концентраций ионов церия Се³⁺ , Се⁴⁺ наблюдается либо синий (избыток Се⁴⁺ ), либо красный (избыток Се³⁺ ) цвет.

Колебания концентрации Се⁴⁺ в реакции Белоусова–Жаботинского имеют вид пилообразной зависимости.

Существуют также другие нелинейные химические реакции, идущие в тонких слоях, которые приводят к образованию пространственно-временных структур, имеющих вид кольцевых или спиральных волн. Возникновение подобных структур в нелинейных химических реакциях связано с локальными флуктуациями концентраций и диффузией реагентов.

Очевидно, что в живой природе процессы самоорганизации протекают значительно сложнее, чем в неживой. Сегодня ясно, что в основе многих биологических явлений находится физика открытых систем, далеких от равновесия.

8.1.3. Химическая основа морфогенеза

В 1952 г. вышла работа А. Тьюринга «О химической основе морфогенеза».

Морфогенезом называется возникновение и развитие сложной структуры живого организма в ходе его эмбрионального развития – возникновение тканей и органов.

Сейчас доказано, что морфогенез в природе определяется взаимодействиями молекул, и что некоторые вещества-морфогены, функционирующие в определенных местах организма в определенные моменты, ответственны за структурообразование. Тьюринг показал, что сопряжение автокаталитической химической реакции с диффузией ведет к оттоку энтропии из системы и возникновению пространственной и временной упорядоченности.

Живой организм – чрезвычайно сложная химическая машина, функционирующая при постоянной температуре и давлении. Источники энергии необходимые для выполнения многообразных видов работ, в данном случае являются не тепловыми, а химическими. Энергия запасается, прежде всего, в аденозинтрифосфорной кислоте (АТФ)

В живом организме кодирование и передача информационных сигналов, в конечном счете, всегда осуществляется химическими способами. Сигналами, сообщениями в организме служат молекулы и ионы, источниками, преобразователями и рецепторами сигналов − молекулярные системы.

Так, например, белок − фермент, являющийся катализатором определенной биохимической реакции, есть преобразователь сигнала. Он катализирует превращение одних сигнальных молекул в другие.

Как уже отмечалось, любые виды работы могут производиться термодинамической системой только при условии, что имеются различия в параметрах, ответственных за действующие силы. В живом организме все определяется разностями концентраций химических веществ или разностями химических потенциалов. Организм живет на основе тонких и точных химических балансов. Особо важную роль в жизнедеятельности играет сопряжение химических реакций с процессами диффузии. Для создания разности концентраций ионов внутри и вне клеток также используется энергия молекул АТФ.

В настоящее время синергетика и физика диссипативных систем объединились с химией и биологией, раскрыв смысл биологического упорядочения и биологического развития. Современная наука уже достаточно хорошо понимает физические основы жизни, физические основы функционирования клеток и организмов, хотя исследования ряда принципиальных вопросов теоретической биологии и биофизики находятся еще в начальной стадии.

В более общей постановке можно сказать то, что жизнь существует постольку, поскольку существует энтропия, экспорт которой во внешнюю среду поддерживает биологические процессы на всех уровнях − от клеток до биосферы в целом. Сегодня можно с уверенностью утверждать, что нет известных биологических явлении, противоречащих установленным принципам физики. И напротив, современная физика и, в частности, все, относящееся к законам энтропии, хорошо работает в биологии, поэтому нет никакой необходимости оперировать такими далекими от науки понятиями, как «биополе» или «биоплазма».

8.1.4. Самоорганизация в живой природе

Рассмотрим процесс саморегуляции в живых сообществах на достаточно простом примере. Предположим, что в некой экологической нише совместно обитают кролики и лисы.

Если в некое пространство с травой, произрастающей в достатке поместить кроликов, то, поедая траву, они начнут усиленно размножаться, т.е. произойдет реакция: Кролик + Трава = Больше кроликов, или К + Т => 2К (как эту реакцию записали бы химики). Данный процесс вполне аналогичен непрерывному подводу тепла (трава) в задаче с ячейками Бенара.

Но вот в данную экологическую нишу поместили хищных лисиц, которые питаются кроликами и размножаются: Лисица + Кролик => Больше лисиц, или химически: Л + К => 2Л.

Однако в свою очередь лисицы, как и кролики, являются жертвами. Лисицы — жертвы человека, который отстреливает их на мех: Лисицы => Мех, или химически: Л => М.

Конечный продукт этой сложной реакции — мех — выводится вовне из реакционной зоны. Его можно рассматривать как носитель энергии, выводимый из системы, к которой энергия была вначале подведена, например, в виде травы. Таким образом, в экологической системе также существует поток энергии, аналогичный потоку, имеющему место в химическом реакторе.

Анализируя этот сложный процесс, можно заметить, что в нем существуют две автокаталические стадии (положительная обратная связь), играющие определенную роль в его самоорганизации. Одна из них — «производство» (рождение) кроликов от кроликов, поедающих траву, вторая — рождение лисиц от лисиц, поедающих кроликов. Чем больше кроликов имеется, тем больше их рождается при наличии запасов травы. И если бы не было хищных лисиц, неконтролируемое размножение кроликов привело бы к неконтролируемому увеличению их численности. Так произошло в Австралии в середине XIX в. Однако возможно такое же автокаталитическое размножение лисиц при большом количестве кроликов. Но если оно произойдет, то приведет к резкому снижению численности популяции кроликов. А это, в свою очередь, приведет к уменьшению численности популяции лисиц, так как им для размножения надо поедать кроликов. Когда численность лисиц упадет, популяция кроликов получит время для восстановления своей численности. После восстановления численности кроликов начнет восстанавливаться численность популяции лисиц и т.д. Данный анализ показывает, что система самоорганизуется во времени. В действительности будут происходить периодические колебания численности кроликов и лисиц, сдвинутые во времени, т.е. возникнет экологически устойчивая структура.

То же самое можно изобразить и на так называемой фазовой диаграмме, если исключить время в явном виде. Каждая кривая, называемая фазовой траекторией, показывает соотношение между численностью популяции кроликов и лисиц в зависимости от начальных и граничных условий (например, степени плодовитости, скорости размножения, скорости поедания и т.д.) Каждая точка на траектории соответствует стационарному состоянию, когда скорость истребления кроликов и лисиц в точности равна их воспроизводству, т.е. когда их количество остается постоянным, или, иными словами, система находится в динамическом равновесии. Численность популяции кроликов и лисиц имеет вид гармонических колебаний во времени.

Фазовая диаграмма колебаний численности лисиц и кроликов представляет собой систему концентрических замкнутых кривых с некоторым центром, который можно интерпретировать как странный аттрактор численности популяций.

Анализ показывает, что в биосфере существует огромное количество сильно неравновесных систем, поэтому можно утверждать, что возникновение условий для их самоорганизации — явление довольно частое. А так как условия для самоорганизации выполнены, то жизнь становится столь же предсказуемой, как неустойчивость Бенара или любое другое вероятное событие. Тот факт, что жизнь возникла на молодой Земле через ~4- 10⁹ лет после ее образования (т.е. 4,0∙10⁹ лет тому назад) является аргументом спонтанной самоорганизации, произошедшей при благоприятных обстоятельствах.

Исследованием поведения неравновесных систем в точках потери устойчивости или переходов из одной формы самоорганизации в другую занимается теория бифуркаций или, как ее еще называют, теория катастроф .

Слово «бифуркация» означает раздвоение и употребляется в широком смысле для обозначения всевозможных качественных перестроек или метаморфоз различных объектов при плавном изменении параметров, от которых они зависят. Катастрофами называют скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. В результате ка­тастрофы-взрыва система может не только скачкообразно изменить свое состояние, но и разрушиться.

Теория бифуркаций описывает поведение не только простых, но и очень сложных систем, в частности, таких, как социальные, экономические и др.

8.2.5. Самоорганизация в неравновесных системах

Рассмотрим простую симметричную бифуркацию, приведенную на рис. 5. Выясним, как возникает самоорганизация и какие процессы происходят, когда ее порог оказывается превзойденным.

В равновесном или слабо равновесном состоянии существует лишь одно однородное стационарное состояние А без какой-либо упорядоченности. Пусть X — некоторая главная переменная, например концентрация одного из исходных веществ. Рассмотрим, как изменяется состояние системы с возрастанием значения управляющего параметра λ (этим управляющим параметром может быть концентрация другого вещества, от которого зависит ход реакции). При некотором значении λ = λ_с система достигает порога устойчивости. Обычно данное критическое значение называют точкой биффуркации . В точке В однородное стационарное хаотическое термодинамическое состояние становится неустойчивым относительно флуктуации. При переходе через критическое состояние λ_с существуют три coстояния, в которых может находиться система: два устойчивых (С и D) и одно неустойчивое (Е). Эта ситуация напоминает бегуна, который, выбежав из дома, достиг пересечения трех дорог. Прямая дорога продолжается через шаткий мостик. Если бегун продолжит путь через мостик, он может потерять устойчивость и упасть на одну из двух твердых дорог.

Рис. 5. Простая симметричная бифуркация

Возникает естественный вопрос,: по какому пути пойдет дальнейшее развитие системы после того, как она достигла точки бифуркации? У системы есть выбор: она может отдать предпочтение одной из двух возможностей самоорганизации, соответствующих двум неравномерным распределениям концентрации X в пространстве, определяемых ветвями С и в бифуркационной диаграммы.

Одно из этих пространственных распределений зеркально симметрично другому. Каким образом система выбирает между правой и левой ветвями? В этом выборе неизбежно присутствует элемент случайности. Уравнения не в состоянии предсказать, по какой траектории пойдет эволюция системы. Мы сталкиваемся со случайными явлениями, подобными исходу бросания игральной кости или монеты. Можно ожидать, что в половине случаев система окажется в одном положении, а в половине – в другом. Теперь можно предположительно ответить на вопрос: почему в живом нарушена симметрия? Все молекулы белка, ДНК, сахаров и т.д. закручены в левую сторону. Ответ таков: диссимметрия обусловлена единичным случайным событием. После того, как выбор сделан, вступают в действие автокаталитические процессы, и левосторонняя структура порождает новые, только левосторонние структуры.

На рис. 6 показана система, которая может находиться в большом числе устойчивых и неустойчивых состояний.

Таким образом, в сильно неравновесных системах процессы самоорганизации сводятся к тонкому взаимодействию между случайностью и необходимостью, между флуктуациями и детерминистскими иконами. Вблизи точек бифуркации основную роль играют флуктуации или случайные элементы, тогда как в интервалах между точками бифуркаций доминируют детерминистские закономерности.

Рис. 6. Устойчивые и неустойчивые состояния системы

Следует особо подчеркнуть различие между равновесным (статистическим) хаосом, который может вызвать лишь небольшие отклонения-флуктуации от состояния равновесия, и динамическим хаосом и неравновесных системах, обладающих значительным избытком свободной энергии. Этот динамический созидающий хаос и служит источником всего того порядка, который мы наблюдаем в окружающем нас мире неживой и живой природы. Так, жизнь на Земле зародилась в сильно неравновесной среде, а возникшие организмы стали жить и эволюционировать, потребляя свободную энергию, поступающую к нам извне (в конечном счете, энергию Солнца).

В заключение подведем некоторые итоги.

Самоорганизация — это процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Процессы самоорганизации могут иметь место только в системах, обладающих высоким уровнем сложности и большим количеством элементов, связи между которыми имеют не жесткий, а вероятностный характер. Основные свойства самоорганизующих систем — открытость, нелинейность, диссипативность. Теория самоорганизации имеет дело с открытыми нелинейными диссипативными системами, далекими от равновесия.

Свойства самоорганизации обнаруживают объекты самой различной природы: живая клетка, организм, биологическая популяция, биогеоценоз, человеческий коллектив и т.д. Процессы самоорганизации осуществляются за счет перестройки существующих и образования новых связей между элементами системы. Отличительная особенность процессов самоорганизации – их целенаправленный, но вместе с тем и естественный, спонтанный характер: эти процессы протекают при взаимодействии системы с окружающей средой, в той или иной мере автономны и относительно независимы от нее.

8.1.6. Типы процессов самоорганизации

Различают три типа процессов самоорганизации:

1)процессы самозарождения организации, т.е. возникновение из некоторой совокупности целостных объектов определенного уровня новой целостной системы со своими специфическими закономерностями (например, генезис многоклеточных организмов из одноклеточных);

2)процессы, благодаря которым система поддерживает определенный уровень организации при изменении внешних и внутренних условий ее функционирования (здесь исследуются главным образом гомеостатические механизмы, в частности, механизмы, действующие по принципу отрицательной обратной связи);

3)процессы, связанные с совершенствованием и саморазвитием таких систем, которые способны накапливать и использовать прошлый опыт.

Специальное исследование проблем самоорганизации впервые было начато в кибернетике. Термин «самоорганизующая система» ввел английский кибернетик У.Р. Эшби в 1947 г. Широкое изучение самоорганизации началось в конце 50-х гг. XX в. в целях отыскания новых принципов построения технических устройств, способных моделировать различные стороны интеллектуальной деятельности человека. Исследование проблем самоорганизации стало одним из основных путей проникновения идей и методов кибернетики, теории информации, теории систем, биологического и системного познания.

В 70-е гг. XX в. начала активно развиваться теория сложных самоорганизующихся систем. Результаты исследований в области нелинейного (порядка выше второго) математического моделирования сложных открытых систем привели к рождению нового мощного научного направления в современном естествознании – синергетики. Как и кибернетика, синергетика – это некоторый междисциплинарный подход. В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения.

Мир нелинейных самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем мир закрытых, линейных систем. Вместе с тем «нелинейный мир» сложнее моделировать. Как правило, для приближенного решения большинства возникающих нелинейных уравнений требуется сочетание современных аналитических методов с вычислительными экспериментами. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.д.

Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики и автоколебательных приборов до формирования общественного мнения и демографических процессов. Основной вопрос синергетики – существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций. Такие закономерности существуют. Это открытость, нелинейность, диссипативность.

8.2. Принципы универсального эволюционизма

Принцип универсального эволюционизма одна из доминирующих современных концепций в науке. Сформировавшийся вначале как результат обобщения естественно-научных знаний, он стал постепенно носить общенаучный характер и включает изучение не только окружающего нас мира природы, но и человеческого общества.

Первая эволюционная теория, созданная в середине XIX в, Ч. Дарвином, касалась только эволюции в биологии. Затем, в XX в., по мере изучения природы на всех уровнях организации материи, выяснилось, что каждому уровню присущи эволюционные процессы, приводящие к развитию и совершенствованию всех форм материального мира.

В микромире это эволюционное формирование первичного элементного состава вещества в результате термоядерного синтеза, последовательное образование в природе всех элементов таблицы Менделеева. В микромире установлены также процессы самоорганизации и эволюции химических молекулярных систем.

На макроуровне обнаружен и исследован целый ряд эволюционно развивающихся неживых систем в направлении повышения уровня организации. В живой природе развитие органического мира происходит в соответствии с эволюционной теорией Ч. Дарвина.

Процессы в мегамире определяются эволюционной теорией расширяющейся Вселенной. История развития Земли, последовательность образования геосферных оболочек в настоящее время также рассматриваются на основе эволюционной теории.

Все перечисленные частные эволюционные теории приводят к утверждению и обоснованию всеобщей концепции универсального эволюционизма.

Ниже более подробно остановимся на упомянутых частных эволюционных теориях с тем, чтобы уяснить важность данной концепции в общенаучном плане.

Наиболее полная формулировка идей глобального эволюционизма принадлежит, Н. Н. Моисееву и может быть представлена следующим образом.

1. Вселенная – единая саморазвивающаяся система. Это утверждение позволяет интерпретировать все процессы развития в качестве составляющих единого мирового эволюционного процесса, процесса развития «Суперсистемы Вселенная».

2. Во всех процессах, имеющих место во Вселенной, неизбежно присутствуют случайные факторы, влияющие на их развитие, и все эти процессы протекают в условиях некоторого уровня неопределенности.

Случайность и неопределенность – факторы не эквивалентные, но их действие имеет последствия, в равной степени непредсказуемые исследователем, поэтому они находятся вне нашего контроля. Приходится постулировать отсутствие тождественно протекающих процессов, – есть лишь похожесть, близость, но не тождественность.

3. Во Вселенной властвует наследственность: настоящее и будущее зависят от прошлого.

4. В мире властвуют законы, являющиеся принципами отбора . Они выделяют из возможных виртуальных, мысленных состояний некоторое множество допустимых. Заметим, что последние три эмпирических обобщения по существу совпадают с дарвиновской триадой: изменчивость, наследственность, отбор.

5. Принципы отбора допускают существование бифуркационных (в смысле Пуанкаре) состояний, т.е. состояний, из которых даже в отсутствие стохастических факторов возможен переход материального объекта в целое множество новых состояний. В бифуркационном состоянии дальнейшая эволюция оказывается принципиально непредсказуемой, поскольку новое русло эволюционного развития будет определяться, прежде всего, теми неконтролируемыми случайными факторами, которые будут действовать в момент (точнее, в период) перехода.

Универсальный эволюционизм есть попытка построения общепланетарной теории исследования природных процессов. Процесс самоорганизации природных систем заключается в обретении ими все более и более совершенного динамического равновесия с окружающей средой. Стержнем глобального эволюционизма является онтологическая схема, отражающая сквозную линию развития от низших форм движения к высшим и явления природы могут рассматриваться с единых позиций. На первый план выходит аспект глобального эволюционизма, взаимосвязанный с проблемами самоорганизации. Человек вписывается в эту схему развития как бы изнутри и снаружи. С одной стороны, он совершенно естественный элемент ее, а с другой – сторонний наблюдатель, способный оценивать происходящие события.

8.3. Самоорганизация в микромире. Формирование элементного состава вещества материи

На основе достижений ядерной физики в первой половине прошлого века удалось понять механизм образования химических элементов в природе. В 1946–1948 гг. американский физик Д. Гамов разработал теорию образования химических элементов на основе термоядерного синтеза. В дальнейшем данная теория нашла блестящее экспериментальное подтверждение.

Согласно указанной теории, существующие в природе химические элементы образовались в результате длительной эволюции от Большого взрыва до наших дней (~15–20 млрд. лет). Эволюция химического состава в природе связана со звездообразованием и эволюцией звезд и включает несколько этапов.

На первом этапе происходило образование атомов нейтрального водорода из появившихся во время Большого взрыва электронов и протонов – первых частиц вещественной материи.

Второй этап – образование из рассеянного в космосе водородного газа под действием гравитации все более уплотняющихся сгустков водородного вещества. Постепенное возрастание давления внутри сжимающегося облака в соответствии с физическими законами привело к возрастанию температуры. При температуре порядка 107 К происходил термоядерный водородный синтез.

Циклы ядерных реакций. В 1939 г. американский физик-теоретик Г. Бете разработал теорию двух циклов ядерных реакций, идущих в недрах звезд: протон-протонного и углеродного.

Протонный цикл идет по схеме:

¹ H + ¹ H → ² D; ² D + ¹ H → ³ He; ³ He + ³ He → ⁴ He + 2¹ H,

где ¹ Н — протон;

² D — ядро изотопа водорода – дейтерия;

³ Не — ядро изотопа гелия;

⁴ Не — ядро атома гелия.

Конечным результатом данной последовательности реакций, называемой протон-протонной цепочкой , или водородным циклом, является превращение четырех ядер атомов водорода в одно ядро гелия (т.е. для протекания реакции требуется только водород).

Другой цикл ядерных реакций – углеродный – требует наличия углерода, служащего катализатором процессов всего дальнейшего ядерного синтеза. Углерод в звездах образуется следующим образом. После того как в результате слияния четырех ядер водорода и образования одного ядра гелия постепенно «выгорает» весь водород, внутреннее ядро звезды составляет только гелий.

Сжатие гелиевого ядра звезды приводит к дальнейшему повышению его внутренней температуры, в результате чего в термоядерные реакции включаются все более тяжелые ядра, и протекает синтез всех химических элементов.

После водородных реакций при температурах свыше 150∙10⁶ К начинает идти реакция слияния ядер гелия.

Изучение реакций синтеза ядер гелия показало, что слияние циух ядер гелия ⁴ Не приводит к образованию неустойчивых ядер бериллия ⁸ Ве, а слияние трех ядер гелия ⁴ Не – к образованию устойчивых ядер углерода ¹² С.

На следующем этапе в результате слияния ядер углерода ¹² С и гелия ⁴ Не образуется ядро кислорода ¹⁶ О, который, присоединяя ядро гелия ⁴ Не, образует ядро неона ²⁰ Ne и т.д.

Таким образом, в звездах за время их жизни в процессе ядерных реакций синтезируется определенное количество различных элементов, которые в ряде случаев после угасания звезд рассеиваются в пространстве, изменяя тем самым состав межзвездного газа. Вновь образовавшиеся звезды уже из другого по составу межзвездного вещества имеют иные исходные условия для протекания последующих в них термоядерных реакций. Данный процесс формирования химических элементов веществ в природе происходит непрерывно.

Современные астрофизические исследования спектров звезд позволили установить их химический состав. Оказалось, что полученные временные ряды звезд разных поколений и разного элементного состава находятся в хорошем согласии с рассмотренной теорией. Имеются звезды, в основном состоящие только из водорода и гелия (в них реализуется только протон-протонный термоядерный цикл), а также звезды с относительно большим содержанием более тяжелых элементов таблицы Менделеева в соответствии с углеродным циклом,

Химическая эволюция на молекулярном уровне

До возникновения жизни на Земле в течение длительного времени, продолжавшегося около двух миллиардов лет, происходил химическая эволюция неживой (косной материи).

В связи с существованием фундаментальных физических законов в природе, касающихся различных форм движения материи (таких, как тепловая, механическая, электромагнитная и т.д.), и в результате соударений различных атомов между собой возникали различные химические соединения. Между ними образовывались химические связи, появлялись новые устойчивые молекулярные системы. Иными словами, происходили химические реакции, в результате которых постепенно появилось огромное разнообразие молекул. Последующие химические реакции приводили к образованию еще более сложных химических веществ, обладающих более высокой организацией по сравнению с исходными веществами.

Очевидно, что из первичной смеси частиц могут образовываться самые разнообразные упорядоченные структуры (конечные продукты), но преимущественное распространение получают те, для которых скорость процесса образования превышает скорость распада, т.е. происходит конкуренция образовавшихся структур и отбор на более устойчивых.

На определенном уровне развития микросистемы возникают автокаталитические процессы, благодаря которым повышается уд вень обратных связей. Случайно появившаяся молекула катализатора начинает управлять ходом химического процесса и воспроизводить себе подобные молекулы. Этот процесс уже носит упорядоченный характер и осуществляется под воздействием возникшей ранее информации. Безусловно, при воспроизводстве вещества вследствие действия изменяющихся внешних факторов возможны сбои и случайные искажения структур, в результате чего появляются вещества-мутанты. Благодаря этому автокаталитический процесс может пойти по другому пути или же могут возникнуть множество автокаталитических процессов, конечным продуктом которых является одно и то же вещество. Как и в случае простейших химических реакций, здесь наблюдается конкуренция различных автокаталитических процессов, исход которой определяется скоростью синтеза и энергетикой.

В процессе химической эволюции геосферы таким путем происходило образование вначале неорганических соединений (солей, оксидов и др.), а затем и органических. В процессе стратификации вещества геосферы при отвердевании расплавов, выпаривании перенасыщенных растворов солей или под действием высоких давлений в глубинах земной коры происходила упаковка некоторых неорганических соединений в геометрически правильные упорядоченные структуры – кристаллы. Органические кристаллы (а к ним относится большинство биополимеров) образовались в результате эволюции органических молекул.

По некоторым оценкам, сегодня насчитывается около 300 тысяч неорганических и шести миллионов органических соединений, созданных природой. Основу органики составляют всего шесть элементов-органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Их доля в структуре органических соединений составляется 97%. В основу органики природа заложила углерод, химические связи которого образуют остов молекул. Углерод по сравнению с другими химическими элементами обладает уникальными возможностями: образует как ковалентные, так и ионные (в металлоорганических соединениях) связи, которые легко активируются и в то же время достаточно прочны. Разнообразие классов органических соединений обусловлено способностью углерода к образованию одно-, двух-, трех-, четырех- и шестиэлектронных связей.

Появление автокаталитических реакций и повышение уровня информационных связей повысило скорость упорядочения материи и образования все более сложных, информационно насыщенных соединений. Однако при синтезе таких сложных соединений, как белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, природа «использовала» далеко не все имеющиеся в ее арсенале простые органические соединения. Например, для построения белков из ста аминокислот используется всего лишь двадцать.

Автокаталитические системы со временем становятся основой простейших самоорганизующихся биохимических систем. Появляется циклическая организация процессов. Первичная химическая реакция дает продукт, который становится исходным для последующей реакции и в то же время является катализатором для первой реакции и управляет ее развитием. С реакцией второго уровня происходит аналогичный процесс. Над первым циклом как бы надстраивается второй и управляет первым. Конечный продукт второго. цикла становится исходным продуктом для третьего и т.д.

Процессы, протекающие на вышележащем уровне, управляют процессами нижележащего уровня. Создается пирамида (иерархия) циклов, управление которыми осуществляется по принципу обратной связи. Такую структуру немецкий ученый М. Эйген назвал гиперциклом. В гиперцикле, как и в одиночной автокаталитической реакции, возможно появление мутантов, но благодаря конкуренции выживают наиболее оптимальные с точки зрения фундаментальных законов природы. Они и составляют биохимическую основу более сложных структур. По этому принципу развивается большинство биохимических реакций. Ученые предполагают, что данный механизм лежал в основе перехода от косной материи к примитивному самовоспроизводящемуся (живому) веществу. Период формирования иерархических самоуправляемых автокаталитических циклов называют ранним этапом предбиологической эволюции вещества .

По всей вероятности, образование циклов и их организация в гиперциклы, как и вообще самоорганизация систем, были необходимым этапом в эволюции материи и переходе от косного вещества к живому.

В 60-х гг. XX в. А.П. Руденко разработал теорию химической эволюции, в основу которой были положены идеи самоорганизации и саморазвития каталитических систем и самосовершенствования катализаторов в процессе синтеза.

8.4. Самоорганизация в живой и неживой природе

На основе данных археологии, палеонтологии и антропологии Ч. Дарвин, как известно, доказал, что все многообразие живых организмов сформировалось в процессе длительной эволюции из более примитивных форм. Дальнейшее развитие генетики полностью подтвердило основные положения учения Ч. Дарвина о естественном отборе как основном механизме развития мира животных и растений.

Естественный отбор в природе обеспечивает протекание процесса эволюции в определенном направлении, а именно: в направлении все большего разнообразия и усложнения всех форм живой материи, от простейших до самых высокоорганизованных, включая человека.

В последнее время все большее внимание ученых привлекает концепция саморазвития в неживой природе. На сегодняшний день известно уже множество случаев саморазвития и эволюции природных систем, когда беспорядочное поведение системы вдруг обретает порядок.

Из хаотического теплового движения молекул «вдруг» возникают турбулентные вихри, из неупорядоченных движений атомов и молекул в атмосфере – коллективно направленное движение воздуха — ураганы. Из скоплений лишенного структуры, достаточно простого по своему составу межзвездного вещества, состоящего из водорода и гелия, рождаются звезды, в недрах которых образуются более сложные химические элементы и т.д.

Такое поведение систем находит объяснение в рамках принципиально нового направления теоретической физики – нелинейной, неравновесной термодинамики. Более подробно эти вопросы рассмотрены в § 8.2.

Современная теория нелинейных динамических систем объясняет механизмы, лежащие в основе творчества природы и приводящие от беспорядка к порядку. Происходит все более глубокое осознание таких свойств материи, когда при определенных условиях в системе, состоящей из хаотично расположенных неупорядоченных частей, возникает новая структура, обладающая определенным временным или пространственным порядком. Примером самоорганизации служат диссипативные структуры, в частности, возникающие в химической реакции Белоусова—Жаботинского или вихри в ячейках Бенара.

После открытия законов самоорганизации самоупорядоченных сложных систем можно рассматривать как фундаментальное свойство природы.

Самоорганизация Вселенной

Еще менее ста лет назад в науке господствовала точка зрения об однородной, стационарной, бесконечной во времени и в пространстве Вселенной. Однако после создания А. Эйнштейном общей теории относительности и работ А. Фридмана в конце 20-х гг. прошлого столетия стала утверждаться модель нестационарной Вселенной. Вскоре Э. Хабблом было экспериментально доказано, что Вселенная находится в состоянии расширения.

Дальнейший существенный прогресс в космологии и астрофизике, как это ни парадоксально, произошел в результате огромного прорыва в области исследования атомного ядра и физики элементар­ных частиц. Квантовая природа законов ядерной физики привела к открытию принципиально новых квантовых состояний материи и установлению взаимного превращения различных форм материи друг в друга. В частности, аннигиляция – превращение частиц вещества (электронов – позитронов, частиц — античастиц) в кванты полей, с одной стороны, и, напротив, рождение парами частиц вещества – антивещества в результате взаимодействия квантов поля, с другой.

Развитие ядерной физики позволило совершенно с иных позиций подойти к рассмотрению вопроса о происхождении Вселенной.

С середины прошлого века в космологии стала утверждаться идея так называемой «горячей», расширяющейся Вселенной.

В последующие годы был получен целый ряд новых экспериментальных подтверждений данной точки зрения в астрофизике. Прежде всего, одним из экспериментальных подтверждений стало открытие в 60-х гг. XX в. так называемого реликтового излучения – веский аргумент в пользу того, что наша Вселенная имела начало и историю своего эволюционного развития.

Согласно современной теории, Вселенная образовалась 15–20 млрд. лет назад из единственного существовавшего в то время вида материи – определенного квантового состояния поля – «физического вакуума». В результате флуктуации этого поля образовались первые частицы будущего материального мира – электроны, протоны, фотоны, нейтрино. Дальнейшая эволюция первичных компонентов материи привела через звездообразование к появлению существующих химических элементов и всего того материального мира, который сформировался к настоящему времени на различных уровнях организации материи.

8.5. Концепции эволюционного естествознания

Краткий анализ процессов, протекающих в микро-, макро- и мегамире, позволяет говорить о том, что на всех уровнях организации материи доминирующими являются эволюционные процессы. Это нашло отражение в понятии глобального эволюционизма, или концепции универсального эволюционизма.

За последние десятилетия в недрах каждой науки сформировался «свой» эволюционизм, в котором развитие специфических систем (Вселенной, химических элементов, Земли, биосферы) рассматривалось через призму конкретных научных знании, синтез современного естественно-научного знания обусловлен необходимостью построения новой научной картины мира, дающей целостное (а не фрагментарное) представление о мире, взаимодействии разных его уровней (микро-, макро- и мегамира), материальных системах различной природы (живой, неживой) и универсальных законах эволюции.

К настоящему времени выявлен ряд важнейших внешних и внутренних факторов, оказывающих влияние на эволюцию природных систем. К их числу относятся: открытость, нелинейность, неравновесность, некотролируемость воздействия и т.д. В качестве основополагающей была высказана концепция коэволюции , согласно которой природная система и ее окружение эволюционируют совместно, поддерживая существование друг друга.

Во всех процессах, имеющих место во Вселенной, неизбежно присутствуют случайные факторы, влияющие на ее развитие все процессы протекают в условиях некоторого уровня неопределенности.

В мире властвуют законы, являющиеся принципами отбора. Они выделяют из возможных виртуальных, мысленных состояний некоторое множество допустимых.

Принципы отбора допускают существование бифуркационных состояний, т.е. состояний, из которых даже в отсутствие случайньх факторов возможен переход материального объекта в целое множество новых состояний. В бифуркационном состоянии дальнейшая эволюция оказывается принципиально непредсказуемой, поскольку повое русло эволюционного развития будет определяться, прежде всего, теми неконтролируемыми случайными факторами, которые будут действовать в переходах.

Другая основополагающая концепция – концепция так называемой «стрелы времени» , специфической для каждой природной системы. Она позволяет охарактеризовать направление необратимой эволюции этой системы: ее рождение, жизнь и гибель.

К числу важнейших концепции эволюционного естествознания, взятых из биологии, относится обобщенная триада – изменчивость, наследственность, естественный отбор.

Существенную роль в эволюционных представлениях играет концепция самоорганизации в хаосе, т.е. возникновение упорядоченных структур вдали от равновесия, когда, как правило, имеет место спонтанное нарушение симметрии. Одним из важнейших понятий служит понятие сложности и иерархической соподчиненности природных, систем. Исследование проблем возникновения неустойчивости системы позволяет понять ее роль в появлении состояния динамического хаоса.

Приведенные основные идеи дают представление о сущности универсального эволюционизма. Фундаментальные физические и биологические теории связаны в своей основе с общеприродным единством, и вполне естественным является стремление обобщить их на всю окружающую природу. В целом же универсальный эволюционизм означает, что наша Вселенная в силу связи всех ее составляющих есть некая единая система; ее эволюция представляет собой рост разнообразия форм материальной организации, вводимого в определенные рамки и ограничиваемого тенденцией к единству и кооперативности.

Универсальный эволюционизм есть попытка построения общепланетарной теории исследования природных процессов в свете их космического всеединства.

Можно сказать, что процесс самоорганизации природных систем заключается в обретении ими все более и более совершенного динамического равновесия с окружающей средой.

Идеи универсального эволюционизма и свойства общественного человеческого сознания имеют между собой много общего. Стержнем универсального эволюционизма является схема, отражающая сквозную линию развития от низших форм движения к высшим, Эта сквозная линия допускает развитие, усложнение и усовершенствование, вследствие чего процессы и явления природы могут рассматриваться с некоторых единых позиций.

Идеи универсального эволюционизма обладают значительной гибкостью и могут принимать самые разные очертания. Как следствие этого, эволюционизм существует в виде огромного количества вариантов и версий. Идеи эволюционизма – это каркас для целого спектра различных по существу представлений о мире.

В настоящее время все настоятельнее проявляется естественное желание использовать физические принципы становления и развития неживой и живой природы и идеи синергетического подхода для описания поведения сложных неравновесных самоорганизующихся систем и решения обществоведческих проблем гуманитарных наук.

Новая мировоззренческая парадигма, основанная на представлениях синергетики, устраняет различия между естествознанием и обществоведением и дает возможность создать универсальную эволюционно-синергетическую картину мира. Понятия синергетики и аппарат нелинейного мышления превращают изначально гуманитарно-интуитивные методы описания социальных, экономических, психологических, исторических и других объектов и систем гуманитарной природы из описательных в научно обоснованные (прогнозируемые). Футурологические перспективы развития человечества при этом основываются на возможности эволюции перехода материи от более вероятных хаотических состояний к менее вероятным, но реально возможным и более организованным, упорядоченным состояниям.

В рамках физических представлений синергетических моделей цивилизация в целом и конкретное общество в частности являются сложными неравновесными системами, устойчивость которых обеспечивается взаимодействием внешних и внутренних причин развития. Совокупность механизмов, включающих орудия и другие материальные объекты, языки, мифологию, мораль и т.д., т.е. то, что представляет собой понятие культуры, также может быть выражена в таких параметрах целостного эволюционного развития самоорганизующихся систем, как нелинейность процессов, бифуркация отдельных фаз развития и эволюционные катастрофы.

Современное естествознание становится по существу постнеклас-сической интегративной наукой, в которой в первую очередь должны использоваться достижения и тенденции новой синергетической физики. При этом наблюдается тенденция перехода от собственно познавательной сущности науки к научному методу решения проблем экономического, социального, политического и культурного характера и получению обоснованных прогнозов будущего развития.

Н.Н. Моисеев писал: Мы на пороге новой культуры – синтеза глобального духовного сознания и глобального научного знания.

Можно привести большое количество примеров, подтверждающих, что синергетические модели современной постнеклассической физики применяются к сложным гуманитарным системам в динамической истории цивилизаций, возникновении этносов, самоорганизации социально-экономических процессов, кризисов развития человеческого общества, принципов устойчивого развития глобализма.

8.5.1 Структурность и целостность в природе. Фундаментальность понятия целостности

Важнейшим атрибутами природы является структурность и целостность. Они выражают упорядоченность ее существования и те конкретные формы, в которых она проявляется. Структура природы проявляется в существовании бесконечного многообразия целостных систем, связанных между собой. Из всего многообразия форм объективной реальности доступной для наблюдения является конечная область природы от 10^{-15 см до 10 28 см (около 20 млрд. световых лет), а во времени – до 1010} лет. В этих доступных нам масштабах структурность природы проявляется в ее системной организации, существования в виде множества иерархически взаимосвязанных систем: Метагалактика, отдельная галактика, звездная система, планета, отдельные тела, молекулы, атомы, элементарные частицы и др.

Разные уровни природы характеризуются разными типами взаимодействий. В масштабах 10^-13 см – сильное взаимодействие, целостность ядра обеспечивается ядерными силами, целостность атомов и молекул – электромагнитными силами, в космических масштабах – гравитационными силами.

С увеличением размеров объектов уменьшается энергия взаимодействия. Если принять энергию гравитационного взаимодействия за единицу, то электромагнитные взаимодействия в атоме будут в 10³⁹ больше, а взаимодействия между нуклонами в 10⁴¹ раз больше. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.

Живая природа также структурирована. В ней выделены биологический и социальный уровни. Биологический уровень включает подуровни: молекул (нуклеиновые кислоты, ДНК, РНК, белки и др.); клеточный, микроорганический; органов и тканей, организма в целом; популяционный; биоценозный; биосферный.

Система – это внутренне (или внешне) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям.

Слово «целостность» появляется в определении «системы» как её существенное свойство. Интуитивно оно воспринимается также и в качестве интегрирующего. Следовательно, у этого понятия есть двойная роль, двойная функция: аспектная и интегральная. Как их совместить? В рациональном мире работают научные методы, в эмоциональном действуют чувства. Начинались они обычно в рациональной области, затем устремлялись за предметом в область интуиции и там угасали, не в силах адекватно описать это понятие языком науки. Формализовать удавалось лишь какие-то следствия, эффекты, проявления целостности, и это были уже безжизненные схемы. Ф.И.Тютчев: «Мысль изреченная есть ложь». Настроение безнадёжности сильнее всего передал, пожалуй, А.Бергсон: «Действительность есть вечное становление, порыв, изменение, творчество, насилуемое формами мышления...» Формы эти старательно классифицируются, создавая нам разнообразие «научных картин». Мы, таким образом, обречены на «оформленность».

Будучи субстанциальным аспектом системы, целостность должна постигаться интуитивно. Постараемся напрячь нашу интуицию, развивая представление о целостности. При взгляде на объект извне это понятие ассоциируется с обособленностью, самостоятельностью, замкнутостью. Если же смотреть изнутри, то это слово обретает смысл лишь тогда, когда появляется представление о внешнем, т.е. при наличии открытости (через двери, окна, форточки). Таким образом, целостность соединяет в себе противоположные свойства (замкнутость и открытость), которые должны находиться в соотношении дополнительности, не отдавая друг другу полной победы. Прекрасно сказал Гёте: «Когда целое вполне обнаруживает себя, оно указывает на всё остальное, и в этом понимании лежит величайшее дерзновение, и величайшее смирение».

В процессе перестройки мышления на новую парадигму понятие целостности сражается с понятием полноты. На первый взгляд, это понятия близкие, родственные. Но уточнение их разводит. Стремление к полноте – вектор стратегии научного поиска в рамках прежней парадигмы. А целостная картина – всего лишь предварительный, приблизительный, эвристический этап, подлежащий преодолению на пути к полному знанию. Но что происходит при достижении полноты описания какого-либо объекта? Очевидно, остановка в его развитии, конец жизни, умирание. Идеал оборачивается гибелью. Этот парадокс повсеместно встречается как в сказках, так и в судьбах, и многократно описывался. Слова некогда известной песни «мы рождены, чтоб сказку сделать былью» сегодня воспринимаются иначе: «не надо сказку опошлять», ведь в жизни все не так как в сказке, все подчиняется закону возрастания энтропии, «не до жиру, быть бы живым».

Постепенно осознавалось, что жизнеспособным, самостоятельным, органическим системам свойственна скорее не полнота, а нечто другое, что лучше называть целостностью. Освоение этого понятия происходило в ходе становления системного подхода. Философское определение системы, включающее целостность, рождалось в муках и спорах, ибо понятие целостности не удавалось объяснить привычными, известными, ясными словами. М.К.Мамардашвили пишет об этом так: «Эффектами целостности или системности мы называем то, что не можем представить. Это вынужденное понятийное орудие... Мы имеем дело с чем-то, что мы в принципе не должны стремиться представить наглядно или модельно, с чем мы должны обращаться, как с символами. Никакой целостный эффект не разворачиваем в реальную совместность или последовательность объектов с их свойствами... Необходимо пересмотреть классические абстракции, ввести онтологический принцип неполноты бытия». Речь идёт о смене идеала, о переходе к целостности как к более фундаментальному понятию, чем полнота. Полные описания ограниченных моделей становятся, таким образом, лишь вехами на пути к постижению целостных объектов. В новой парадигме вектор стратегии поворачивает от полноты к целостности.

Принципиальная невозможность полного описания целостности связана также с непрерывным изменением мира. П.Г.Светлов в письме к А.А.Любищеву писал: «История есть продолжение сотворения мира и тем самым истина нам ещё далеко не открыта полностью... Мнение, что вся истина нам открыта и мы обладаем всем, что нужно для нашего спасения, а следовательно и беспокоиться больше не о чём, – одно из основных положений православного богословия, но это составляет предмет моего большого сожаления».

Полнота достигается фактически только на моделях. Итак, стремясь к целостности, надо отказываться от полноты. Чтобы лучше это понять, обратимся ещё к жанру исповеди, классические образцы которой дали Бл.Августин, Руссо, Л.Толстой. Идеал совершенства, чистоты, полноты предписывает стремление к предельной искренности, без оглядки на цензора, зрителя, внешний суд. Но попробуйте устранить этот второй план – и исповедь погибнет. Стремясь к завершённости, мы где-то начинаем удаляться от жизни, и оказываемся на похоронах. Идеал хорош до тех пор, пока мы не слишком к нему близки.

Ранее отмечалось, что целостность пропадает, когда нарушается соразмерность компонент системной триады, когда некоторые из них, так сказать, увядают. Но в сильной триаде возможна регенерация ослабевших свойств, восстановление их через другие компоненты, так что, как в Святой Троице, каждая ипостась способна являть целое.

Тяга к целостности есть тяга к жизни. Любопытно в этом плане наблюдение, которое сделал художник К.С.Петров-Водкин, исследуя триаду основных цветов «жёлтый-красный-синий». Он заинтересовался тем, что «у цвета имеется свойство не выбиваться из трёхцветия, дающего в сумме белый цвет, т.е. свет. Благодаря этому свойству сложный, двойной цвет вызывает по соседству нехватающий ему для образования трёхцветия дополнительный». В качестве примера он называет зелёный луч заката, синюю ночь у костра, красную дорожку на лугу. Это стихийное стремление к гармонии целого через мираж дополнения является свойством и человеческой психики. Действительно, не по той ли закономерности мы в истине хотим видеть добро и красоту, в любви обретаем надежду и веру, в правде чувствуем отблеск радости и пользы?

Природная тяга к целостности заставляет человека совершать поступки, трудно объяснимые с рутинных позиций. Тоскующая душа ищет выхода к гармонии, к счастью, к слиянию с мировой душой. Осознавая эту закономерность, можно говорить о путях восхождения, различая исходные позиции по аспектам системной триады.

Вырастая из прежней парадигмы, приходится преодолевать хронический рациональный уклон. Но как? Возможный путь: отказ от метода отрицания. Отучиться отвергать с порога непонятное, отвыкнуть от подозрительности к новому, перестать видеть в инакомыслящем врага. Пора осваивать принцип приятия: признание-сочувствие-доверие.

8.5.2. Принципы целостности современного естествознания

Следует отметить, что в настоящее время бурно развивается философия науки, которая существенно отличается от естествознания и по своим целям, и по методам исследования. Философия науки стремится к некоторому синтетическому взгляду на окружающий нас мир. Она включает в себя эпистемологию, методологию науки (в широком и узком смысле) и социологию научного познания, синергетическую онтологию .

Естественно-научное мировоззрение опирается, прежде всего, на основные принципы естествознания. По степени общности можно в первую очередь выделить принципы инвариантности, относительности, дополнительности, вариационные принципы . Затем следует выделить принципы сохранения энергии, необратимости, симметрии, инерции, дальнодействия, близкодействия и некоторые другие.

Отметим наиболее важные идеи, связанные с формулировкой самых общих принципов природы, а именно – идеи инвариантности, относительности и дополнительности.

Инвариантность. Категория инвариантности тесно связана с глубокой философской проблемой соотношения между относительной и абсолютной истиной. Если справедливость утверждения не зависит от системы отсчета, то такое утверждение называется инвариантным.

В связи с таким расширением понятия инвариантности можно сделать один парадоксальный вывод: всякое абсолютное относительно, а всякое относительное абсолютно. Е. Вигнер сформулировал концепцию трех уровней познания в физике, которая может быть распространена и на другие науки. Первый уровень познания – установление отдельных фактов (событий), второй – выведение общих законов посредством обобщения фактов или событий, третий – получение принципов инвариантности («сверхпринципов») посредством дальнейшего обобщения законов.

Инвариантность связана с симметрией и законами сохранения. Если речь идет о зеркальном отражении, то слово «инвариантность» заменяют словом «симметрия». Законы сохранения являются формой выражения принципов инвариантности. Инвариантность к смещению системы отсчета выражает собой: закон сохранения энергии – для смещения во времени, закон сохранения импульса – для смещения в пространстве, закон сохранения количества движения – для поворота.

У Аристотеля инвариантом является естественное (абсолютно неподвижное) место тела; у Декарта и Галилея неизменным состоянием стало уже не положение тела, а его скорость. В современной физике основным инвариантом служит масса.

Относительность. Принципы относительности связаны с принципами инвариантности. В своей наиболее простой и отточенной форме принцип относительности обычно формулируется так: «Законы классической механики инвариантны относительно перехода от одних инерциальных систем отсчета к другим». «Все механические процессы протекают совершенно одинаково во всех инерциальных системах отсчета». То есть все инерциальные системы отсчета равноправны с позиций механики; нет ни одной избранной, которую можно было бы предпочесть другой на том основании, что какой-то механический опыт в ней протекает иначе, чем в других инерциальных системах отсчета.

А. Эйнштейн обобщил этот принцип, сформулировав два постулата специальной теории относительности.

1. Все законы физики должны быть одинаковы во всех инерциальных системах отсчета, движущихся относительно друг друга поступательно и равномерно (с постоянной скоростью).

2. Скорость всех взаимодействий в природе ограничена скоростью света. Или скорость света одинакова во всех инерциальных системах.

Многие ученые предлагали называть специальную теорию относительности теорией инвариантности, поскольку в ней обосновывается существование двух важнейших инвариантов природы. Первым является постоянная скорость света, вторым – соотношение Е = mc² . Таким образом, в специальной теории относительности А. Эйнштейна произведено весьма полное обобщение как принципа относительности, так и принципа инвариантности.

Дополнительность. Принцип дополнительности, несмотря на его исключительную важность в науке, разработан совершенно недостаточно. Иногда этот принцип трактуется либо как синоним соотношений неопределенности, либо как логически и исторически вытекающий из него.

Н. Бор ввел «дополнительность» как принцип, согласно которому некоторые понятия в физике являются несовместимыми и должны восприниматься только как дополняющие друг друга. Соотношение неопределенностей представляет собой количественное выражение этого принципа. Н. Бор сформулировал свою наиболее отточенную формулировку принципа дополнительности: «Как бы далеко не выходили квантовые эффекты за пределы возможностей классической физики, описание экспериментальной установки и регистрации результатов наблюдения всегда должны производиться на обычном языке, дополненном терминологией классической физики. Это есть простое логическое требование, поскольку термин «эксперимент» в сущности, может применяться лишь для обозначения такой ситуации, когда мы можем рассказать другим, что сделали и что узнали в итоге». «Есть два вида истины – тривиальная, отрицать которую нелепо, и глубокая, для которой обратное утверждение – тоже глубокая истина». Можно сформулировать эту мысль иначе: содержательность утверждения проверяется тем, что его можно опровергнуть. Приведем еще одно высказывание Бора: «Никогда не выражайся яснее, чем ты думаешь». Понятие «истина» Бор считал дополнительным понятию «ясность». Он также полагал, что проблема «свободы воли» решается дополнительностью мыслей и чувств. Пытаясь анализировать переживания, мы изменяем их и, наоборот, отдаваясь чувствам, теряем возможность их анализа.

Принцип дополнительности применяется также в биологии, лингвистике и ряде других наук, но главную мысль, обобщающую этот принцип, можно выразить так: природная (сущностная) картина явления и его строгое математическое описание взаимодополнительны. Например, создание физической картины явления требует качественного подхода, пренебрежения деталями и уводит от математической точности. А точное математическое описание настолько усложняет картину, что затрудняет физическое понимание.

Очень емкой формулировкой принципа дополнительности является формулировка И. Пригожина, правда в вольной интерпретации: «Мир богаче, чем можно выразить на любом одном языке...».

Ярким методологическим принципом является принцип соответствия , предложенный Н. Бором: «Никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в этой области». Обобщенная формулировка принципа соответствия имеет вид: «Теории, справедливость которых установлена для той или иной предметной области, с появлением новых более общих теорий не устраняются как нечто ложное, но сохраняют свое значение для прежней области как предельная форма и частный случай новых теорий.

Основные подсистемы науки – естественные, общественные и технические. Характерно отсутствие резких граней между науками в настоящее время и междисциплинарные комплексные научные исследования. Наблюдается иерархичность: фундаментальные науки, изучающие основные закономерности развития материи и сознания, и практические науки, применяющие достижения фундаментальных наук на практике. Преобладание эмпирического знания было до начала XX века. Определяющая роль теоретического уровня научного познания – в современную эпоху. Качественное изменение эмпирического уровня на основании новых теоретических конструкций и информационных технологий.

Закономерностью развития естествознания является непрерывно-дискретный характер его развития. Скачкообразный ход развития науки при решении актуальных проблем характеризуется сменой типов научной рациональности.

В истории современного естествознания можно классифицировать глобальные естественнонаучные революции: аристотелевская, ньютоновская, эйнштейновская, пригожинская(?).

Принципиальное раздвоение каждой из фундаментальных научных проблем, как отражение принципа неполноты соответствующих теорий (теорема Гёделя). Усовершенствование первоначальной единой теории как решение альтернативных равноправных начал на примере развития синергетической парадигмы фундаментальности.

8.5.3. Самоорганизация в природе в терминах параметров порядка

Система может быть определена как комплекс взаимодействующих элементов (определение Берталанфи).

Систему можно определить как любую совокупность переменных, которую исследователь выбирает из числа переменных, свойственных реальному объекту (определение У.Р. Эшби).

Системой является произвольная вещь, на которой реализуется какое-то отношение, обладающее произвольно взятым определенным свойством. И двойственная формулировка: системой является произвольная вещь, на которой реализуются какие-то свойства, находящиеся в произвольно взятом определенном отношении (определение Уёмова А.И).

Системные исследования продвигаются вперед, имеют успех, несмотря на отсутствие общепринятого общего (абстрактного, для всех случаев справедливого) определения систе­мы.

Выделим для наглядности те характеристики, с которыми, прежде всего, ассоциируется наша интуиция системы: наличие системообразующего фактора (свойства или отношения), который выражает смысл системы; смысл системы часто называют эмерджентным свойством системы, т.е. свойством, которым обладает система, но не обладают какие-либо ее части сами по себе.

Система обладает структурой, посредством которой на определенном субстрате реализуется концепт и благодаря которой система есть то, что она есть, т.е. получает эмерджентное свойство. Структура есть не что иное, как отношения между элементами системы. Система содержит также элементы, которые упорядочены структурными отношениями.

Элементы и структура вторичны по отношению к концепту: концепт определяет, что является элементами системы и каково их структурное взаимоотношение, а не наоборот. Система является определенным единством, целостностью, индивидуальностью. Система как индивидуальность выделена из окружающей среды, отличается от нее. Системы нет без окружающей ее среды. Система имеет непространственную границу, которая отделяет ее от внешней среды. Система имеет каналы связи между системой и внешней средой, называемые входами и выходами системы.

В системных исследованиях очень часто бывает полезно изобразить систему графически. Для этого используются обычно две модели системы: модель черного ящика и модель белого ящика.

Модель черного ящика используется в тех случаях, когда особый интерес для исследователя представляет взаимоотношение системы со средой. Если у системы есть внешняя окружающая среда, то должна быть и связь системы с ней, какое-то взаимное влияние их друг на друга. Между ними должны быть и граница, и каналы связи – это схема модели «черного ящика», показанная на рис. 7.

Рис. 7. Модель «черного ящика» изучаемой системы

Характер связи системы с внешней средой, как правило, далеко не очевиден и часто требует специального изучения. Внешняя среда влияет на систему через каналы связи, называемые входами системы (см. рис. 9

модель «черного ящика»). Это название подчеркивает отсутствие сведений о содержании черного ящика, т.е. о внутренних характеристиках системы. В этой модели задаются, фиксируются только входные и выходные связи системы с внешней средой. Такая модель часто оказывается полезной, несмотря на кажущуюся простоту и бедность.

Если сигналы с выхода системы попадают на вход системы по каналу обратной связи в фазе (сдвиг фаз равен 0⁰ , либо 360⁰ ) то такую обратную связь называют положительной , если сдвиг фаз равен 180⁰ , то отрицательной .

Н. Винер связывал суть науки об управлении с организацией и самоорганизацией, которая рассматривалась им как антипод энтропии, фактор, противостоящий тенденции роста мирового хаоса.

Под самоорганизацией понимается способность к стабилизации некоторых параметров посредством направленной упорядоченности ее структуры с целью противостоять энтропийным факторам среды. Самоорганизация – это структура в действии.

Для процесса самоорганизации характерны следующие структурные компоненты и свойства:

1. Механизм управления, представленный в том или ином виде и отвечающий за получение, оценку, пе­реработку сигналов, несущих информацию и формулирование программы ответного действия.

2. Канал обратной связи.

К свойствам процесса самоорганизации относятся следующие:

1. Самоорганизующаяся система сохраняет состояние термодинамического равновесия.

2. Негаэнтропийный характер самоорганизующейся системы обеспечивается использованием управляющей информации.

3. Самоорганизующаяся система обладает функциональной активностью, (консерватизмом) выражающейся в противодействии внешним силам.

4. Самоорганизующаяся система обладает выбором линии поведения.

5. Целенаправленность действий.

6. Гомеостаз и связанная с ним адаптивность системы.

Рассмотрим механизм, обеспечивающий организационный процесс. Пусть имеется некоторая система с направленным, на нее внешним воздействием – вход системы. Вместе с вещественно-энергетическим потоком в нее попадает информация, представляющая собой собственную упорядоченность этого потока.

Эта информация оценивается в особом блоке системы – ме ханизме управления, которым может быть система сравнения, или «свой–чужой». Если последняя ломается, то это проявляется в виде «терроризма». Здесь же вырабатывается программа ответного действия, система реагирует на воздействие извне. В выходном вещественно-энергетическом потоке также имеется информационная составляющая. Часть ее по каналу обратной связи (см. рис.2.) поступает на вход системы и снова попадает в механизм оценки и переработки информации. В результате система получает сведения об эффективности ее ответной реакции и изменяет направление и интенсивность действия, если это нужно для самостабилизации.

Таким путем многократного самоконтроля системы получившие название «самоорганизующиеся», настраиваются на внешние факторы, достигают равновесия с условиями среды существования и тем самым сохраняют себя рис.2. Если сигнал с выхода через цепь обратной связи попадает на вход в фазе, то такая обратная связь называется положительной обратной связью, если в противофазе, то – отрицательной обратной связью. Первая способствует раскачке системы (например, качелей), второй вид обратной связи – стабилизации, торможению, детерминизму… Можно выделить три основные характеристики процесса самоорганизации систем: гомеостаз, обратная связь, информация.

Гомеостаз. Слово «гомеостаз» произошло от двух греческих слов: homois – подобный, одинаковый, сходный и stasis – неподвижность, состояние. Это относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма. Понятие «гомеостаз» применяют к биоценозам (сохранение постоянства видового состава и числа особей), в генетике, кибернетике. Таким образом, гомеостаз – то стремление живой системы сохранить стабильность своей организации, рода, популяции.

Гомеостаз присущ любому существу, любой живой системе. Стремление к гомеостазу – мощнейший фактор эволюции, открывает прямое влияние на интенсивность естественного отбора.

Разрушение организации живой системы означает ее гибель; живое всегда стремится сохранить свою стабильность – это факт эмпирический. Для неживой материи стремление сохранить свой гомеостаз выражен в принципе Ле Шателье–Брауна (принцип подвижного равновесия), который является следствием закона сохранения. Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нубудь из условий, определяющих равновесие, то равновесие смещается в том направлении, в каком эффект возмущающего воздействия уменьшается.

Устойчивость, доведенная до предела, прекращает свое развитие. Чересчур стабильные системы – тупиковые формы, развитие которых прекращается. Чрезмерная адаптация или специализация столь же опасна для совершенствования, как и его неспособность к адаптации. То есть стремление к гомеостазу должно компенсироваться другими тенденциями, определяющими рост раз­нообразия.

Механизм обратной связи – это механизм, определяющий изменение состояния, являющийся реакцией на внешнее воздействие и определяющийся этой реакцией.

Существуют отрицательные обратные связи , которые поддерживают гомеостаз, т.е. компенсируют внешнее воздействие (сохраняют динамическое равновесие) и положительные обратные связи , которые ухудшают стабильность системы и приводят, в конце концов, к возникновению новой структуры. Стремление к гомеостазу формирует механизмы не только отрицательных, но и положительных обратных связей, так как оно компенсируется тенденцией разнообразия. Одна из таких тенденций порождается принципом минимума диссипации энергии (рассеяния энергии). Суть этого принципа: если допустимо не единственное состояние системы, а целая совокупность состояний, согласных с законом сохранения энергии и принципами, а также связями, наложенными на систему, то реализуется то состояние, которому соответствует минимальное рассеяние энергии, или, что тоже самое, минимальный рост энтропии (рыба ищет – где глубже, человек – где лучше, и никто не перетрудиться, так устроена мудрая консервативная природа)

Живые системы – это всегда открытые системы. Живым системам свойствен метаболизм, т.е. обмен энергией и ве­ществом с внешним миром (обмен веществ), без которого они существовать не могут. Одной из ведущих тенденций развития живых систем является стремление к наибольшей степени использовать энергию внешней среды, уменьшая тем самым свою локальную энтропию.

Это является эмпирическим фактом: так же, как и стремление сохранить гомеостаз, живому свойственней стремление так изменить систему, направить эволюционный процесс в такую сторону, чтобы увеличить способность системы усваивать внешнюю энергию и вещество.

Таким образом, одной из особенностей любого из важнейших эволюционных процессов, протекающих в живом мире, является противоречие между тенденциями к стабильности, т.е. сохранению гомеостаза, и укреплению отрицательных обратных связей, и тенденциями к поиску новых, более рациональных способов использования энергии и вещества, т.е. укреплению положительных обратных связей. Способы решения этих противоречий могут быть различными, и это обстоятельство ответственно за самые разнообразные организационные формы материального мира.

Распространена теория двойственной обратной связи, согласно которой обратная связь в природных системах представлена в двух формах: информационной и неинформационной. Считается, что неинформационный тип распространен в неживой природе, а информационный появляется, начиная с органического уровня материи. Организация систем в живом мире порождает совершенно иной, новый тип механизмов развития, неизвестный в неживой природе, содержащий механизмы комбинированной (положительной и отрицательной обратной связи, переключающиеся в зависимости от результата воздействия среды) обратной связи. Это и есть та главная особенность, которая отличает живое от неживого. Однако некоторые прокариоты и вирусоподобные существа, традиционно относимые к живому миру, по-видимому, все-таки лишены способности формировать петли комбинированной обратной связи.

Содержание понятия информации тесно связано с понятием отражения. Отражение – всеобщее свойство движущейся материи, которое выражается в способности любого объекта на воздействие извне отвечать определенным действием. Способность каждого предмета или явления реагировать тем или иным способом на воздействие извне сопровождается определенными изменениями своей структуры, в результате чего отражаемым и отражающим объектами устанавливается соответствующее структурное отношение.

Таким образом, информация – это отраженная структура, воспроизводящая структуру оригинала, отраженное разнообразие. Растительный мир, животный мир, мыслящий человек и человеческое общество – это гигантская иерархия систем с информационной самоорганизацией.

Теория информации – это раздел кибернетики, занимающийся методами описания, оценки, хранения, передачи и использования информации Основные понятия теории информации – количество информации, емкость, пропускная способность канала связи и скорость передачи информации по нему.

Изменения, происходящие в системе в результате отражения или спонтанно, реализуются в форме вещественных или энергетических сигналов. Информация – это содержание сигнала, а значит, содержание отражения и изменения вообще.

Т.о можно говорить, о двух видах информации: информация как мера неоднородности распределения материи и энергии в пространстве и времени, мера разнообразий (сложности, организации, порядка), мера изменений, которыми сопровождаются все протекающие в мире процессы; информация как форма мышления, которое является высшим продуктом мозга.

Контрольные вопросы

1. Что такое «стрела времени»?

2. Перечислите основные свойства времени.

3. В чем причина необратимости времени?

4. Что такое самоорганизованная пространственная диссипативная структура в неживой природе?

5. Приведите пример самоорганизованной временной диссипативной структуры в неживой природе

6. В чем заключается химическая основа морфогенеза – возникновение сложной структуры живого организма в ходе эмбрионального развития?

7. Приведите пример самоорганизации системы в живой природе.

8. Приведите примеры эволюционного развития в микро-, макро- и мегамире.

9. Что такое самоорганизация?

10. Что такое синергетическая среда?

9. ПУТЬ К ЕДИНОЙ КУЛЬТУРЕ. СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПАРАДИГМА ФУНДАМЕНТАЛЬНОСТИ

9. 1. Методология постижения открытого нелинейного мира

XXI век характеризуется бурным экспоненциальным ростом научных знаний. Человечество знает и умеет значительно больше, чем может осмысленно использовать. Это породило серьезную про­блему, ранее не стоящую перед человеком: противоречие между его глобальным планетарным могуществом и недальновидным эгоистичным мышлением.

Известный научный деятель Чарльз П. Сноу сформулировал проблему, которая не потеряла и сегодня своей актуальности об увеличивающемся разрыве между культурой естественнонаучной и культурой гуманитарной.

Однако при внимательном рассмотрении проблемы само разделение наук на гуманитарные , изучающие человека во всех проявлениях, и естественные, исследующие закономерности окружающего нас мира, в настоящее время выглядит не совсем актуально. В настоящее время в науке отчетливо выделяются два параллельных процесса: дифференциация различных областей научного знания, приводящая к появлению узких специалистов и все более усиливающиеся интегративные тенденции в науке, сопровождаются проникновением представлений и исследовательских методов из точных наук в гуманитарные и наоборот. Следует объединять усилия различных научных дисциплин, а не возводить между ними непреодолимые преграды.

Одной из важнейших задач современности является гармоничное развитие человека и устранение противоречия между гуманитарной и научно-технической формати культуры.

В задачу данного курса входит с одной стороны демонстрация единства современного естествознания как единой науки со своим предметом исследования, а с другой стороны обоснование положений, по которым ясно видно, что современное естествознание, в значительной степени, является основой любого знания – и естественнонаучного и гуманитарного.

Гуманитарное содержание современного естествознания связано с развитием мышления (нелинейного, синергетического), формированием мировоззрения, воспитанием чувств.

Поскольку «подрастающее поколение старается усваивать истину сразу», наиболее «продвинуто» в части освоения предметов высоких технологий и не любит ждать,необходимо разрабатывать для изучения современного естествознания новых средств обучения, в частности универсальный биоадаптивный учебно-методический (мультидисциплинарный дидактический комплекс ) каковым является настоящий учебник . Поэтому для современного познающего субъекта удобным видом учебного пособия может стать учебник, написанный в духе синергетической парадигмы фундаментальности , являющийся системообразующим компонентом синергетической образовательной среды современного естествознания . Таким, по мнению авторов, и является предлагаемый учебник, читатель которого убедится в этом, познакомившись с его содержанием.

Существуют различные виды оснований науки в соответствии с важнейшими разделами философии: онтологиче ские, гносеологические, логические, аксиологические, социальные . Приведем примеры каждого из указанных видов философских оснований. Онтологическое : «Бог не играет в кости» (А. Эйнштейн); гносеологическое: «Все объективно значимые теоретические понятия науки должны быть сводимы к – эмпирическим» (Э. Мах); аксиологическое : «Истина – высшая ценность науки» (К. Поппер); социальное : «Содержание науки определяется практическими потребностями общества» (Дж. Бернал). Не существует единых философских оснований для всех наук, их выбор определяется для разных наук многими факторами, важнейшие из которых – талант, воля и авторитет создателей новых фундаментальных теорий.

Современное состояние научного знания характеризуется тенденцией к междисциплинарному взаимопроникновению.

Междисциплинарным синтезирующим статусом сегодня обладают системный подход , и его наиболее конструктивная часть: синергетический подход (системный подход в узком смысле) и все большие эвристические возможности раскрывает синергетическая образовательная среда и теория фракталов. Имеются веские основания полагать, что рефлексивное обращение фрактальных представлений на саму социальную деятельность субъекта и, в особенности, на его познавательную деятельность обернется новым концептуальным сдвигом в решении классических философских проблем качественного образования.

Необходимость такого рода рефлексивного обращения, прежде всего, связана с тем, что сложность системы социальной деятельности (по критериям числа взаимодействующих элементов и уровней организации) возросла настолько, что традиционные подходы уже не справляются ни с полной оценкой ситуации, ни, тем более, с прогнозом последующих состояний. В особенности это касается ключевых для современности видов деятельности, какими являются учебно-познавательная и управленческая. Именно здесь фрактальные представления о структурном подобии час ти и целого выводят нас на новые возможности решения проблем совместной человеческой деятельности.

Предметом рассмотрения выступают отношения инвариантности и подо бия , которые связывают целостные системы и процессы социальной человеческой деятельности с каждым ее элементом и этапом, а именно особые виды деятельности, которые феноменологически проявляют структуру деятельности во всей ее сложности и полноте: это управленческая и учебно- познавательная деятельность в синергетической среде.

Основная гипотеза заключается в том, что между элементами и подсистемами различного уровня познавательной деятельности существуют отношения фрактального подобия , которые обуславливают органический характер совместной, познавательной деятельности . Эти отношения носят объективный характер, но в своей полноте способны реализоваться только через цикличное рефлексивное управление этой деятельностью в специально спроектированной синергетической образовательной среде .

Следуя духу гегелевской диалектики, необходимо подчеркнуть, что движение «цель – средство – результат» отражает многомерную иерархию узловых противоречий. При этом каждый узел фрактально раскладывается в свое собственное подобие. Смысл – это то, что сужает коридор возможностей, ограничивает их число, одним словом смысл есть то, что создает переход от настоящего к будущему (или от прошлого к настоящему). Нет движения вне направления, и движения выше цели. Цель, противоречащая законам движения и не отвечающая его направлению – бессмысленна. Не цель придает смысл развитию, а развитие – цели. Осмысленные цели достижимы и лежат в русле от прошлого к будущему.

Гегель впервые представил деятельность как самоизменение и саморазвитие объективного духа, под которым он понимает разум в человеческой родовой жизни , т.е. сверхиндивидуальную целостность, возвышающуюся над отдельными людьми и проявляющуюся через их различные связи и отношения. В современном представлении это духовная часть (компонента) синергетической среды. Логику Гегеля (тезис–антитезис–синтез) можно представить как «квазифрактал» развития, «фрактальная структура самопорождения смысла» любых изменений в системах и саморазвития различной природы. Обычные, простые виды деятельности не содержат организационно-управленческих уровней иерархии, которые имеют наиболее сложные формы деятельности и позволяют увидеть любую познавательную, управленческую и образовательную деятельность как циклическую и фрактально-иерархически-древовидную структуру. Труд праксеологически ориентирован лишь на практически полезный – общественно-необходимый результат.

«Методология деятельности в синергетической среде» как основание новой парадигмы берет начало в самой структуре научного познания, когда центр внимания переместился с равновес­ных процессов и структур на неравновесные, устойчивость к новому пониманию роли стохастического фактора в понимании природы реальных процессов, к созданию теории самоорганизации открытых систем и к разработке фрактально-синергетической теории Природы и ноосферы. Концепция созидания синергетической среды открытого образования предполагает обеспечение на базе высоких наукоёмких технологий полной академической свободы личности в выборе форм, способов и места доступа к потребному всемирному знанию с минимальными энергетическими и номинальными интеллектуальными затратами.

На наш взгляд модель деятельности в синергетической технологии открытого образования есть не что иное, как фрактальная система самопорождения смысла.

Внедрение высоких информационно-коммуникационных технологий в образовательные структуры и процессы управления ведет к их коренному изменению, интенсифицируют создание принципиально новых познавательных, управленческих и образовательных технологий, новых технологий сбора, хранения, обработки и передачи информации, возникают новые информационные потоки между субъектами и объектами в управленческих и образовательных процессах.

Нами на протяжении многих лет исследовалась и проектировалась синергетическая среда в образовании, как новое направление в современной дидактике. Эволюция подхода и апробирования его на познавательной, управленческой, образовательной и воспитательной деятельности позволило нам создать системогенетическую модель познавательной, управленческой и образовательной деятельности в синергетической среде (см. рис.8). В качестве методологического основания служила синергетическая образовательная среда в образовании. В основе модели лежат гносеологические, онтологические, методологические и праксеологические процедуры системной деятельности и мыследеятельности, включающие следующие умственные действия, приемы и операции: по логической схеме процесса: сравнение, анализ, абстрагирование, обобщение, синтез, классификация, индукция, дедукция, инверсия, рефлексия антиципация, гипотеза, эксперимент и др.; по функциям классификации: прогностическая (индукционная), познавательная (гностическая) и измерительная (праксеологическая) процедуры; по типу логики мышления: рассудочно-эмпирические (классически-логические по Аристотелю) и разумно-теоретические (диалектико-логические, по В.В. Давыдову), синергетический стиль мышления (по А.И. Бочкарёву); по форме результата: создание нового образа, определение понятия, суждение, умозаключение, теорема, закономерность, закон, модель, теория.

Модель познавательной, управленческой и образовательной деятельности содержит разделенное пространство (рис.8.) на реальный (внизу) и рефлексивный мир (вверху). Левый верхний квадрант для рефлексивного мира отражает зону Веры и, в пределе, веру в Бога. Правый верхний квадрант отражает зону Науки (Разума) и, в пределе, веру в Абсолютную истину или в «Абсолютный дух» Гегеля. Нижний левый квадрант соответствует материальному миру, а справа миру искусственного, всего, что создано человеком и современными технологиями. В центре находится субъект-субъектная подсистема познания, управления и учения, владеющая процедурами системной (синергетической) мыследеятельности: индукцией, обобщением, дедукцией, анализом и синтезом; методами классификации, моделирования и абстрагирования, инверсией, рефлексией, способами сравнения, измерения, выдвижения гипотез, проведения экспериментов, проектирования и конструирования, прогнозирования и планирования, синергетическим стилем мышления и др., в конечном итоге замыкающимися на практическую деятельность − праксеологическую составляющую спирального цикла познавательной, управленческой и образовательной деятельности.

Важным в этой модели можно считать факт: любой истинный квант знания − «когнитон» − получается как результат полного витка спирального цикла познавательной, управленческой и образовательной деятельности, охватывающей все пространство через синергетический метаязык (штриховая кривая по ходу часовой стрелки, охватывающая все квадранты и сходящаяся в центре), «понятный естественнику и гуманитарию». Проходя всю логическую цепочку, будущее знание, начинаясь как факт, частность, свойство, затем накапливается и посредством метода индукции превращается в общее свойство − метазнание . Дальнейшее применение к «общему метазнанию» методов анализа и синтеза, классификации, моделирования и абстрагирования превращает метазнание, в форму «абстрактного метазнания», «чистой идеи», обладающей качествами красоты и гармонии. Но абстрактное метазнание для своего превращения в истинное знание еще должно быть проверено практикой, экспериментом. Для этого существуют дедуктивные процедуры: выдвижение гипотез, проведение экспериментов, проектирование и конструирование, прогнозирование и планирование. И, наконец, самый прагматический критерий истины − практическая деятельность на базе нового знания с получением полезного продукта или появления новой добавленной стоимости.

Рис.8. Модель познавательной, управленческой и образовательной деятельности в синергетической среде

Пронизывающий всю модель синергетический метаязык (похожий на четыре языка, повторяющие цикл «по часовой стрелке» на рисунке показан штриховой линией), можно интерпретировать, как: язык общения с первопричиной, Богом; язык науки, техники и, наконец, язык Природы, к которому призывал Тамм: «…наша первейшая задача – научиться слушать природу, чтобы понять ее язык».

На границе модели (рис.8) нижнего и верхнего левых квадрантов показано отношение материи (первичности её) к сознанию (по ходу часовой стрелки циклов), что соответствует марксистскому толкованию «первичности материи и вторичности сознания». На границе верхнего и нижнего правых квадрантов искусственной половины пространства показано отношение со-знания (совместного, коллективного знания) к со-бытию (совместному бытию), которое синергетически можно трактовать, как «совместное знание определяет совместное бытие».

На модели в центре изображена совокупность взаимодействующих субъектов, Веры и Науки, Естественного и Искусственного разделенная извилистой нечеткой границей, символизирующей гармонию мужского и женского начала ЯН-ИНЬ, (число 69), которое при повороте остается себе инвариантным, самоподобным. Это согласуется с пониманием человека как смысловой модели мира. Такая идея в изображении модели удобна также для выяснения дидактических принципов созидания высокой синергетической образовательной среды.

Вера может быть определена как принятие чего-либо за истину, не нуждающуюся в необходимом полном подтверждении. На протяжении многих лет философы стремятся логически обосновать правомочность индукции как метода мышления, выводящего будущее на основе прошлого, или как способ превратить неполную информацию в полную. Однако согласно известной теореме К. Гёделя о невозможности полной формализации знаний полнота недостижима, а целостность реальна . Таким образом, вектор постижения в синергетической парадигме фундаментальности направлен «от полноты к целостности» . Любая деятельность организуется на базе знаний, содержащих пробелы, или на основе неполной информации, дополненной «угадыванием», «домыслом» или «верой».

Мышление человека богаче любых дидактических форм. Слова утверждение, подтверждение имеют корень веры, поэтому классическую науку часто сравнивают с «научной религией». Для всех живых систем «опережающее отражение действительности» П.К.Анохина, понимаемое как форма и содержание процесса существования живых систем, основано, во-первых, на предшествующем самоотражении потребного прошлого; во-вторых, на непрерывном поддержании и корректировке отражения настоящего; в третьих, как отражение потребного будущего − является биологической необходимостью . Многократно подтвержденная опытом вера может превратиться в знание либо в метафизику.

Поэтому, индуктивная форма поведения у человека была выработана и закреплена в процессе биологической эволюции. Биологическая эволюция была бы вообще невозможна, если бы не элемент «веры» в успех нацеленных на будущее реакций, встроенный в каждую клетку живого вещества и носящий фрактальный характер . К настоящему времени известны четыре вида познания: эмпирическое, на учное, художественное, сокровенное.

9.2. Чему «учат» концепции современного естествознания?

Современные концепции естествознания в своей совокупности образуют то, что часто называют неклассической и постнеклассической наукой. Концептуальными науками классического естествознания были, как известно, механика Ньютона, классическая космология, электродинамика Максвелла, термодинамика Клаузиуса, теория эволюции Дарвина, физиология Павлова, теория бессознательного Фрейда и т.п. Несмотря на очевидное содержательное различие перечисленных концепций классического естествознания, все они исходили из неких общих принципов, которые считались единственно научными. Это − принцип детерминизма (господства однозначных причинно-следственных отношений между явлениями природы), принцип чистой объективности научного знания, принцип абсолютной истинности научного знания, принцип невозможности альтернативных научных истин об одном и том же предмете, принцип непрерывного, постепенного развития науки, принцип наличия универсального научного метода, принцип прогрессивного развития научного знания и др. Чему учат нас современные концепции естествознания? Прежде всего, − всему естественнонаучному знанию; всему развитию науки присущи скачки, революционные концептуальные изменения; возможно принятие качественно несовместимых с прежними теориями концепций в одной и той же области науки. Сам по себе релятивизм еще не означает утверждения субъективного характера научного знания, а лишь отрицает его объективно-трансцендентальный характер.

Другой революционный шаг в развитии естествознания, в становлении неклассической науки был связан с возникновением и утверждением квантовой механики − другой фундаментальной концепции современного естествознания. Если Эйнштейн разрушил веру в трансцендентальный, абсолютный характер научного познания, в возможность абсолютно истинной научной картины мира, то создатели квантовой механики: Бор, Гейзенберг, Борн, де Бройль и др. подорвали всеобщность и непререкаемость другого фундаментального онтологического принципа классического естествознания − детерминизма, принципа господства в природе причинно-следственных законов, имеющих необходимый характер связи причины и следствия («причина всегда с необходимостью порождает свои следствия», «следствие всегда есть необходимый результат какой-то причины»).

В отличие от классической механики, в квантовой механике выдвигается поло­жение о принципиально вероятностном характере поведения любых физических тел, а не только микрообъектов, как это иногда полагают. Невозможность однозначного описания движения тел связана с теми ограничениями, которые накладывает принцип неопределенности Гейзенберга на возможность одновременно абсолютно точного измерения многих сопряженных величин, входящих в физические законы. Согласно этому принципу невозможно одновременно точно измерить координату и скорость (или импульс) тела и тем самым однозначно предсказать его будущее состояние. Нижняя граница неопределенности устанавливается постоянной Планка, но преодолеть это значение неопределенности невозможно в принципе. Таким образом, согласно квантовой механике, условия физического познания мира дают возможность описывать его адекватно только вероятностно. Необходимые же законы, которыми оперирует классическая наука, суть не что иное, как огрубленное, неадекватное описание действительности, которое, правда, часто целесообразно из прагматических соображений простоты, когда для многих случаев успешной практики не требуется подлинной точности.

Квантовая механика сформулировала важный для науки тезис: с точки зрения возможностей человеческого познания мир вероятностен, им управляет вероятность, а не необходимость, а в основе вероятности неизбежно лежит множество случайных событий.

Современное естествознание преподносит человечеству уроки.

Первое. Для большинства объектов и систем невозможно их единственное непротиворечивое описание, поскольку многие из них наделены частично или полностью взаимоисключающими свойствами, например − фотоны и электроны обладают и корпускулярными и волновыми свойствами. Поэтому полное их описание возможно только в виде двух дополняющих друг друга картин − волновой и корпускулярной . Свойства волны и частицы у элементарных объектов диспозиционны, а реально они проявляют себя всегда либо как волны, либо как корпускулы. А как конкретно они себя проявят в каждом случае – зависит от условий их познания, в частности от условий наблюдения с помощью различных приборов. Таким образом, с точки зрения квантовой механики физическая истина не только относительна, но и субъект-объектна, поскольку условия познания (наблюдения) существенно влияют на результат познания и не могут быть элиминированы из последних в принципе, как это допускала классическая механика.

Второе . Абстракция чисто объективного познания физичес­кой реальности при исследовании классических объектов с большими массами и относительно малыми скоростями (по сравнению со скоростью света) полезна с практической точки зрения, (так как отвлекается от малых − с точки зрения макропрактики − величин, значительно упрощая при этом описание реальности), но она неверна теоретически, с философско-гносеологической позиции. Таким образом, философские основания классической и неклассической механики не просто различны, но и отрицают друг друга, т.е. несовместимы.

Важным показательным уроком динамики естествознания стало создание современной космологии, которая сознательно положила в фундамент своих философских оснований распространение принципа эволюции с живой природы также и на всю неживую природу, поместив начало его действия в точку сингулярности, т.е. в момент Большого взрыва − начало образования нашей Вселенной. Более того, современная космология исходит не только из универсального характера действия принципа эволюции, но и вводит в число своих философских оснований так называемый антропный принцип , согласно которому эволюция во Вселенной носит целесообразный, направленный характер, а целью ее (эволюции) является порождение разумных существ − человека в частности. На языке теории систем и кибернетики это означает, что вся Вселенная по существу является системой с рефлексией, т.е. самопознающей и самоуправляемой системой с самого начала своего возникновения (и в данном случае несущественно − с вмешательством Творца или нет).

Как показывают многочисленные физические и математические расчеты, без допущения антропного принципа , или принципа рефлексивного характера Вселенной как системы, невозможно объяснить очень тонкий механизм согласования многих наблюдаемых фундаментальных физических констант и законов. С точки зрения научного мышления вероятность того, что эти тонкие физические согласования носят случайный характер, должна быть приравнена к нулю. С этих позиций взгляды ранних античных философов о разумном устройстве космоса и о «нусе» (Анаксагор) как о естественном объективном разуме − высшем законе природы, равно как и взгляды объективных идеалистов об объективном (внечеловеческом) характере мышления не кажутся такими уж фантастическими и сказочно умозрительными. Можно утверждать, что именно современная космология являет собой начало и яркий образец того, что многие называют постнеклассической наукой, приходящей на смену неклассической науке, парадигмальную основу которой составляют теория относительности и квантовая механика. Сущность современной постнеклассической науки действительно состоит в том, что она перешла к изучению сверхсложных, в высшей степени организованных систем, часто включающих в себя человека в качестве одного из своих важнейших элементов и подсистем (биосфера, геосфера, техносфера, экономика, глобаль­ные проблемы и т.п.).

Наконец, последний и по времени, и по важности для мировоззрения – из уроков современного естествознания связан с возникновением и бурной экспансией во все фундаментальные области современной науки (механика, физика, химия, биология, космология, техника) идей новой фундаментальной концеп ции современного естествознания − синергетики. Возникнув в 50-х годах XX в. как вполне безобидное распространение идей классической термодинамики на описание поведения открытых стохастических механических систем при взаимодействии их с окружающей средой путем обмена с ней энергией, массой и информацией, творцы синергетики (И. Пригожин, Г. Хакен, С. Курдюмов и др.) обнаружили, что в открытых диссипативных системах в целом не действуют линейные зависимости при описании поведения отдельных элементов такой системы и системы в целом. Диссипативные системы эволюционируют не постепенно, а в целом − скачкообразно, а на самой траектории их эволюции всегда есть выделенные точки (бифуркационные точки ), где происходит «выбор» одной из множества возможных траекторий следующего этапа эволюции системы. В точках бифуркации выбор системой дальнейшей траектории движения определяется в целом случайным образом и не связан линейной или причинной зависимостью с ее предшествующими состояниями (в этих точках система как бы «забывает» весь свой прошлый опыт).

Современное естествознание меняет свой концептуальный облик, переходя при описании движения и взаимодействия своих объектов с языка линейных уравнений и причинно-следственных зависимостей на язык нелинейности и кооперативных, резонансных связей между объектами. Фактически налицо новая революция в естествознании, но своей методологической значимости ни в чем не уступающая появлению в свое время таких теорий, как неевклидова геометрия, эволюционная теория Дарвина, теория относительности и квантовая механика. Новая парадигма современного естествознания − синергетика является выражением, обоснованием и универсализацией идеи нелинейного (синергетического) мышления в науке, основанного на признании синергетической парадигмы фундаментальной и творчески-конструктивной роли случая в мире природы, значимость и вес которого в структуре бытия, по крайней мере, не меньше законосообразности, а тем более − необходимости. По существу, квантовая механика нанесла лишь первый и притом отнюдь не смертельный удар по лапласовскому детерминизму. По-настоящему это сделала лишь синергетика , изящно и естественно объяснив вторичность порядка по отношению к хаосу , возможность математически обосновать происхождение первого из второго (а впрочем, откуда же было, спрашивается, и взяться порядку, как не из хаоса). Одной из самых трудных философско-методологических проблем, стоящих перед современным и будущим естествознанием, является проблема совместимости, увязки в одно теоретическое целое современной космологии и синергетики. На этом стыке человечество ожидает очередная научная революция.

И самый главный урок современного естествознания заключается в том, что как бы ни была велика относительная самостоятельность, мощь науки и ее роль в развитии цивилизации, ученые всегда должны помнить, что их главное предназначение − способствовать продолжению человеческого рода, его духовному и материально-энергетическому росту и могуществу.

Не богатство и не власть, а знания в сочетании со здоровьем представляют истинные ценности в жизни.

9.3. Основные черты современного естествознания

Выделим несколько характерных черт современного естествознания.

1. Развитие естествознания в XVII-XVIII вв. и вплоть до конца XIX в. происходило под подавляющим превосходством механики, так что основными критериями естествознания были законы механики.

В этот период развитие естествознания направлялось классической механикой и только в течение 2÷3 последних десятилетий ее влияние существенно ослабло. В настоящее время согласно высказывания В. И. Вернадского: «для научной работы нашего века удобным учитывать, что научная картина мира не может быть сведена всецело к движению, даже в своем материальном выражении. Еще недавно такое сведение являлось идеалом научной работы». Таким образом, основным термином XX столетия становится «организованность» вместо основного термина столетия XIX, которым можно считать термин «движение».

2. Современное естествознание, исследуя оценку сложного осознало, что простота не присуща ни бесконечно малому, ни бесконечно большому. В первом нет «кирпичиков мироздания», у второго нет абсолютного предела.

От открытия электрона и других элементарных частиц ученые надеялись построить периодическую систему, аналогичную системе Менделеева. Однако после 1965 г., когда число открытых частиц превысило 200, стало ясно, что это невозможно. Частицы оказались слишком разными, и до сих пор ученые не знают такого параметра, по которому их можно классифицировать.

«Простоту» и соответствующие ей понятия следует искать в реальном мире, непосредственно окружающем человека (с учетом всех его взаимодействий с окружающей средой). Впервые данное положение было осознано выдающимся современным ученым И. Р. Пригожиным. Это привело к тому, что в естествознании сейчас особенно остро осознается необходимость нового диалога человека с природой и поднимается вопрос о разработке конкретных методов для такого диалога.

Одним из проявлений стремления к подобному диалогу является возникновение в XX в. наук биосферного класса. Эти науки отличаются тем, что они признают наличие наблюдателя, творческого субъекта, который вносит в процесс исследования свое отношение к протекающим процессам. Пожалуй, наиболее отчетливо основные идеи наук биосферного класса проявились на стыке биологических, географических и геологических наук.

3. Возникновение наук биосферного класса, в которых все процессы рассматриваются во взаимосвязи, а также в единстве взаимообусловленности их проявлений. Возникновение наук биосферного класса связывается с именем В. В. Докучаева, который определил понятие «почва», в которой сходятся все основные земные оболочки: литосфера, гидросфера, атмосфера, биосфера, ноосфера.

Литосфера проявляет себя как совокупность минеральных частиц, обломков различных горных пород и минералов, образующих матрицу почвы; гидросфера – как совокупность различных типов влаги и форм ее существования. Почва тесно связана с атмосферой, воздух является важнейшим компонентом почвы. Не случайно такое внимание уделяется аэрации почвы, различным способам ее рыхления: от механических до биологических (например, рыхление дождевыми червями). Почва тесно связана и с биосферой: в ней живут микробы, происходят процессы, обусловленные деятельностью живого. Без этих «вкладов» почва была бы мертва. Скажем, если почва не дышит или если в ней нет влаги, то она уже не может быть тем чудом природы, которое обеспечивает произрастание из маленьких семян овощей, злаков, деревьев. Это чудо рождения живого есть результат гармоничного сочетания всех перечисленных выше факторов. Почва связана с ноосферой (духовностью). Когда говорят «человек любит почву», то это не просто метафора. Любящий почву человек рассматривает себя как продолжение происходящих в ней процессов. Между этим человеком и почвой нет отчуждения, поскольку он знает, когда почву нужно поливать, когда подкармливать, когда делать посадки и снимать урожай.

4. Всеобщность циклов, их тесная связь с организованностью и самоорганизацией. Оказалось возможным свести многие устойчивые равновесия к соответствующим циклам. Можно сказать, что все в природе сводится к циклам. Циклы, связанные с движением звезд, планет, были замечены еще в глубокой древности. Но именно в современном естествознании было отчетливо осознано, что устойчивые равновесия обеспечиваются циклическими процессами, круговоротами энергии, вещества (информации) в природе. Методы циклов активно используются в термодинамике, различные типы круговоротов исследуются в биологии, географии, почвоведении и т.п. Современные ученые-естествоиспытатели обнаружили циклы во всех природных, земных сферах – в литосфере, гидросфере, атмосфере, биосфере. Выявлены циклы и в осадконакоплении, сейсмичности, составе газов, изменении уровней самых различных водоемов, уровней подземных вод и т.д. Ученые выяснили, что в жизни Земли существуют ритмы от часа и менее до сотен миллионов лет и эти ритмы имеют определенную иерархическую подчиненность.

Через исследование природных циклов и соответствующих им равновесий естествознание вплотную подходит к исследованию ритмов природы, космоса, бытия. Дальнейшее развитие человечества возможно только при ориентации на эти ритмы. Подобные мысли неоднократно высказывались в религиях, прежде всего в даосизме, а также в астрономии, биологии, физике, химии, медицине, экологии, и, наконец, в искусстве и литературе. Но только сейчас из них начинает формироваться единое мировоззрение на основе планетарного, синергетического мышления.

5. Тесная взаимосвязанность специальных естественно-научных дисциплин между собой. Появление значительного числа пограничных наук.

В настоящее время углубляются связи между астрономией и географией, биологией и медициной, совершенствуются методы математики, обеспечивающие взаимосвязи между естественными науками. В XX в. упор в исследованиях вследствие усложнения задач переносится на новые проблемы, так что возникли целые науки такой «проблемной ориентации», например, мерзлотоведение (геокриология), океанология, где на первый план выдвигается исследование конкретной части земной оболочки вместе с соответствующими ей проблемами. Важность перехода в современных исследованиях от узкоспециальных задач к проблемам подчеркивал В. И. Вернадский.

6. Тесная взаимосвязь современного естествознания с процессами формирования ноосферы. Под ноосферой понимается сфера разума, но разработано это понятие еще совершенно недостаточно. Однако точка зрения, что ноосфера есть одно из природных равновесий, являющихся естественным продолжением равновесий, возникших в биосфере, позволяет рассматривать это понятие в тесной связи, как с естественными науками, так и с духовностью.

С 70-х годов в разных разделах естествознания накопились открытия, требующие пересмотра основных мировоззренческих установок. Все большую роль играет информация. Компьютеры не только позволили проводить вычисления с огромной точностью, скоростью, исследовать сложнейшие процессы, они помогли иначе взглянуть на многие физические и математические теории, привели к появлению новых идей и методов, междисциплинарных подходов, изменив тем самым облик естествознания.

Оказалось, что интенсивные взаимодействия описываются нелинейными уравнениями, для которых нет общих рецептов решения. Нелинейность приводит к ряду новых эффектов, которыми не обладали линейные системы. В сложных открытых системах, например, вдали от равновесия появлялись упорядоченные состояния. Возникновение их не связано с конкретной природой рассматриваемых систем, и исследование процессов самоорганизации, а также и обратного процесса – детерминированного хаоса − стало возможным с применением ЭВМ при решении нелинейных уравнений. Настоящий бум, охвативший науку в последние 15÷20 лет в связи с изучением самоорганизации и хаоса, привел к созданию нового «нелинейного» (синергетического) мыш ления в различных областях естествознания, а также в экологии и экономике.

В современном естествознании логические методы – приемы и методы исследования, присущи как научному, так и обыденному познанию в целом. Объективная предпосылка познавательных операций – структурность и целостность материальных объектов. Наиболее универсальные элементарные приемы познания: анализ и синтез, причем анализ ради синтеза, а не наоборот. Широко используются в современном естествознании частные логические методы познания: абстрагирование и обобщение, индукция и дедукция, аналогия, гомология и моделирование.

9.4. Принципы синергетики, эволюционная триада

и синергетическая среда в постижении природы

Синергетический подход к познанию, точнее к постижению Природы, расставляет точки над и в том смысле, что становится более понятным, что знания не приобретают как вещь, ими овладевают с тем, чтобы в дальнейшем обладать, не терять самообладания и действовать, и жить правильно. Поэтому, знания, полученные в синергетической образовательной среде способствуют постижению действительности на фундаментальном уровне без отторжения.

Проектирование – это деятельность в областях, где недостаточно только линейного мышления как указывал Б.Ф. Ломов. Поэтому интересен подход Дж. Джонса к видению структуры постижения природы, состоящего из трех ступеней: дивергенции, трансформации и конвергенции.

Дивергенция характеризуется крайней неустойчивостью и условностью целей, сознательной установкой на критическое восприятие действительности, разрушение стереотипов, использование предельно широких метафор и крайне далеких ассоциаций.

Трансформация направлена на упорядочение поля поиска, его концептуальную структуризацию, на поиск языка данной задачи, пригодного для ее целостного и точного выражения. Это ступень выделения альтернатив и параллелей в решении исходной задачи.

Наконец, конвергенция – это настойчивая и жесткая направленность на усечение проектного поля, сокращение числа альтернатив, детализацию отобранных моделей и так далее. Исследователи говорят о двух диаметрально противоположных стратегиях проектирования: от внешнего – к внутреннему (из соображений целостного облика к его конструктивным деталям) и от внутреннего к внешнему (стратегия увязки, сведения отдельных элементов в целостный облик). Эти подходы к проектированию созвучны принципам синергетики.

На создание технологий нацелено проектирование. В самом проектировании как деятельности можно обнаружить свою совокупность инструментальных средств, свой подход к информационным ресурсам и, особенно подчеркнем, свой нелинейный (синергетический) стиль мышления, свой ценностный мир. Выделение этих взаимосвязанных компонентов позволяет представить проектирование синергетической среды образовательного процесса современного естествознания как нелинейную динамическую систему, генерирующую в заданных пределах деятельную структуру общества и способ жизни, определяющую современное состояние образования и перспективы развития человечества.

Под синергетической средой в системе мы понимаем совокупность материальных, духовных факторов и средств в открытой системе, в которой при взаимодействии ее частей на основе динамической иерархичности и наблюдаемости возникает усиление управляющих воздействий, согласование темпов и уровней развития управляемых, становление творческой личности, сочетающей рациональные и иррациональные компоненты мышления, имеющей целостное мировоззрение и познающей природу без отторжения на фундаментальном уровне.

Успехи в области современных высоких технологий, внедрение курсов «Концепции современного естествознания» с использованием его гуманитарного потенциала, делают проблему проектирования синергетической среды в системе образования и формирования синергетического стиля мышления актуальной. Эффективность социальных технологий 21 века, видимо, будет зависеть от решения задач, связанных с этой проблемой. Проектирование синергетической среды в социальной сфере обеспечит сочетание рационального и иррационального в процессе социального взаимодействия, формирование метаязыка аналогий, понятного естественнику и гуманитарию. Гуманитарный потенциал современного естествознания связан, прежде всего, с развитием мышления, формированием целостного мировоззрения, воспитанием чувств.

Известны семь принципов синергетики, из них: два принципа Бытия:

1) иерархичность;

2) гомеостатичность;

и пять принципов Становления:

3) незамкнутость;

4) неравновесность;

5) нелинейность;

6) динамическая иерархичность, циклическая коммуникативность, принцип дополнительности (обобщение принципа подчинения – рождение параметров порядка);

7) наблюдаемость.

Именно последние два включают принципы дополнительности и соответствия, кольцевой (циклической) коммуникативности и относительности к средствам наблюдения, позволяя начать диалог между внутренним наблюдателем (природа индивида) и внешним наблюдателем (жизнедеятельность в процессе познания природы) в синергетической среде.

Под проектированием синергетической среды в системе будем понимать процесс создания в системе такой совокупности информационно-методических, эргономических, экономических, правовых условий и средств управления на базе принципов синергетики, которая обеспечит становление в социуме творческой личности, имеющей опыт безопасной жизнедеятельности на стадии обучения, воспитания и развития.

Под формированием синергетического стиля мышления будем понимать деятельность в синергетической среде, направленную на практическое использование алгоритма реальности обучающими и обучаемыми, сочетающими рациональные и иррациональные компоненты мышления, основываясь на целостном мировоззрении и познании мира на фундаментальном уровне без отторжения.

Синергетический стиль мышления – это многостороннее, нелинейное, открытое мышление, совокупность и гармоничное сочетание понятийного и образного мышления, связующим (синхронизирующим) фактором которого является алгоритм реальности.

Под алгоритмом реальности будем понимать конечную последовательность предписаний, достаточную для оценивания состояния системы в развитии через связь прошлого и будущего в настоящем.

Именно проектирование синергетической среды, прежде всего в социальной сфере способствует формированию синергетического стиля мышления и отображению реальности в её процессуальном единстве.

Культура личности в сочетании с её нелинейным синергетическим стилем мышления, «…владеющей методологией циклично-волнового освоения будущего, становится главными целями современного неклассического опережающего образования. Это образование формирует нового человека, опираясь на новую синергетическую парадигму фундаментальности образования, в которой каждый образовательный цикл завершается синтетически-целостной картиной мира, причем роль синтезаторов выполняют проблемно-организованные, концептуальные дисциплины, выполняющие функцию содержательного метапроектирования образовательного процесса» (А.И. Суббето). К таким синтезаторам как раз и относится изучаемая дисциплина «Концепции современного естествознания».

Познание (постижение) природы на фундаментальном уровне без отторжения следуя синергетической парадигме фундаментальности, может быть пояснен в следующих рассуждениях.

Два принципа бытия: иерархичность и гомеостатичность описывают изолированную систему, где вся активность заключена во власти, в «праве первой ночи для господина» в «праве силы» и др. в целом иллюстрирует «наследственность» дарвинской триады, (так было так есть и так будет всегда?!.) Если система изолирована, в ней, как известно все сохраняется: энергия, вещество, импульс, информация и.т.д. Это стадия бытия, которое определяет со-знание (совместное знание).

Ситуация меняется, если система приоткрывается, проходя три запрета:

– незамкнутость («нет замка и нет кнута», «бери больше – кидай дальше», «куй железо, пока горячо»);

– неравновесность ;

– нелинейность (многовариантность, несколько путей развития, необратимость вследствие диссипации эмерджентности случайных событий) в сочетании с принципом;

– дополнительности составляет «изменчивость» дарвинской триады.

И, наконец, циклическая коммуникативность и наблюдаемость составляют «отбор» дарвинской триады. Такие рассуждения сближают современные принципы синергетики в соответствии с принципом соответствия с дарвинской эволюционной триадой: «наследственность», «изменчивость», «отбор».

Если посмотреть на график рис. 9, то принципы бытия находятся в стадии пороговой нечувствительности системы, третий, четвертый принципы синергетики находятся в первом предельном цикле (мягкого возбуждения ) или «детской системы»; пятый принцип вершит «золотую середину» (равенства активности и пассивности) и переход системы во второй предельный цикл (жесткого возбуждения ) «взрослости системы», когда ее притягивает ко второму аттрактору , в котором активность ослабевает, система достигает «насыщения» (второе равенство активности и пассивности: резонанс). Если взять производную от кривой активности, то получиться колоколообразный график с вершиной в точке равенства активности и пассивности (принцип нелинейности ). Это граница перехода из прошлого в будущее, своего рода «потенциальный барьер необратимости, или как в народе говорят «куда ни кинь – везде клин», т.е. равенства активности и пассивности, после чего следуют качественные изменения. В физике это называется резонансом, в биологии – генетический механизм самоорганизации , в экономике равенство дебета и кредита (баланс) и др. В конечном состоянии рассмотренного цикла пассивность в системе превышает активность, и система на более высоком уровне становится похожей на «детскую» систему, и все повторяется вновь.

9.5. Принципы нелинейного образа мира

Первая научная картина мира была построена И. Ньютоном, несмотря на внутреннюю парадоксальность, она оказа­лась удивительно плодотворной, на долгие годы, предопределив самодвижение научного познания мира. В этой удивительной Вселенной не было места случайностям, все события были строго предопределены жестким законом причинности. А у времени было еще одно странное свойство: из уравнений классической механики следовало, что во Вселенной не изменится ничего, если оно вдруг начнет течь в противоположном направлении.

Все было бы хорошо, если бы не одна особенность реального мира – его склонность к хаотическим состояниям. С точки зрения классики – это нонсенс, то, чего быть не может. Открытия термодинамики заставили посмотреть на проблему по-иному: был сделан вывод, что хаос, состояние «тепловой смерти» – это неизбежное конечное состояние мира.

Стало ясно, что, не найдя научного подхода к изучению явле­ний хаоса, мы заведем научное познание мира в тупик. Существовал простой способ преодоления этих трудностей: следовало превратить проблему в принцип. Хаос – это свободная игра факторов, каждый из которых, взятый сам по себе, может показаться второстепенным, незначительным. В уравнениях математической физики такие факторы учитываются в форме нелинейных членов, т.е. таких, которые имеют степень, отличную от первой. А потому теорией хаоса должна была стать нелинейная наука.

Классическая картина мира основана на принципе детерми­низма , на отрицании роли случайностей. Законы природы, сформулированные в рамках классики, выражают определенность. Реальная Вселенная мало похожа на этот образ. Для нее характерны: стохастичность, нелинейность, неопределенность, необра­ тимость. Понятие «стрелы времени» утрачивает для нее прежний, ясный смысл.

В нелинейной Вселенной законы природы выражают не определенность, а возможность и вероятность. Случайности в этой Вселенной играют фундаментальную роль, а ее наиболее харак­терным свойством являются процессы самоорганизации , в которых и сам хаос играет конструктивную роль. Формирование научного аппарата нелинейной картины мира происходило по нескольким направлениям. В математике это теория особенностей (А. Пуанкаре, А.А. Андронов, X. Уитни) и теория катастроф (Р. Том, К. Зиман, В.И. Арнольд). Ключевые термины, введенные в этих теориях, это бифуркация – процесс качественной перестройки и ветвления эволюционных паттернов системы, катастрофы – скачкообразные изменения свойств системы, возникающие на фоне плавного изменения параметров, аттрактор – «притягивающее» состояние, в котором за счет отрицательных обратных связей автоматически подавляются ма­лые возмущения.

Рассмотрим базовые принципы нелинейного образа мира . Во-первых, это принцип открытости. Система является открытой, если она обладает источниками и стоками по веществу, энергии и/или информации. Во-вторых, это принципы нелиней ности. В-третьих, это когерентность, т.е. самосогласованность сложных процессов используется, например, в лазерах.

Опираясь на эти принципы, перечислим основные отличи­тельные свойства мира, подчиняющегося нелинейным закономерностям.

1. Необратимость эволюционных процессов. Барьер, который препятствует стреле времени обратить свой вектор в противоположную сторону, образует нелинейные процессы .

2. Бифуркационный характер эволюции. Принципиальная отличительная особенность развития нелинейных систем – чередование периодов относительно монотонного самодвижения в режиме аттракции и зон бифуркации, где система утрачивает устойчивость по отношению к малым возмущениям. В результате за зоной бифуркации открывается целый диапазон альтернативных эволюционных сценариев. Это означает переход от жесткого лапласовского принципа детерминизма к бифуркационному вероятностному принципу причинно-следственных связей.

3. Динамизм структуры саморазвивающихся систем. Существуют два типа кризисов эволюционирующей системы – структур ный и системный . В случае первого после зоны бифуркации та­кая система может сохранить устойчивость за счет перестройки своей структуры, во втором – переходит на качественно новый уровень.

4. Новое понимание будущего . К зоне бифуркации примыкает спектр альтернативных виртуальных сценариев эволюции. И, следовательно, паттерны грядущего существуют уже сегодня, будущее оказывает влияние на текущий процесс – этот вывод полностью противоречит классике.

Нелинейная наука ведет к эволюционной синергетической парадигме. Принятие этой парадигмы означает, во-первых, отказ от базовых постулатов традиционной науки: принципов существования абсолютно достоверной истины и абсолютно достоверного знания; принципа классической причинности; редукционизма; концепции линейности; гипотезы апостериорности, т.е. приобретения знаний исключительно на основе прошлого опыта.

Во-вторых, это принятие синергетических принципов конструирования картины мира.

1. Принцип становления : главная форма бытия – не покой, а движение, становление. Эволюционный процесс имеет два полюса: хаос и порядок, деконструкция.

2. Принцип сложности : возможность обобщения, усложнения структуры системы в процессе эволюции.

3.Принцип виртуальности будущего : наличие диапазона альтернативных паттернов в постбифуркационном пространстве-времени.

4. Принцип подчинения : минимальное количество ключевых параметров, регулирующих процесс происхождения бифуркации.

5. Фундаментальная роль случайностей в зоне бифуркации.

6. Принцип фрактальности : главное в становлении не элементы, а целостная структура.

7. Принцип темпоральности : суперпозиция различных темпоритмов элементов системы.

8. Принцип дополнительности : возможность моделирования эволюции системы с помощью нескольких параллельных теоретических подходов.

В свое время классическая картина мира показалась удобной для развития гуманитарных научных дисциплин. Адам Смит и Давид Риккардо, создавая политическую экономию, ввели понятие «невидимой руки рынка», принцип которой им подсказали идеи Ньютона о гравитации. Томас Гоббс, разрабатывая теорию государства, вдохновлялся теорией атомного строения материи.

Методы нелинейной науки, зародившиеся в сфере естественнонаучного знания, оказались перспективными при исследовании проблем социально-культурной динамики.

Самоорганизующихся биологические и социальные систем моделируются методами синергетики их структурных и эволюционных характеристик и получены неплохие результаты, интересные в научном и практическом отношениях.

Современный глобальный кризис в значительной мере обусловлен отставанием научной методологии прогнозирования от практических потребностей. Во многом это объясняется тем, что до сих пор не преодолено наследие классической методологии, а принципы нелинейности мышления еще не получили адекватного применения в области научного знания.

9.6. От автоколебаний к самоорганизации

Для пояснения поведения открытых систем и их постижения удобным является использование аппарата нелинейных колебательных систем, разработанного в радиоэлектронике и связи, на фазовых портретах, изображенных на рис.9.

Первая автогенераторная система называется сис­темой с мягким возбуждением – любой электрический толчок (например, подключение источника питания) наводит в резонансной структуре некоторое и _m и сис­тема из первоначального состояния неустойчивого равновесия (и _m = 0) попадает в область Р₊ > Р _– (причем с плюсом – активность, с минусом – пассивность). При этом избыток энергии D Р > 0 тратится на увеличение напряженности поля в резонаторе. Этот процесс продолжается до точки устойчивого динамического равновесия при и_m = и _s (движение показано стрелкой). Если какая-то внешняя сила выведет систему из этого состояния, например в область Р_- >Р_+, то D Р <0 и система должна уменьшить и_m, так как энергии источника недостаточно для поддержания колебаний с такой амплитудой.

Рис.9. Виды режимов возбуждения колебательных и самоорганизующихся систем

Следовательно, система самостоятельно вернется в точку равновесия и_m = и _s (стрелка направлена справа налево). Во втором случае режим самовозбуждения называется жестким . В начальной области (малые и_m ) Р _– > Р₊ и поведение системы аналогично только что рассмотренному случаю автогенератора с мягким возбуждением – система вернется в точку устойчивого равновесия при и_m = 0 (стрелка к началу координат). Таким образом, для выведения системы из состояния равновесия к ней необходимо приложить некоторый первоначальный толчок, обеспечивающий попадание ее в область и_m > и _{s 1} . Поведение системы с жестким возбуждением при и_m > и _{s 1} в точности такое же, как и у автогенератора с мягким режимом самовозбуждения. Точка и_m = и _{s 1} является точкой неустойчивого равно­весия.

В нижней части рис.11 показано поведение мягкого и жесткого возбуждения автогенераторов на фазовой плоскости. Точкам равновесия на фазовой плоскости соответствуют предельные циклы колебаний (выделены жирными замкнутыми линиями). В теории колебаний доказаны теоремы существования и единственности предельных циклов.

Наличие на фазовой плоскости у некой исследуемой колебательной системы устойчивого предельного цикла свидетельствует о существовании в ней незатухающих колебаний.

Для всех типов генераторов общий принцип генерирования колебаний таков: генерирование колебаний есть процесс преобразования энергии некоторого источника (не обязательно электромагнитной природы) в энергию электромагнитных колебаний (или волн).

Таким образом, существуют два основных способа получения колебаний: за счет энергии источника постоянного тока (к примеру, электронные приборы) или за счет преобразования одних электромагнитных колебаний в другие с нужными параметрами (например, частотой). Наиболее характерными примерами последнего способа получения колебаний являются параметрические и квантовые генераторы.

9.7. Формирование инновационной культуры

Инновационная культура – это знания, умения и опыт целенаправленной подготовки, комплексного внедрения и всестороннего освоения новшеств в различных областях человеческой жизнедеятельности при сохранении в инновационной системе динамического единства старого, современного и нового; иными словами, это свободное творение нового с соблюдением принципа преемственности. Человек как субъект культуры преобразует (обновляет) окружающие его природный, вещный, духовный миры и самого себя таким образом, что эти миры и сам человек все более полно пронизываются собственно человеческим смыслом, т. е. гуманизируются.

Культура как способ жизни, коммуникации имеет достаточно интригующую аналогию с передачей, хранением и обработкой сигналов, несущих информацию по каналам связи. Также как и передача сигналов в каналах связи культура имеет свойство передачи, обработки, преобразования, хранения, подвержена помехам различного основания, подразделяется на аналоговую и цифровую составляющую.

Формированию инновационной культуры способствует проектирование и реализация мультидисциплинарных дидактических комплексов (МДК).

Под мультидисциплинарным дидактическим комплексом (МДК) нами понимается спроектированный на едином системообразующем основании комплекс дисциплин, в результате которого возникает нелинейный эффект усиления (принцип мультипликативности) дидактического результата.

Основными процессами познавательной деятельности являются анализ и синтез, причем анализ ради синтеза, но не наоборот. Познание достижимо лишь на моделях, а все модели допускают ту или иную степень приближения, в природе нет (и, видимо, не может быть) универсальных моделей. Анализ выступает, прежде всего, в движении познания от конкретности чувственного созерцания к абстрактным понятиям. Синтез проявляется в движении познания от абстрактных понятий к мысленному восстановлению конкретного как проанализированного целого. Аналогия между познавательной деятельностью в процессе обучения и познавательной деятельностью в процессе научного поиска передачи, обработки, преобразования, хранения информации открывает путь для использования познавательной модели МДК во всей полноте ее функциональных возможностей. Познавательная модель МДК обретает совокупность свойств дидактической модели, формирующей источник и правила нелинейного структурирования содержания образования.

Учебно-познавательная модель на МДК совмещает в себе процессуальный и содержательный аспекты, одновременно выступая в качестве конструктивного средства познавательной деятельности студентов и задавая системную организацию знания.

Структура познавательной модели МДК включает в себя информацию,

во-первых, объективно необходимую для обоснования успешного действия базовых элементов;

во-вторых, информацию о самом действии: что и почему надо сделать, как и почему так сделать (алгоритм действия или, другими словами, алгоритм реальности);

в-третьих , оценочную информацию, определяющую мотивационную основу действия: для чего, ради чего, во имя чего и почему нужно учиться выполнять соответствующее действие.

Сейчас осознаны принципиальные ограничения в проблеме прогноза. Наш мир слишком сложен. Поэтому наука бессмертна. А человек и природа – едины в своей целостности и неисчерпаемости. Структура познавательных отношений, в которые вступает человек, определяется открытостью его когнитивного пространства и инновационной культурой.

Существенной чертой моделирования МДК является то, что мы произвольно отбираем для исследования компоненты сложной системы и находим аналогию между компонентами и их взаимоотношениями в моделируемой системе и в модели. Очевидно, что модели никогда не могут быть совершенными, поскольку они всегда проще моделируемой системы. Однако, даже относительно простая модель позволяет выдвигать различные гипотезы, достоверность которых может быть впоследствии проверена в реальном мире, и модель, возможно, усовершенствовать на основе новых данных.

Критерием хорошей модели является то, что она работает на практике. Это является основой научного метода, который всегда строит модели, основанные на явлениях, наблюдениях и экспериментах.

Чтобы межпредметное (точнее мультипредметное для открытого нелинейного мира) знание было действительно полноценно изучено, т.е. сформировано у студента как осознанное средство решения познавательных и профессиональных задач, оно должно быть «пропущено» через познавательное инновационное действие студента на основе мультидисциплинарных дидактических комплексов, примерами которых могут служить разработанные авторами МДК: «История науки и техники», «Концепции современного естествознания», «Свет и цвет в природе и обществе», «Электродинамика и распространение радиоволн», «Физические основы передачи и обработки информации», «Фундаментальные основы этногенеза», «Естественно-научные основы высоких технологий», «Фундаментальные основы защиты информации» и др.

Некоторые из основных принципов системного (синергетического) подхода применительно к инновационной деятельности при проектировании МДК модифицируются следующим образом:

а) принцип – первичности целого по отношению к составляющим его частям. Для инновационной системы как целостности (сущностная характеристика которой – новизна ) такими ее частями являются старое, современное и новое. Динамическое единство старого, современного и нового является первичным по отношению к каждому из этих элементов и обеспечивает оптимальное функционирование инновационного МДК в целом;

б) принцип неаддитивности (несводимости свойств системы к сумме свойств составляющих ее элементов) применительно к инноватике проявляется в нетождественности характеристик старого, современного и нового, как частей инновационного объекта, его доминантным характеристикам как целостности;

в) принцип синергичности (однонаправленность действий элементов системы усиливает эффективность функционирования всей системы) обусловливает необходимость поиска баланса целей старого, современного и нового в едином инновационном МДК с сохранением сущностного отличия (новизны );

г) принцип эмерджентности (неполного совпадения целей системы с целями ее компонентов) при осуществлении инновационного проекта требует построения именно дерева целей (иерархии параметров) для системы МДК в целом и каждой ее составной части;

д) при проектировании инновационных систем следует учитывать принцип мультипликативности , означающий, что эффекты функционирования компонентов в системе (положительные и отрицательные) обладают свойством умножения , а не сложения;

е) принцип структурности предполагает, что оптимальная структура инновации должна иметь минимальное количество компонентов, базовых элементов ; вместе с тем эти компоненты (обеспечивающие ее новизну ) в полной мере должны выполнять заданные функции и сохранять доминантные свойства инновационной системы;

ж) при этом структура системной инновации МДК должна быть мобильной, т.е. легко адаптируемой к изменяющимся требованиям и целям, что вытекает из принципа адаптивности ;

з) эффективное инновационное проектирование предполагает также в качестве обязательного условия реализацию принципа альтернативности , согласно которому необходима разработка нескольких взаимозаменяемых инновационных версий;

и) принцип преемственности требует обеспечения возможностей для продуктивного существования старого в соответствующем инновационном пространстве и, наоборот, эффективного функционирования нового в условиях сохраняющегося старого.

Сущность инновационной сферы, таким образом, раскрывается через совокупность информационных процессов как результат определенной деятельности человека, как своеобразный продукт его субъект-объектных спонтанно-детерминированных обменных отношений. Ее можно определить как функционирующий содержательный феномен отражательных моментов, присутствующих в процессе развития и саморазвития людей, где они проявляют либо могут проявить свою инновационную деятельность, заключающуюся в потреблении, производстве, хранении, кодировании, переработке, передаче информации.

С развитием человеческого общества происходит изменение общения между людьми, а вместе с ним развиваются информационные средства общения, происходит зарождение, становление и развитие инновационной культуры.

Инновационная культура создается не сама по себе и не ради себя самой, она выступает инструментом в руках человека для его всестороннего развития, призвана содействовать этому процессу, предваряя его, активно участвуя в нем, совершенствуя его применительно к формированию нового образа жизни человека. И в этом плане инновационную культуру следует рассматривать как уровень организации информационных (коммуникационных) процессов, степень удовлетворения потребности людей в информационном общении, уровень эффективности создания, сбора, хранения, переработки и передачи информации. В то же время это и деятельность, направленная на оптимизацию всех видов информационного общения, создание наиболее благоприятных условий для того, чтобы ценности культуры были освоены человеком, вошли органично в его образ жизни.

Как понимать становление? Или как из старого является (рождается) новое? Да очень просто, если воспользоваться определениями инновационной культуры и развития. Явление взаимодействия СТАрого и НОВого называют, поэтому СТА+НОВ+ЛЕНИЕ. Откуда берется «…ление»?, как остаток слова явление, из которого изъято «яв», т.е. часть прилагательного «явное». Таким образом, эпистемология (и смысл) слова «становление», как ключевого слова «инновационной деятельности и культуры» заключается в том, что все, что ни делается человечеством в области развития и совершенствования науки и техники направлено на обеспечение комфортной жизнедеятельности культурного человека, для которого высвобождается время для творчества и полезного времяпрепровождения. Хотя напрямую как бы высокие технологии «способствуют» распространению «лени» «некультурного человека», а лень является двигателем прогресса. Сложение старого и нового равняется лени.

Творчество ни в коей мере не сводимо лишь к созданию нового , но, тем не менее, новообразование – один из основных моментов в творчестве, это его «необходимый, но недостаточный» элемент. Как бы не рассматривалось творчество: как продукт, как процесс или как особенное креативное состояние субъекта, в творчестве всегда присутствует элемент новизны . Но что в самой инновационной действительности делает возможным существование феномена новообразования? Приблизиться к решению этого вопроса можно с помощью синергетики – теории нелинейных неравновесных динамических систем, концептуальные подходы которой все чаще находят успешное применение в образовании и в науке.

Любой природный или социокультурный объект мы можем рассматривать как сложную динамическую систему, взаимодействующую с другими системами. «Сложность» является не «количественным», а «качественным» параметром, характеризующим состояние системы: ее внутреннюю организацию и обстоятельства, при которых такая организация складывается. Синергетическое понимание сложности позволяет связать сложность системы с ее активностью : сложная система способна воспринимать незначительные внешние или внутренние вариации, на которые не реагирует «простая» система, сложная система существенно усиливает и изменяет воспринятые флуктуации, изменяя тем самым собственное состояние и состояние окружающих систем. Активность можно рассматривать, по-видимому, как меру сложности . Но априори у нас нет способов судить о том, что просто и что сложно, утверждает И. Пригожин. В принципе, любая система может оказаться очень сложной или очень простой. «Подобно тому, как неожиданная сложность возникает в вынужденных колебаниях маятника, неожиданная простота обнаруживается в ситуациях, которые складываются под влиянием совместного действия множества факторов». Состояние, характеризуемое как сложное, не всегда присуще системе, оно возникает при некоторых обстоятельствах, но определить заранее, будет ли та или иная система в тех или иных условиях вести себя как сложная, невозможно. Сказать, что система сложна, можно лишь после того, как она обнаружила свою сложность. Изучать сложность можно только после того, как она случилась (проявилась).

Творчество феноменально, поскольку можно говорить о том, что творчество состоялось, только после того, как осуществился момент преобразующего взаимодействия новизны, порождаемой субъектом в процессе деятельности, и социокультурных нормирующих отношений. Только после осуществления момента преобразования атрибут «творческий» переносится на инновационную деятельность, породившую результат, признанный «творческим». Творчеством (творческой) называют либо деятельность, застывшую в продукте, ставшим «творческим», либо деятельность, сходную с той, что уже стала «творческой». В действительности, человек не «генерирует» творческие идеи: идеи, появляющиеся в процессе его деятельности, могут стать творческими; никакая инновационная деятельность и никакое новообразование a priori не являются творческими.

Феноменальность творчества связана и с изменчивостью социокультурного контекста, что приводит к «пульсированию» творчества. В рамках даже одной культуры творчество весьма неустойчиво. И это понятно: творчество – момент частичного преобразования культуры и, следовательно, представлений о творчестве; творчество есть акт культуросозидания , и каждый акт творчества в какой-то степени изменяет культурную парадигму деятельности и творчества, т.е. в какой-то степени определяет, каким может быть следующий творческий акт. Так творчество изменяет само себя.

Субстанционалистское рассмотрение творчества основано на всей истории науки и техники и выросшем из нее естествознании. Творчество можно изучать только как «несубстанциональный» феномен, как данность, которая не обязательно должна была случиться, изучать только путем раскрытия уже случившегося и необратимого творческого акта.

Основа ИННОвационной культуры (деятельности, поведения, мышления и.т.д.) заключается на наш взгляд в простой триаде: «изменчивой» «наследственности» путем «отбора» (чего?, да всего нового, что обеспечивает необратимое, закономерное изменение, т.е. развитие). Почему две буквы Н в слове ИННОвационная и что они означают? И- изменчивость, Н- наследственность (исходная, родительская), Н – наследственность (измененная путем, например, генетического разнообразия и естественного О-отбора или в результате инновационной деятельности).

Генезис и логика СТА+НОВ+ЛЕНИЯ (чего-либо) это и есть ИННОвационные изменения наследственности путем отбора , т.е.: инновационной деятельности, инновационного поведения, инновационного мышления, инновационной культуры.

А теперь попробуем доказать, что известная теорема В.А. Котельникова не только является основой системы цифровой связи, но и алгоритмом инновационной деятельности и культуры.

Если аналоговый сигнал рассматривать как некую реализацию, след (т.е. наследственность, к которой можно по принципу аналогии отнести и максимальную частоту его спектра 2Fmax, «двойной наследственности» ), то согласно теореме В.А. Котельникова этот аналоговый сигнал может быть подвержен дискретизации с периодом выборки не больше чем обратная величина двойной максимальной частоты спектра. Трактовка теоремы такова: И – «изменчивость» аналогового сигнала, т.е. его НН – «наследственности», путем О – «отбора», т.е. дискретной выборки сигнала (через Δτ).

Такие «инновационные действия» над сигналом, как известно, позволяют на приемном конце канала связи восстановить исходный аналоговый сигнал, а также осуществлять временное, частотное и другое уплотнение и.т.д.

Попробуем показать инновационные действия, например, над объектом (предметом) исследования в исторической ретроспективе. Допустим, что в исходном состоянии предмета исследования имелись три составляющие инновационной культуры: старое, современное и новое с непременным структурным элементом – новизной. Обозначим сигнал старого St1, сигнал современного Sov1, сигнал нового Nov1. Предположим, что современное состояние по сравнению со старым имеет на 0,1 больше новизны, примем сигнал этого состояние за 1. Новое состояние имеет на 0,2 больше новизны чем современное, т.е сигнал нового состояния усилен в 1,2 раза.

Исследование какого либо предмета в ретроспективе, в настоящем и будущем можно представить по аналогии с преобразованием сигналов по трем каналам многоканальной связи: «из прошлого, настоящего и будущего». После первого преобразования (умножения) на выходе получаются сигналы, «усиленные» коэффициентом новизны kн1=1,1, kн2=1,2, kн3=1,3. Под коэффициентом новизны нами понимается отношение полезной для развития информации (сигнала) в будущем к прошлому. После второго преобразования «изменения» сигналов kн4=1,32, kн5=1,43, после третьего преобразования kн6=1,887. Если сравнить инновационную деятельность над предметом исследования на этапах прошлого, настоящего и будущего в результате трех преобразований, то окажется, что эффективность инноваций весьма высока и составляет 88,7% новизны по отношению к состоянию Sov1 до начала инновационных преобразований сигналов, передаваемых по трем каналам многоканальной системы связи. Эти результаты вселяют надежду на то, что ретроспективные исследования становления какого-либо предмета исследования могут породить и усилить эффект новизны (см. выше рассуждения о феномене творчества).

Результатом этого анализа является и то, что информация о прошлом архивируется и выявляется по принципу выборок как в теореме В.А.Котельникова. Другими словами исследователя ретроспективы меньше всего интересует сам процесс (аналоговый) создания продукта творчества, включающий трагизм и комизм человеческой деятельности, видимо, зря! К тому же, если бы ему хотелось воспроизвести процесс создания продукта творчества время следовало бы принять противоположного знака. «Прошлое» время как бы тоже уплотняется и инвертируется для наблюдателя из будущего. Для исследователя перспективы изменения предмета исследования частота инновационных изменений (смены технологий) увеличивается, что заставляет уменьшать интервал времени между выборками. Изученное современным исследователем прошлое становиться «новее и ближе к настоящему и полезнее для будущего» (прим. ред.)

Можно из этого заключить, что «инновационный цикл» завершен и как ведет себя творческая деятельность, всякое известное творческое деяние (продукт творчества) некогда бывшее новым, становится известным, современным, то есть не принадлежащим автору и автоматически становится «нормой», принятой за 100% качества жизни, и др. Таким образом, при завершении «инновационного цикла» коэффициент новизны в современном состоянии (в силу однородности времени) принимает значение, равное 1.

В теореме В.А. Котельникова выборка соответствует дельта функции Дирака, означающее, что она равна 1 в момент выборки и равна нулю в других моментах, т.е. «в прошлом» и «будущем». Если эти сигналы из прошлого и из будущего подать на логическую схему сложения по модулю 2, таблица истинности которой реализует «алгоритм реальности» : «ограниченный набор предписаний для оценивания состояния системы в развитии через связь прошлого и будущего в настоящем» .

Принцип инновационной деятельности в соответствии с аналогией достаточно полно описывается предельными циклами, режимами «мягкого» и «жесткого» возбуждения генераторов. Принцип «двойной наследственности» есть интерпретация пословицы «имея – не ценим, потерявши – плачем», или «история повторяется дважды: сначала как трагедия, затем как фарс…». Сказанное выше говорит в пользу «двойной наследственности» в эволюции открытых систем различной природы.

Можно привести и другие аналогии инновационной деятельности, например, на модели поперечной электромагнитной волны, «сшивки» полей на границе раздела, старое – сзади фронта волны, современное – фронт волны, новое – последующие распространение волны в пространстве.

Обобщая выше приведенные рассуждения можно прийти к мысли о том, что инновационная культура подобна многоканальной электросвязи (взаимопроникновение культур, мультикультурный аналог – дуплексная связь) в условиях помех (аддитивных, мультипликативных и др.), имеет свойство киральности, (левое и правое), к ней применимы граничные условия, условия излучения на бесконечности как к электромагнитной волне и др.

Многоканальная электросвязь может служить как исторический аналог современной мультинациональной культуры, выраженной в многоязычии связей, «мультикультурных коммуникаций» и др. Мультидисциплинарные дидактические комплексы как основы инновационной деятельности (инновационной коммуникации) и культуры, чаще всего, проектируются так же как система многоканальной связи: и там и здесь используются принципы уплотнения информации (сигналов) по времени, по частоте; преобразование информации (сигнала) с целью передачи ее (его) без искажений по реальному узкополосному каналу с помехами; расширение и сжатие динамического диапазона сигнала (нелинейное структурирование информации; квантование и классификация информации (сигналов) и т.п.

Мультидисциплинарные дидактические комплексы могут рассматриваться как «системы (каналы связи) с испытательным сигналом и предсказанием». Испытательными сигналами в них могут служить принципы дидактики, которые, пройдя через этот своеобразный канал связи, получают соответствующие ему изменения, использование которых улучшает достоверность и качество связи (обучения).

Пожалуй, лучше (точнее) всего о мультидисциплинарных дидактических комплексах (передатчиках культуры) высказался физик, один из основателей системного анализа П.А. Флоренский в книге «У водоразделов мысли. – М.: «Правда», 1990. т.2» рассуждая о связи объяснения и описания. «Суть научного описания в широте его охвата и связанности. Объяснить в точном смысле слова – это, значит, дать описание всестороннее, т.е. исчерпывающе полное или предельное. Объяснить – это тоже описать. «Объяснительность – лишь свойство описания; объяснение – нечто иное, как описание особой уплотненности, проникновенной сосредоточенности, – описание любовно вдумчивое». Это как нельзя точно характеризует генезис и становление инновационной основы культуры – мультидисциплинарных дидактических комплексов, предназначенных для объяснения и описания: «особой уплотненности» (нелинейное преобразование, усиление, перенос спектра сигнала в другую область); «проникновенной сосредоточенности» (построение каналообразующей техники, направляющих систем, фильтров, компрессоров сигнала и др. для передачи, обработки, приема хранения и дальнейшего использования информации); «описание любовно вдумчивое» (изменение «наследственности» (т.е. сигнала) путем тезаурусного «отбора», в итоге разработка оптимального, биоадаптивного – любовного к потребителю содержания мультидисциплинарного дидактического комплекса).

Какая аналогия и связь напрашивается между корпускулярно-волновым дуализмом и алгоритмом инновационной культуры? Аналогия и связь не видная на первый взгляд, но очень убедительная после ниже следующих рассуждений. Это можно пояснить на явлении аннигиляции частиц с использованием принципа Дирака и гипотезы Луи–де Бройля. Например, свободные частицы электрон и ее античастица позитрон ранее занимая ограниченную область пространства сталкиваясь друг с другом, аннигилируют, превращаясь в два фотона 2γ, занимая все пространство: от минус до плюс бесконечности. Если условно считать, что для частицы время течет в направлении увеличения, то для античастицы наоборот, как зеркальное отражение. После аннигиляции вещество превращается в поле с «двойной наследственностью» как бы учитывающее различный временной континуум для частицы и античастицы, поскольку волну можно разделить на падающую и отраженную, отличающиеся временным множителем. Принцип Дирака поясняет существование частицы и античастицы через дельта-функцию δ(t), которая равна нулю в прошлом и будущем и лишь в настоящем принимает значение, равное единице. Это напоминает алгоритм теоремы о квантовании сигнала В.А. Котельникова, где δ(t) характеризует выборку.

В формуле де-Бройля (p = h/λ) слева импульс частицы, справа длина волны, а коэффициентом «усиления квантового эффекта» служит фундаментальная постоянная Планка, имеющая размерность и характер действия, нами может трактоваться и как фундаментальный предел коэффициента «усиления инновационного действия». Если в физике постоянная Планка понимается как минимальное действие в природе , то почему бы ее не считать как фундаментальную «постоянную инновационного действия», характеризующую минимальное инновационное действие в природе, некий шаг квантования инновационной культуры…

Инновационное действие сродни «спонтанному нарушению симметрии». Реакции аннигиляции обратимы, также как и обратимы действия людей при исследовании истории науки, техники, культуры. В инновационной культуре связь прошлого, современного и нового осуществляется по принципу преемственности с непременным сохранением и усилением новизны. Недаром говорят «новое – это хорошо забытое старое». Таков путь к новой, единой инновационной культуре…

Контрольные вопросы

1. Как понимать единую культуру?

2. Что такое синергетическая среда?

3. Что такое синергетический стиль мышления?

4. Какова деятельность в синергетической среде?

5. Что такое инновационная культура, как ее сформировать?

6. Каковы принципы синергетики?

7. Что такое алгоритм реальности?

8. Что такое предельный цикл?

9. Что может служить аналогом инновационной культуры?

10. Почему «тронутое» прошлое может стать «продвинутым» будущим?

ГЛОССАРИЙ

Абиогенный – абиогенная эволюция, абиогенное вещество – неживого, небиологического происхождения.

Абиогенез – самопроизвольное зарождение жизни, возникновение ее из косной материи.

Антициклон (греч. – вращающийся) – область высокого атмосферного давления в тропосфере с постепенным понижением его от центральной части к периферии.

Астеносфера (слабая сфера) – предполагаемый верхний слой мантии, подстилающий литосферу, способный к вязкому и пластическому течению под действием относительно малых напряжений, позволяющий путем медленных движений постепенно создавать условия гидростатического равновесия. Иначе говоря, это «жидкий подкорковый слой».

Адроны (от греч. сильный, крупный) – общее название для частиц, участвующих в сильных взаимодействиях.

Атом (греч. – неделимый) – структурный элемент микромира, состоящий из ядра и электронной оболочки.

Автогенез – идеалистическое учение, объединяющее эволюцию организмов действием только внутренних нематериальных факторов («принцип совершенства», «сила роста» и т.д.) близок к витализму.

Автотрофы (от греч. – пища) – организмы, питающиеся неорганическими веществами посредством фотосинтеза или хемосинтеза (зеленые растения, некоторые микроорганизмы).

Анаэробы – организмы, способные жить в отсутствии свободного кислорода (многие виды бактерий, моллюски).

Аэробы – организмы, жизнь которых невозможна без свободного молекулярного кислорода (растения, животные, многие микроорганизмы).

Аллели – альтернативные варианты существования одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) парных хромосом, определяют варианты развития одного и того же признака.

Антропогенез – эволюция происхождения и формирования человека.

Анализ – метод научного исследования, сводящийся к разложению объекта исследования на составные части и осуществляемый мысленно или фактически.

Аналогия (греч. – сходство) – сходство в каком-либо определенном отношении между явлениями, явлениями и предметами, предметами и процессами и т. п.

Антропный принцип – рассмотрение законов Вселенной и ее строения на основе того, что познание ведется человеком разумным. Природа такова как она есть только потому, что в ней живет человек. Антропный принцип не противоречит возможности жизни на других космических объектах, но в другом для нас виде.

Антропогенный экоцид – разрушение людьми естественной среды обитания, в том числе и условий собственного существования.

Ареал – область распространения на земной поверхности какого-либо явления, видов животных, растений, полезных ископаемых и т.д.

Ассимиляция – анаболизм.

Аттрактор (англ.– притягивать) – точка равновесия, к которой «притягиваются» фазовые траектории, определяемые детерминированными начальными условиями, и которая является обобщением понятия равновесия, определяет относительную устойчивость состояния системы. Аттрактор можно рассматривать как конечное состояние эволюции диссипативной структуры.

Адаптация – в широком смысле слова любое приспособление.

Антропогенез (от греч. – происхождение) – учение о происхождении человека.

Антропоиды (от греч. – человекообразный) – человекообразные обезьяны.

Антропология – наука, изучающая вариации человеческого вида в пространстве и во времени.

Атавизм – орган или структура, встречающиеся лишь у отдельных особей, но хорошо развитые у предковых форм. Не выполняет никаких важных для вида функций.

Аксиология – междисциплинарная наука о ценностных отношениях и ценностном сознании.

Алгоритм (лат. – транслитерация имени арабского математика аль Хорезми) – код, принцип, набор правил или система операций, позволяющая чисто механически решать любую задачу из класса однотипных задач.

Аттракторы развития – «конечные» состояния, или цели, которые строят, организуют наличные элементы знания из будущего.

Агностицизм − совокупность философских концепций, отрицающих возможность познания и адекватного отражения человеческим сознанием объективной реальности.

Антропономия – наука, изучающая всю совокупность качеств человека, которые определяют его меру – теория: рождения человека, потенциала человека (потребности и способности), социализации человека, деятельности человека, социальных отношений человека, институционализация личности, судьбы человека, идеального человека.

Антропный принцип – рассмотрение законов Вселенной и ее строения на основе того, что познание ведется человеком разумным. Природа такова как она есть только потому, что в ней живет человек. Антропный принцип не противоречит возможности жизни на других космических объектах, но в другом для нас виде.

Абсорбция, адсорбция – поглощение вещества (жидкости или газа) всем объемом твердого тела (жидкости), его поверхностным слоем.

Автокатализ – изменение скорости химической реакции одним из веществ (катализатором), участвующим в этой реакции.

Бактерии (от гр. ) – микроскопические организмы, главным образом одноклеточные, с прокариотным типом строения клетки.

Биогенетический закон – эмпирическое обобщение, согласно которому индивидуальное развитие особи (онтогенез) является повторением важнейших этапов эволюции (филогенез) группы, к которой эта особь относится. Открыт Э. Геккелем в 1866 г.

Биогеоценоз – определенный участок земной поверхности с определенным составом живых и косных компонентов в динамическом взаимодействии между ними.

Биологическое время – внутреннее время живого организма, связанное с цикличностью жизненных ритмов организма.

Биосфера – область распространения активной жизни на Земле, включая атмосферу, гидросферу и литосферу, заселенные живыми организмами.

Бифуркация (лат. – раздвоение) – критическая пороговая точка, в которой происходит качественное изменение поведения объекта. Точка ветвления траектории движения (изменения) неравновесной системы в момент ее структурной перестройки. В точках бифуркации система находится одновременно как бы в двух состояниях, и предсказать ее детерминированное поведение невозможно.

Бог – высший сверхъестественный объект (субъект) философской и религиозной мысли. В религиозных верованиях существо (сущность), наделенное непостижимостью для рассудка, всемогущностью, беспредельностью, неизменностью, вечностью, самобытностью. Вера в Бога – основа любой религии.

Биоценоз (греч.–общий) – совокупность животных, растений и микроорганизмов, населяющих участок среды с однородными условиями жизни (луг, озеро, берег реки и т.д.) и характеризующихся определенными отношениями между собой и приспособляемостью к внешней среде.

Биота (греч. – жизнь) – исторически сложившаяся совокупность видов растений, животных и микроорганизмов на определенной территории. В отличие от биоценоза может характеризоваться отсутствием экологических связей между видами.

Биотический потенциал популяции – отношение скорости ее неограниченного роста к численности.

Бифуркационное дерево – схема ветвления бифуркаций.

Биоэтика – понятие на стыке философии, биологии, этики, медицины и т.д., как реакция на новые проблемы жизни и смерти (аборт, клон и т.д.

Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов.

Биогеоценоз – взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергией; биогеоценоз – одна из наиболее сложных природных систем.

Биологическая эволюция – необратимое и в известной степени направленное историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава, популяций, образованием и вымиранием видов, преобразованием биогеоценозов и биосферы в целом.

Валентность – способность атома присоединять или заменять определенное число других атомов или атомных групп с образованием химической связи.

Власть – право и возможность распоряжаться, определяемые сово­купностью полномочий, обеспечивающих с помощью правовых норм, си­ловых структур, мотивационных факторов организацию согласованных действий людей и организаций.

Воздействие управляющее – сознательное действие субъекта управле­ния по отношению к объекту управления с целью перевода его в новое желательное состояние.

Волны жизни (или популяционные волны) – количественные колебания в численности популяций под воздействием различных причин – сезонной периодики, климатических условий и т.д.

Взаимодействие – категория, отражающая активность относительно устойчивых систем движения, направленность действия каждой отдельной системы на другие; категория «отношение» отражает единство зависимости и относительной самостоятельности связи и раздельности в существовании, функционировании и развитии материальных систем.

Вселенная – все то, что существует, или весь объективно существующий мир.

Витализм – объяснение специфики живых организмов наличием в них особой «жизненной силы» (от лат. – жизненный).

Вид – совокупность особей, обладающих общими морфофизиологическими признаками, объединенных возможностью скрещивания друг с другом, формирующих систему популяций, которые образуют общий (сплошной или частично разорванный) ареал.

Воспитание − процесс передачи обществом и освоения индивидом цивилизационного опыта человечества (совокупности социальных установок).

Время – понятие, описывающее последовательность смены явлений и состояний материи, длительность процессов. Форма существования (наряду с пространством) материи, существует объективно и связано с движением материи.

Гармония (греч. – связь, стройность, соразмерность) – соразмерность частей, слияние различных компонентов, явлений, процессов в единое органичное целое с определенным соотношением их частей. В древнегреческой философии – организованность космоса, противостоящая первоначальному хаосу.

Ген (греч. – происхождение) – материальный носитель наследственности, единица наследственной информации, отвечающая за формирование какого-либо признака, способная к воспроизведению и расположенная в определенном участке хромосомы.

Генезис – процесс образования и становления какого-либо природного и социального явления.

Гениальность – наивысшая степень проявления творческих сил.

Генетический код – свойственная живым организмам единая система «записи» наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов.

Генофонд — совокупность всех генов, которые имеются у особей, составляющих данную популяцию.

Геноцид – истребление отдельных групп населения по расовым, национальным, этническим или религиозным признакам.

Географическая среда – земная природа, включенная в сферу человеческой деятельности.

Географическая среда – природа Земли, включенная в сферу человеческой деятельности.

Геоморфология – наука о рельефе.

Гляциология – наука о льде и ледниках.

Географический детерминизм – развитие человечества, определяемое влиянием географической среды.

Герменевтика (греч. – разъясняющий, истолковывающий) – искусство толкования текстов, учение о принципах их интерпретации. В гуманитарных науках как методологическая основа «понимания» (в отличие от «объяснения» в естественных науках).

Гипотеза (греч. – основание, предположение) – научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-то явления и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией.

Глобальный эволюционизм – развитие во времени природы как целого. Все развивается и все влияет на все. Повышение структурной организации, саморазвития и самоорганизации.

Глоссарий – собрание непонятных слов или выражений с их толкованием, иногда с переводом на другой язык.

Голобиоз – объяснение происхождения жизни, основанное на первичности структур, способных к элементарному обмену веществ с помощью ферментов.

Гносеология (греч. – познание) – раздел философии, в котором изучаются закономерности и возможности познания, отношения знаний (ощущений, представлений, понятий) к объективной реальности. Другое название – эпистемология (греч. – знание). В русском употреблении – теория познания.

Гомеостаз (греч. – неподвижность, состояние) – свойство системы поддерживать свои параметры и функции в определенном диапазоне, основанное на устойчивости внутренней среды по отношению к возмещениям внешней среды. В физике – стремление динамической системы вернуться в равновесное состояние.

Галактики – огромные звездные системы, содержащие сотни миллиардов звезд и имеющие диаметр в десятки и сотни тысяч световых лет.

Галактический год – промежуток времени, за которое звезда и связанная с ней планетарная система совершают один оборот вокруг центра Галактики. Солнце вместе с планетами, двигаясь со скоростью около 250 км/с, совершает один такой оборот приблизительно за 200 млн. лет.

Гелиоцентризм (от греч. – Солнце) – концепция, согласно которой Солнце расположено в центре Солнечной системы, а планеты вращаются вокруг него.

Геоцентризм (от лат. – Земля) – концепция, согласно которой в центре нашей планетарной системы находится Земля, а Солнце вращается вокруг нее вместе с другими планетами.

Гомология (от греч.– соответствие, согласие) – соответствие органов у организмов, обусловленное их филогенетическим родством.

Генотип – генетическая (наследственная) конституция организма, совокупность всех его генов. В современной генетике рассматривается не как механический набор независимо функционирующих генов, а как единая система, в которой каждый ген может находиться в сложном взаимодействии с остальными генами.

Гомология органов – соответствие органов на основе общего плана строения, развития из сходных зачатков и способность выполнять как сходные, так и различные функции.

Генетика – наука о наследственности и законах изменчивости организма.

Геном – совокупность всех генов хромосомного набора данного организма. В хромосомах человека локализовано около 100 000 генов. Эти активные гены составляют лишь 2% всего вещества наследственности — дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Остальные 98% служат для регуляции генной активности и, вполне возможно, являются опытным полем эволюции.

Гетеротрофы – организмы, питающиеся органическими веществами. К ним относятся многие микроорганизмы, грибы, все животные и человек.

Дарвин – единица скорости эволюции количественных признаков. 1 Дарвин соответствует изменению среднего значения признака на 1 % за 1000 лет.

Дедукция (лат. выведение) – вывод по правилам логики от общего к частному. Считается, что если посылки дедукции истинны, то истинны и ее следствия. Дедукция – одно из основных средств доказательства.

Действие – фундаментальная физическая величина, задание которой как функции переменных, описывающих состояние системы, полностью определяет динамику системы; имеет размерность произведения энергии на время или количество движения на перемещение.

Детерминизм (лат. – определять) – учение об объективной закономерности взаимосвязи и причинной обусловленности всех явлений природы и общества.

Детерминированный хаос (динамический хаос) – состояние открытой нелинейной системы, когда возможно появление состояния (бифуркации), в котором эволюция системы имеет вероятностный характер. При этом нелинейные системы как бы «выбирают сами» различные траектории развития. Детерминированность проявляется в виде упорядоченного в целом движения (между бифуркациями), а хаос – в непредсказуемости появления этого упорядоченного движения в определенном месте в определенное время.

Дивергенция (лат. – расхождение) – в физике расхождение (обозначается ) потока (вещества, энергии) в пространстве, описывающее меру стоков и истоков внутри какого-то объема. В биологии – расхождение признаков и свойств первоначально близких групп организмов в ходе эволюции. В языкознании – размежевание диалектов одного языка и превращение их в самостоятельные языки. В общем смысле расхождение величин, характеризующее явление или процесс в ходе структурных изменений в системе.

Диверсификация (лат. – изменение, разнообразие) – изменение, расширение объектов деятельности, номенклатуры продукции, рост разнообразия.

Динамическая система – математическое представление реальных систем (физических, химических, биологических и любых других), эволюция которых во времени на бесконечном интервале времени однозначно определена начальными условиями.

Диссимиляция – распад в организме сложных систем на простые, сопровождающийся освобождением энергии. В единстве с ассимиляцией образует обмен веществ.

Диссипативная структура – пространственно-временная структура, упорядоченность и когерентность которой определяется достаточным потоком внешней энергии и интенсивной диссипацией; состояние частичной упорядоченности вдали от равновесия.

Диссипация (лат. – рассеяние) – переход энергии упорядоченного движения в энергию хаотического движения (теплоту).

Диссипативные системы — системы, у которых энергия упорядоченного процесса переходит в энергию неупорядоченного процесса, в конечном итоге в тепловую.

Деятельность − система взаимодействия человека с предметным миром.

Евгеника – учение о наследственном здоровье человека, о возможных методах влияния на эволюцию человечества для совершенствования его природы.

Естественный отбор – механизм отбора наиболее приспособленных к выживанию и размножению организмов в условиях определенной окружающей среды.

Естественная среда – среда обитания человека, включающая живую и неживую природу.

Живое вещество – в концепции И.В. Вернадского совокупность всех живых организмов биосферы Земли, растений и животных, включая человечество, выраженная в элементарном химическом составе, массе и энергии.

Жизненный цикл – совокупность фаз развития, пройдя которые организм достигает зрелости и становится способным дать начало следующему поколению.

Закон – необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся соотношение между явлениями в природе и обществе.

Знание − субъективная форма бытия объекта.

Задача управления — предмет решения, предполагающий необходи­мость действий по переводу объекта управления в иное состояние.

Закон Геккеля – «Онтогенез повторяет филогенез», т.е. стадии, которые проходит организм в процессе своего развития, повторяют эволюционную историю той группы, к которой он относится.

Закон Харди –Вейберга – «Идеальная популяция стремится сохранить равновесие концентраций генов при отсутствии факторов, изменяющих его».

Законы сохранения – законы, согласно которым численные значения некоторых физических величин (интегралы движения в механике) не изменяются с течением времени при различных процессах (законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического и барионного заряда и ряд других).

Замкнутая (закрытая) система— система, в которой нет обмена веществом с другими системами (обмен энергией допускается).

Звезды — самосветящиеся небесные тела, состоящие из раскаленных газов.

Идентификация (лат. – отождествление) – установление соответствия распознаваемого объекта своему образу, признание тождества.

Изменчивость – изменение и превращение организмов под действием внешней среды.

Изоляция (фр. – отделение) – возникновение барьеров, препятствующих свободному скрещиванию организмов, одна из причин разобщения и углубления различий между близкими формами и образования новых видов.

Инвариант (лат. – не изменяющийся) – параметр или функция, описывающая свойства объекта и остающаяся неизменной при определенных преобразованиях системы отсчета, в которой эти свойства описываются.

Инвариантность – в общем смысле неизменность какой-либо величины от конкретных условий, для которых она установлена.

Инволюция (лат. – свертывание) – утрата в эволюции отдельных органов, атрофия органов при патологии и старении.

Индивид – особь, каждый состоятельно существующий организм.

Инкарнация – воплощение.

Интеграция (лат. – восстановление, воссоединение) – объединение в целое каких-либо частей; процесс, ведущий к такому объединению.

Интерес (лат. – иметь значение) – понятие, относящееся к глубинной причине действий человека и социальных групп.

Интродукция (лат. – введение) – вступление, введение; в биологии – переселение отдельных видов животных и растений за пределы естественного ареала обитания.

Интериоризация – переход извне внутрь.

Информация – сведения об окружающем мире и протекающих процессах, получаемые органами чувств человека или устройствами и передаваемые людьми устными, письменными и техническими средствами. Свойство материи, благодаря которому она в лице человека познает самое себя; служит мостом между живой и неживой природой, показателем развития материи.

Истина – адекватное отражение предметов и явлений действительности познающим субъектом, воспроизводящее их так, как они существуют вне и независимо от сознания. Истина всегда конкретна и критерием ее является практика.

Идентификация − форма социализации, благодаря которой индивид отождествляет себя с человеческим родом.

Индивидуализация − форма социализации, превращающая человека в индивидуальность.

Интеграция наук (лат. – целый) – процесс сближения и связи наук, обусловленный возникновением сложных научных проблем.

Инвариантность (от лат.) – неизменность какой-либо величины при изменении условий окружающей среды или преобразованиях системы координат.

Изотропность (греч. – свойство, поворот, направление) – независимость свойств объектов (пространства, вещества и т. д.) от направления их движения.

Изомеры – химические соединения, имеющие одинаковые молекулярную массу и состав, но различающиеся строением.

Изоморфизм — способность химических элементов замещать друг друга в кристаллических соединениях, в результате чего образуются кристаллы переменного состава, аналогичные по структуре.

Ион – электрически заряженные атом или группа атомов, образовавшиеся в результате приобретения или потери избыточных электронов.

Ионизация – превращение в ионы молекул и атомов.

Катализ (греч. – разрушение) – возбуждение химических реакций или изменение скорости их протекания посредством особых веществ – катализаторов, не участвующих непосредственно в реакции, но изменяющих ее ход.

Категория (греч. высказывание, признак) – понятие, выражающее наиболее общие свойства и связи явлений действительности и познания.

Комплементарность (лат. – дополнение) – в молекулярной биологии универсальный химический механизм матричного хранения и передачи генетической информации, в биохимии – взаимное соответствие, обеспечивающее связь дополняющих друг друга структур (макромолекул, радикалов) и определяемое их свойствами.

Космизм — мировоззрение, согласно которому космос взаимосвязан с природой, человеком и обществом.

Конвергенция (лат. – приближение, схождение) – сближение, возникновение или приобретение в результате эволюции сходных признаков. В биологии – возникновение сходства в строении и функциях у относительно далеких по происхождению групп организмов в результате естественного отбора.

Концепция (лат. – понимание, система) – совокупность наиболее существенных элементов теории, система взглядов, то или иное понимание явлений и процессов, изложенные в конструктивной для понимания форме, алгоритм решения проблемы.

Иерархия управления – последовательность уровней управления с указанием их подчиненности друг другу.

Искусство управления – умение применять научные знания по управ­лению, использовать накопленный опыт и полученные навыки творчески применительно к данной конкретной управленческой ситуации.

Качество управления – оценка процесса управления, определяемая степенью достижения поставленной цели.

Катастрофам – учение, основанное на представлениях о сменявшихся в процессе развития Земли периодах относительного покоя короткими катастрофическими событиями, менявшими облик Земли, состав ее животного и растительного мира.

Катализатор – вещество, изменяющее скорость химической реакции и остающееся при этом неизменным.

Кибернетика – наука об общих закономерностях управления в при­роде, обществе, живых организмах и технических системах.

Космизм – учение о связи всех процессов и организмов на Земле с Космосом, человек – часть природы.

Коэволюция – совместная эволюция.

Креативность – творческая энергия, созидающая сила.

Креационизм (лат. – сотворение) – религиозное учение о сотворении мира Богом из ничего, возникновение жизни есть результат божественного творения, отрицающее изменение видов живых организмов в их историческом развитии.

Критерий (греч. – средство для суждения) – признак, на основании которого производятся оценка, определение или классификация чего-либо, мерило оценки.

Кумуляция (лат. – скопление) – эффект накопления, суммирование направленного действия (например, направленный взрыв), в медицине – накопление в организме и суммирование действия лекарственных (или отравляющих) веществ.

Квант – неделимая порция какой-либо частицы, введена М. Планком для обозначения элементарной (наименьшей из возможных) дискретной порции энергии.

Кварк (от немец. чепуха, творог) - элементарная (субэлементарная) частица с дробным электрическим зарядом, участвующая в сильном взаимодействии. Установлено, что протоны и нейтроны состоят из кварков (каждый из трех кварков).

Квазары (от лат.) мощные источники космического радиоизлучения, представляющие собой, скорее всего, исключительно активные ядра очень далеких галактик.

Кибернетика – наука об общих закономерностях управления в при­роде, обществе, живых организмах и технических системах.

Качество − родовой признак объекта.

Количество − мера представленности качества в объекте.

Креативность – творческая энергия, созидающая сила.

Креационизм (лат. – сотворение) – религиозное учение о сотворении мира Богом из ничего, возникновение жизни есть результат божественного творения, отрицающее изменение видов живых организмов в их историческом развитии.

Критерий (греч. – средство для суждения) — признак, мерило, которые используются для оценки, определения или классификации чего-либо.

Концепция коэволюции — концепция совместной согласованной эволюции природы и человека.

Катастрофы — скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Теория катастроф содержит универсальный метод исследования всех скачков, разрывов. В математике катастрофа означает потерю устойчивости системой.

Культура − позитивно значимая совокупность всех подсистем соци­ального опыта человечества; совокупность ценностей.

Климат – среднее состояние разных метеорологических явлений. Климат также может пониматься как некоторая общая характеристика системы, объединяющей атмосферу – гидросферу – криосферу.

Лабильность (лат. – скользящий, неустойчивый) – неустойчивость, изменчивость.

Ландшафт – природный географический комплекс. Его компоненты – рельеф, климат, почвы, воды, растительный и животный мир – взаимосвязаны и образуют неразрывную систему.

Любовь – интимное и глубокое чувство, устремленное на другую личность, человеческую общность или идею, страстное и волевое утверждение бытия предмета любви.

Лидер управления – человек, способный выдвигать продуктивные цели развития, находить оптимальные пути их достижения и объединять разных людей в социальные организации для решения общих задач, максимально использовать творческие возможности как своей личности, так и окружающих его людей, в том числе талантливых, одаренных, неординарных.

Лептоны (от греч. легкий) – группа частиц, не участвующих в сильном взаимодействии.

Менталитет – глубинный уровень коллективного и индивидуального сознания, включающий и бессознательное, совокупность готовностей, установок и предрасположений индивида или социальной группы действовать, мыслить и чувствовать и воспринимать мир определенным образом; хранилище коллективной памяти социума.

Мера – в философии категория, выражающая диалектическое единство качества и количества объекта, указывает предел, за которым изменение количества влечет изменение качества объекта и наоборот, в метрологии - средства измерений, предназначенные для воспроизведения физических величин данного размера; в общем смысле мера как соразмерность лежит в основе гармонии объектов и явлений.

Методология – совокупность наиболее существенных элементов теории, конструктивных для самой науки.

Модель (лат. – мера, образец) – эталон; устройство, имитирующее строение и действие какого-либо реального объекта; совокупность абстрактных представлений о реальном предмете, аналог объекта на формализованном языке.

Морфогенез – возникновение и направленное развитие органов, систем и частей тела организмов как в индивидуальном, так и историческом развитии.

Мутагены – физические и химические факторы или вещества, изменяющие структуру гена и вызывающие мутацию.

Мутагенез – процесс возникновения наследственных изменений - мутаций, появляющихся спонтанно или вызываемых мутагенами.

Мутация (от лат. – изменение, перемена) – внезапные наследуемые изменения генетического материала (естественные или вызванные искусственно), приводящие к изменению признаков организма.

Методы управления – способы воздействия субъекта управления на объект для достижения поставленных целей.

Механизм управления – способ организации управления обществен­ными делами, где взаимосвязаны методы, средства и принципы управле­ния, что и обеспечивает эффективную реализацию целей управления.

Моделирование – исследование объекта управления путем построения и изучения его модели, применение существенных свойств моделируемого объекта к познанию мало изученных реальных социальных систем.

Метод – совокупность правил и приемов, способных обеспечить познание исследуемого объекта и возможности его практического использования. Природа исследуемого объекта и метод его исследования тесно связаны между собой.

Масса – характеристика инерции тела и его гравитационных свойств.

Магма (греч. – густая мазь) – расплавленная вязкожидкая силикатная масса, богатая газами, образующимися в мантии Земли на разных глубинах и выходящая на поверхность при извержениях вулканов в виде лавы. Магма содержит кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий, калий, а также воду, водород, оксиды углерода, сероводород, фтор, хлор и некоторые другие элементы.

Метаморфизм (от греч. – преобразуюсь, превращаюсь) — изменение магматических и осадочных пород в твердом состоянии под воздействием эндогенных факторов.

Материя − объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого сознания.

Метаболизм (от греч. – перемена, превращение) — совокупность всех процессов обмена веществ в растениях, животных, микроорганизмах. Включает в себя всю совокупность реакций, протекающих в клетках и обеспечивающих как расщепление сложных соединений, так и их синтез.

Мифология − символический тип мироосвоения.

Менталитет – глубинный уровень коллективного и индивидуального сознания, включающий и бессознательное, совокупность готовностей, установок и предрасположений индивида или социальной группы действовать, мыслить и чувствовать и воспринимать мир определенным образом; хранилище коллективной памяти социума.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая химическими свойствами этого вещества.

Мировоззрение – система обобщенных взглядов на природу (объективный мир) и место человека в нем.

Наука (1) − исторически сложившийся социальный институт общест­ва, осуществляющий генерацию знаний об объективной реальности (фун­даментальные исследования) и внедрение их (прикладные разработки) в практику.

Наука (2) − номологический тип мироосвоения.

Наука – динамическая система объективно истинных знаний о существующих связях действительности, одна из форм общественного сознания, включает как деятельность по получению знаний, так и ее результат – сумму знаний, лежащих в основе научной картины мира.

Научная деятельность − система деятельности по теоретическому моделированию реального мира.

Наследственность – свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом.

Нелинейность – разнокомпонентность системы, при которой нарушается принцип суперпозиции и результат каждого из воздействий в присутствии другого окажется иным, чем в случае его отсутствия; многовариантность, альтернативность эволюции, ускорения темпов развития, инициирование процессов быстрого нелинейного роста.

Норма – минимальное или предельное количество чего-либо, допус­каемое к использованию в процессе достижения целей, например норма времени, норма ресурсов, в том числе не только природных, но и социаль­ных, информационных, организационных и т.п.

Наследственность – свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом.

Негэнтропия – мера упорядоченности системы, отрицательная энтропия.

Ноосфера (греч. – сфера разума) – в учении В.И. Вернадского часть биосферы, преобразованная человеческой мыслью и трудом в качественно новое состояние – сфера Разума. Термин был введен Леруа в 1924 г. на семинаре Бергсона в Париже, где Вернадский выступал с докладом, впоследствии использовался Тейяр де Шарденом и другими, в настоящее время широко используется в современном естествознании. Для ноосферы характерна тесная взаимосвязь законов природы, мышления и социально-экономических законов, в ней разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором динамики общества и природы, когда разум имеет возможность направлять развитие биосферы в интересах человека, его будущего.

Научная картина мира – целостная система представлений о наиболее общих свойствах и закономерностях природы и общества.

Научный закон – это знание, формируемое людьми в понятиях, содержание которых, однако, имеет свое основание в природе (в объективном бытии).

Нейтрино – легчайшая элементарная частица, участвующая только в слабых и электромагнитных взаимодействиях. Возможно, не имеет массы.

Нейтрон – представляет собой частицу с массой, почти равной массе протона, но лишенной электрического заряда.

Неодарвинизм – эволюционные концепции XX в., признающие естественный отбор основным фактором эволюции.

Номогенез – развитие живой природы под действием заранее предопределенных причин.

Образ – результат и идеальная форма отражения предметов в сознании человека, модель, мысленная конструкция.

Образование − процесс передачи обществом и освоения индивидом информационного опыта человечества (совокупности знаний).

Обучение − процесс передачи обществом и освоения индивидом операционального опыта человечества (совокупности умений).

Общество – обособившаяся от природы часть материального мира, совокупность индивидуумов как единое целое, сложная динамическая система, связывающая людей, объединенных семейными и социальными отношениями.

Оккультизм (лат. – тайный, сокровенный) – учение, признающее существование скрытых сил в человеке и космосе, доступных лишь посвященным, прошедшим специальную психологическую подготовку; противоположно научному мышлению.

Онтогенез (греч. – образование сущего) – индивидуальное развитие организмов, охватывающее все изменения от зарождения до смерти.

Онтология (греч. – учение о сущности) – учение о бытие.

Организация (лат. – сообщаю стройный вид) – внутренняя упорядоченность, взаимодействие частей целого, обусловленное его строением.

Открытые системы – системы, которые могут обмениваться веществом, энергией и информацией с окружающей средой.

Онтология (греч. – учение о сущности) – учение о бытие.

Объект управления – управляемая подсистема (социальные процессы, ресурсы, социальные организации, люди), воспринимающая воздействия со стороны субъекта управления (системы управления, органа управления, руководителя).

Объект – то, что противостоит субъекту, на что направлена его предметно-практическая и познавательная деятельность.

Окружающая среда – все, что окружает человека и человечество. Обусловливается взаимодействиями с космосом, в пределах Земли и в пределах материального мира, созданного самим человеком.

Отношение – отражает единство зависимости и относительной самостоятельности связи и раздельности в существовании, функционировании и развитии материальных систем.

Парадигма (греч. – пример, образец) – научная теория, воплощенная в системе понятий, выражающих существенные черты действительности, исходная концептуальная модель постановки проблем и их решения, методов исследования, господствующих в течение определенного времени в научном сообществе, и дающих представление о мире. Смена парадигм происходит в ходе научных революций.

Парадокс времени – противоречие, возникающее из выводов классической механики с ее обратимостью времени (и в прошлое, и в будущее) и «стрелой времени» – направленностью хода времени, из данных неравновесной термодинамики, биологии, истории, геологии и других наук.

Параметр величина, значения которой служат для различения элементов некоторого множества между собой.

Параметр порядка – переменная, определяющая поведение всей самоорганизующейся системы; функция корреляции, определяющая степень дальнего порядка в системе.

Паранормальные явления – необычные явления, пока не объясняемые наукой.

Пассионарность – в концепции Л.Н. Гумилева повышенное стремление к активности у людей, способных усваивать больше энергии, чем это необходимо для нормальной жизнедеятельности; избыток живого вещества.

Пассионарное напряжение равно количеству пассионариев в этнической системе, деленному на число людей в этносе.

Период (греч. – обход, круговорот) – промежуток времени, охватывающий какой-либо законченный процесс.

Племя – первая форма этнической общности, возникшая в первобытно-общинном строе из нескольких родов на основе их кровных связей.

Понятие – основной начальный элемент разумной деятельности, форма мышления, отражающая общие законы, существенные стороны, признаки явлений, которые закрепляются в их определениях.

Популяция – совокупность особей данного вида, занимающих территорию внутри ареала вида, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от соседних совокупностей того же вида той или иной степенью давления изоляции.. Обладает определенным генофондом и рассматривается как элементарная единица эволюции на популяционном уровне организации жизни.

Порядок – регулярное (периодическое) расположение частиц, объектов, предметов по всему занимаемому пространству (объему): последовательный ход чего-нибудь; правила, по которым совершается что-нибудь; числовая характеристика той или иной величины.

Потенция – скрытая возможность, способность, сила, могущая проявиться при известных условиях.

Планирование – функция управления, процесс разработки планов, где предусматриваются сроки, этапы и показатели управленческой деятельности, просчитываются необходимые ресурсы и возможный конечный результат.

Перспектива в управлении – взгляд в будущее, выработка соответст­вующей стратегии.

Правила – совокупность обязанностей и требований, выполнение кото­рых гарантирует создание определенных условий (дисциплины, порядка).

Праксеология – наука о принципах и методах эффективной деятельности.

Принципы управления – основные правила, которые должны соблю­даться субъектами управления при принятии различного рода управлен­ческих решений. Принципы являются основной формой целенаправленного использования объективных законов в практике управления.

Проблема управленческая – сложная теоретическая или практическая задача, для решения которой не существует общепринятых методов. Про­блема требует изучения, анализа проблемной ситуации, получения полной информации, выработки концепции подхода к ее решению.

Постулат – положение, не обладающее самоочевидностью, но принимаемое в отдельной специальной науке за исходное без доказательств.

Палеонтология – наука о развитии жизни на Земле.

Прогноз – научно обоснованное суждение о возможном состоянии (состояниях) объекта или процесса в будущем, альтернативных путях и сроках их достижения.

Предельный цикл – аттрактор, представляемый кривой в фазовом пространстве, к которой стремятся фазовые траектории динамической системы.

Презумпция (лат.) – предположение.

Прерогатива (лат. – первым подающий голос) – исключительное право.

Принцип – утверждение, основное положение; внутреннее убеждение человека; основная особенность устройства механизма или прибора.

Принцип дополнительности – сформулированный Н. Бором принцип, согласно которому при экспериментальном исследовании микрообъекта могут быть получены точные данные либо об его энергии и импульсе, либо о поведении в пространстве и времени. Имеет более широкое толкование при объяснении явлений в природе, социуме и биосфере и активно используется в современном естествознании.

Принцип достаточного основания Лейбница – в природе «полная» причина любого превращения эквивалентна его «полному» следствию.

Принцип иерархического подчинения (Хакена) – долгоживущие переменные подчиняют себе короткоживущие.

Принцип комплементарности – последовательность оснований в одной нити ДНК в точности предопределяет последовательность оснований в другой нити.

Принцип Ле Шателье – внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия.

Принцип наименьшего действия – один из вариационных принципов механики, согласно которому для данного класса сравниваемых друг с другом движений механической системы осуществляется то, для которого действие минимально.

Принцип И.Р. Пригожина (принцип перехода от хаоса к порядку) – «Источником порядка является неравновесность. Неравновесность есть то, что порождает порядок из хаоса».

Принцип Ф. Реди – все живое от живого.

Принцип фальсификации (введен К. Поппером) – критерием научности теории является ее фальсифицируемость или опровержимость. Если учение (астрология, идеология, теология и т.д.) способно истолковать любые факты в свою пользу, т.е. неопровержимо в принципе, то оно не может претендовать на статус научного.

Парадигма (греч. – пример, образец) – научная теория, воплощенная в системе понятий, выражающих существенные черты действительности, исходная концептуальная модель постановки проблем и их решения, методов исследования, господствующих в течение определенного времени в научном сообществе, и дающих представление о мире. Смена парадигм происходит в ходе научных революций.

Природа – в широком смысле: все сущее, весь мир в многообразии его форм; понятие «природа» в этом значении стоит в одном ряду с понятиями материи, универсума, Вселенной. 2) В более узком смысле природа — объект науки, а точнее — совокупный объект естествознания («наук о природе»). Термин «природа» употребляется также в значении: внутренняя закономерность, сущность вещей и явлений.

Проблема – форма знания, содержанием которой является то, что еще не познано человеком, но это нужно познать; знание о незнании, вопрос, возникающий в ходе познания и требующий ответа.

Пространство – объективная реальность; форма существования материи, характеризующая ее протяженность и объем, сосуществование и взаимодействие материальных объектов и процессов, совокупность отношений координации и расположения объектов друг относительно друга.

Психогенез – процесс становления психики человека.

Психологические технологии – это способы воздействия на психические процессы, качества, явления и отношения, методы воздействия на установки, характер, реакции, волю личности, межличностные взаимодействия.

Период (греч. – обход, круговорот) – промежуток времени, охватывающий какой-либо законченный процесс.

Педагогическая деятельность − система деятельности по передаче социального опыта человечества новым поколениям.

Потребность – нужда в чем-нибудь, требующая удовлетворения.

Погода – совокупность процессов, происходящих в атмосфере данного района в определенный момент времени.

Правила – совокупность обязанностей и требований, выполнение кото­рых гарантирует создание определенных условий (дисциплины, порядка).

Праксеология – наука о принципах и методах эффективной деятельности.

Противоречие − отношение противоположностей.

Прокариоты (от лат.) – организмы, лишенные сформированного ядра (вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли).

Преформизм – эволюционная концепция, согласно которой процесс эволюции сводится к развертыванию информации, заключенной в зачаточных клетках.

Процесс (лат. – продвижение) – последовательная смена явлений, состояний стадий развития.

Протон – представляет собой ядро атома водорода с положительным зарядом, равным по величине заряду электрона, и массой, превосходящей массу электрона в 1836 раз.

Парсек – сокращение слов параллакс – секунда; расстояние, соответствующее параллаксу в 1 угловую секунду.

Пульсары (англ.) – космические объекты, излучающие радиоволны в виде следующих строго друг за другом отдельных импульсов (период импульсов – от долей секунды до нескольких секунд). Предполагается, что пульсары – это быстро вращающиеся нейтронные звезды.

Палеонтология – наука об ископаемых остатках растительного и животного мира.

Психологические технологии – это способы воздействия на психические процессы, качества, явления и отношения, методы воздействия на установки, характер, реакции, волю личности, межличностные взаимодействия.

Равновесие – состояние физической системы, в котором она при неизменных внешних условиях или под воздействием разных, противоположно направленных и взаимно уничтожающихся сил, может пребывать сколь угодно долго; все точки механической системы неподвижны по отношению к данной системе отсчета.

Рациональный (лат. – разум) – разумный, целесообразный, логически обоснованный.

Работа – передача упорядоченного движения от одной системы к другой.

Развитие – это необратимое, направленное, закономерное изменение материальных (организм, экосистема, предприятие и.т.д.) и идеальных (язык, культура, религия, наука) объектов. Только одновременное наличие трех указанных свойств выделяют процессы развития среди других изменений.

Реакционная способность – активность отдельных химических связей, а также частей молекул.

Разум – деятельность через понимание сущности явлений и процессов, познание, для которого характерно творческое оперирование абстракциями и сознательное исследование их природы.

Религия (лат. – набожность, святыня) – мировоззрение и мироощущение, а также соответствующее поведение и специфические действия (культ), основанные на вере в существование Бога и богов, догматический тип мироосвоения.

Регионализм – это самая ранняя стадия развития дезинтегра­ции, в пределах которой неудовлетворенные своим положением этнические и региональные группы выступают за реформы в рам­ках существующего государственного устройства, добиваясь при­знания культурной самобытности района, большей экономичес­кой самостоятельности.

Реликт (лат. – остаток) – организм, предмет или явление, сохранившееся как пережиток от древних эпох.

Реновация (лат. – обновление) – объект исчезает в одной точке и возникает в другой.

Редукционизм – сведение процессов жизнедеятельности к совокупности определенных химических реакций.

Рудименты структуры, сравнительно упрощенные по сравнению с гомологичными структурами предков. В процессе эволюции они утратили свое основное функциональное назначение, но в отличие от атавизмов встречаются у всех особей данного вида.

Репликация (лат. – повторение) – в молекулярной биологии удвоение молекулы ДНК, удвоение хромосом. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению.

Репродукция (лат.) – воспроизведение.

Рефлексия – (лат. – обращение назад) – размышление, самонаблюдение, самопознание; в философии – форма теоретической деятельности человека, направленной на осмысление своих собственных действий, взгляд на себя снаружи, понимание чужих замыслов и отношения к себе других субъектов.

Рецессивность – форма взаимоотношений двух аллельных генов, при которой один из них – рецессивный – оказывает менее сильное влияние на соответствующие признаки особи, чем другой – доминантный.

Рецессивный – подавляемый.

РНК – рибонуклеиновая кислота – одна из нуклеиновых кислот, характерная составная часть цитоплазмы животных и растительных клеток.

Род – это группа людей, связанных единым происхождением по одной линии: материнской или отцовской. Род возникает из первобытного человеческого стада и дает начало виду этнических особенностей.

Радиоактивность – испускание излучения естественного происхождения некоторыми минералами. Выявлено три типа этого излучения: α -лучи — тяжелые положительно заряженные частицы (ядра гелия), β -лучи — отрицательно заряженные легкие частицы (электроны), γ -лучи — нейтральное излучение, не обладающее массой.

Сакраментальный (лат. – освящение, святость) – священный, заветный, традиционный.

Самоорганизация – процесс спонтанного возникновения порядка и организации из хаоса и беспорядка в открытых неравновесных системах. За счет неограниченного роста флуктуаций при поглощении энергии из среды система достигает некоторого критического состояния и переходит в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с предыдущим.

Самость – архетип целостной личности.

Самоуправление – самостоятельность социальных организаций, за­ключающаяся в реальной возможности и праве самостоятельно, под свою ответственность, решать важные вопросы своей жизнедеятельности и при­нимать управленческие решения для достижения конечных результатов. Самоуправление связано с изменением соотношения централизации и де­централизации в системе управления.

Саморегулировани е – способность системы самостоятельно без воздей­ствия извне реагировать на внешние воздействия, нарушающие ее нормаль­ное функционирование. Саморегулирование достигается с помощью обрат­ной связи и осуществляется в форме самонастройки и самоорганизации.

Семантика (греч. – обозначающий) – значения единиц языка; раздел, изучающий значения единиц языка, прежде всего слов.

Симбиоз – формы тесного сожительства двух организмов разных видов, включая паразитизм.

Синтез ( греч. – соединение, сочетание) — метод исследования какого-либо явления, предмета процесса как единого целого, исходя из взаимной связи его частей.

Синергетика (греч. – согласованное действие) – область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающаяся процессов самоорганизации. Синергетика является теорией самоорганизации систем различной природы. Термин ввел Г. Хакен.

Синергетическая информация – такая, которая приводит к порождению совместных, согласованных, кооперативных действий системы.

Связь – категория управления, отражающая формы взаимодействия элементов системы. Посредством связи формируются отношения, опреде­ленные для данной структуры.

Система – множество взаимодействующих элементов, находящихся в отношениях связи друг с другом, составляющих целостное образование. Организационная система характеризуется тем, что ее целостность всегда больше составляющих ее элементов подсистем.

Системный подход – совокупность методов и средств, позволяющих исследовать свойства и структуру объекта в целом, представив его в качестве системы, подготовить и обосновать комплексные управленческие решения с учетом всех взаимосвязей, отдельных структурных частей, их взаимовлияния и выявления воздействия системы в целом на каждый элемент системы.

Синергетический подход — это системный подход в узком смысле, предполагает развитие по нелинейному бифуркационному сценарию, есть холистско-эмердгентный подход не гарантирующий целостность системы, т. е. не исключающий, а включающий парадоксы. Синергетический подход подразумевает созидание природо-культуро-социосообразной синергетической среды, состоящей из совокупности информационной, эргономической, этногенетической, экономической, правовой компонент, в которой имеет место безопасная жизнедеятельность, синергетический стиль действия, на основе реализации алгоритма реальности.

Синергетический стиль управления – совокупность наиболее эффективных методов воздействия на объект управления в результате проектирования синергетической среды в управлении, позволяющий вести адекватную управленческую деятельность в условиях кризисного, неравновесного и неопределенного объекта с целью достижения должного уровня качества жизни.

Синкретность – нерасчлененность.

Социальный (этнический) конфликт это насильственная форма диалектического взаимодействия субъектов социальных отношений, детерминированная не­совместимостью их интересов и ценностей и по своей сути сводящаяся к распределению и перераспределению жизненных ресурсов, под которыми следует понимать средства и условия существования и развития этих субъ­ектов (материальные и духовные ценности, способные удовлетворять их многообразные потребности, собственность, власть, территория и т.п ., – атрибуты этносов ).

Социальное напряжение – это состоя­ние социальной системы (или подсистемы), характеризующееся нарушением равновесия в балансе обмена деятельностью между ее компонентами и со­провождающееся эмоциональными реакциями негативного плана со сторо­ны субъектов социально-этнических отношений (такими, как беспокойство, страх, враждебность, агрессивность).

Социальные технологии – инновационный раздел социологии управ­ления, изучающий систему методов выявления и использования скрытых потенциалов социальной системы, получения социального результата при наименьших управленческих издержках.

Способности – предрасположенность, склонность и умение выполнять какие-либо действия. В основе способностей лежит одаренность. Для системы управления важно своевременно выявлять и использовать способ­ности работника, в том числе и управленческие, создавать условия для их проявления и развития.

Событие – процесс преобразования, связанный с динамикой пространства и времени. Детерминированные события – предсказуемые, стохастические – вероятностные.

Cоматический – телесный (сома – тело).

Состояние – характеристика системы, определяемая значениями характерных для данной системы параметров состояния (если они не зависят от времени, то устойчивое стационарное состояние, если изменяются во времени, то процесс).

Социогенез – процесс исторического становления социума.

Социум – в широком смысле – совокупность исторически сложившихся форм совместной деятельности людей, в которой действуют социальные закономерности; в узком смысле – исторически конкретный тип социальной системы (капитализм, социализм и т.д.) определяет форму социальных отношений.

Селекция (от лат.– выбор, отбор) — выведение новых пород, сортов растений и животных на основе научных методов отбора.

Становление – изменчивость вещей и явлений: синоним развития, процесс создания предпосылок, элементов предмета, возникающего на их основе.

Стационарные состояния – устойчивые состояния, в которых все характеризующие систему физические величины не зависят от времени.

Стереотип поведения – система поведенческих навыков, пере­даваемая из поколения в поколение через обучение и воспитание и в большей мере через условный рефлекс подражания. Первое относится к сознательным действиям – к социосфере, вто­рое к подсознательным – к биосфере, а также к этносфере.

Страсть – неудержимое стремление к чему-либо или кому-либо.

Стрела времени – направленный ход времени.

Стресс – совокупность состояний человека, возникающих в ответ на разнообразные экстремальные воздействия.

Структура (лат. – строение, расположение) – совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т.е. сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях, взаиморасположение и связь составных частей чего-либо, строение.

Стыд – дискомфорт, вызванный внутренним осуждением неправедного поступка.

Субъект – носитель предметно-практической деятельности и познания (индивид или социальная группа), источник активности, направленной на объект.

Сукцессия (лат. – преемственность) – последовательная смена одних сообществ организмов (биоценозов) другими на определенном участке среды.

Суперпозиция – наложение независимых событий, состояний, явлений.

Сущность (лат.) – внутреннее содержание предмета, выражающееся в единстве всех его многообразных свойств и отношений, воплощение главной определяющей стороны предмета.

Сублимация (лат. – возносить) – переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу.

Сознание − субъективная реальность; содержание всех форм общественного и индивидуального духовного мира; свойство человеческого мозга отражать объективный мир в идеальных образах, которые выражаются в языке и служат регуляторами человеческой деятельности.

Социализация − передача обществом и освоение индивидом социального опыта человечества.

Способность − социально заданная возможность формирования функциональных систем (умения) на биопсихическом субстрате человека.

Становление – изменчивость вещей и явлений: синоним развития, процесс создания предпосылок, элементов предмета, возникающего на их основе.

Стереотип поведения – система поведенческих навыков, пере­даваемая из поколения в поколение через обучение и воспитание и в большей мере через условный рефлекс подражания. Первое относится к сознательным действиям – к социосфере, вто­рое к подсознательным – к биосфере, а также к этносфере.

Схоластика – философское течение, главной целью которого являлась защита христианских догматов

Синергизм – взаимное влияние, содействие, поддержка.

Синергия – совместное взаимодействие различных потенций или видов энергий в целостном действии.

Сложная система – собирательное название систем, состоящих из большого числа взаимосвязанных элементов (строгое математическое определение этого понятия отсутствует).

Табу – система запретов на совершение определенных действий (употребление каких-либо предметов, произнесение слов).

Таксон – общее обозначение любого систематического подразделения живого мира: подвида, вида, рода, семейства, отряда, класса, типа, царства.

Телеология (греч. – цель... логия) - учение, приписывающее процессам и явлениям природы цели (целесообразность или способность к целеполаганию); всякое развитие в мире служит осуществлением предопределенных целей; в религиозной философии эти цели устанавливаются Богом.

Теология (греч. – бог и... логия) – совокупность религиозных доктрин о сущности и действии Бога.

Теоремы Геделя – теорема о полноте теорий, в общем смысле знаний, из которых следует, что не существует полной формальной теории, где были бы однозначно доказуемы все истинные теоремы.

Теория (греч. – рассмотрение) – совокупность научных положений, образующих какую-либо науку или раздел, форма научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существенных связях действительности.

Термин (лат. – граница, раздел) – слово или сочетание слов, точно обозначающее определенное понятие, применяемое в науке, философии и социуме.

Тектонические движения — движения земной коры под воздействием внутренней — тепловой, радиоактивной, химической — энергии Земли, создающие все крупные формы рельефа земной поверхности.

Техносфера – область человеческой деятельности на Земле, изменяющая природные условия.

Типология научного знания − дифференциация частных наук по общему предметному основанию: естествознание (науки о природе), технознание (науки о технике), обществоведение (науки об обществе), человековедение (науки о человеке).

Техника − совокупность материальных искусственных средств человеческой деятельности.

Технология − совокупность способов (программ) создания, преоб­разования, консервации и трансляции искусственных материальных систем.

Толерантность (лат. – терпение) – в иммунологии состояние организма, при котором он не способен синтезировать антитела; в биологии – способность организма переносить неблагоприятное влияние того или иного фактора среды; в социологии – терпимость к чужим мнениям, верованиям, поведению.

Труд – целесообразная деятельность человека, направленная на созда­ние материальных и духовных ценностей, необходимых для жизни людей.

Тавтология (греч. – то же самое слово) - сочетание или повторение одних и тех же близких по смыслу слов, в общем смысле - явный круг в определении, доказательстве, предположении и т.д.

Таксоны (греч.) – гипотетические частицы, которые могут двигаться со скоростью, большей скорости света в вакууме. Формально их существование не противоречит теории относительности, но для них не выполняется принцип причинности. Экспериментально не обнаружены.

Таксономия (греч. – закон порядка) - теория и метод систематизации, классификации.

Трансдукция – перенос генов из одной клетки в другую с помощью вирусов.

Управление – процесс усиленного воздействия субъекта управления на объект для обеспечения его эффективного функционирования и развития.

Универсум − совокупность всех форм актуального и потенциального бытия.

Устойчивость – свойство системы возвращаться к исходному состоянию после отклонения от этого состояния, несмотря на действие различных сил; способность противостоять воздействиям экстремальных факторов среды.

Унификация — приведение каких-либо представлений к единообразию:

единой форме, системе и т. п.

Фаза (греч. – появление) отдельная стадия в развитии какого-либо явления или процесса в природе или обществе; в физике – состояние колебательного процесса в определенный момент времени, в химии (металловедении) – однородная по химическому составу и физическим свойствам часть термодинамической системы.

Феномен (греч. – являющейся) – необычный, исключительный факт, явление, которое можно наблюдать.

Фенотип – совокупность всех признаков и свойств организма, сформировавшихся в процессе его индивидуального развития, складывается в результате взаимодействия генотипа и окружающей среды, в общем смысле – конструктирование организма.

Филогенез (греч. – род) – процесс исторического развития биологии организмов, их видов, родов, семейств; в общем смысле - история развития биологического вида.

Флора – совокупность всех видов растений какой-либо местности или геологического периода.

Флуктуация (лат. – колебания) – случайное отклонение системы от равновесия.

Фобия (греч. – страх) – навязчивый страх, разновидность навязчивых состояний.

Форма (лат.) – способ существования и выражение содержания; принцип упорядоченности, синтезирования материи; внешнее очертание, наружный вид контура предмета (тела); в математике – многочлен нескольких переменных, все члены которого имеют одну и ту же степень. Бывают бинарные, линейные, квадратичные, кубические формы.

Формализация – отображение содержательного знания в знаковом формализме (формальном языке), созданном для точного выражения мыслей и понятий с целью исключения неоднозначного понимания.

Фундаментальные взаимодействия – четыре вида взаимодействий посредством соответствующих полей и частиц-переносчиков взаимодействия с характерными для них мировыми константами: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Ферменты (от лат. – закваска) — биологические катализаторы, осуществляющие и регулирующие обмен веществ в организме. По своему химическому составу (природе) ферменты являются белками.

Философия − концептуальный тип мироосвоения.

Фракталы (от англ.) – самоподобные объекты, в которых по мере увеличения обнаруживается все большее число деталей. Имеют размерность, промежуточную между точкой и линией, линией и поверхностью, поверхностью и объемом. Фракталы не являются ни точками, ни кривыми, ни поверхностями, ни топологическими многообразиями. Термин введен французским математиком Б. Мандельбротом в 1977 г.

Хаос (греч.) в древнегреческой философии беспредельная первобытная масса, неупорядоченная первопотенция Мира, из которой образовалось впоследствии все существующее; в общем смысле – полный беспорядок, нарушение последовательности, стройности; в физику понятие хаоса ввели Больцман и Гиббс.

Холизм (греч. – целое) – концепция, согласно которой роль целого является определяющей, а влияние отдельных частей – несущественным.

Хромосомы (от греч.– цвет и – тело) – органоиды клеточного ядра, являющиеся носителями генов и определяющие наследственные свойства клеток и организмов. Способны к самовоспроизведению, обладают структурной и функциональной индивидуальностью и сохраняются в ряду поколений. Термин «хромосома» предложен в 1988 г. В. Вальдейером. Основу хромосомы составляет одна непрерывная двухступенчатая молекула ДНК (в хромосоме около 99% ДНК клетки).

Целостность – внутреннее единство объекта, независимость от окружающей среды; в искусстве – эффект восприятия объекта искусства как единого организма, в котором все части закономерно слиты в одно целое; объективный критерий гармонии, достигается подчинением структурной организации объекта, законам, определяющим образование форм живой природы и форм кристаллов.

Цель – идеальное мысленное предвосхищение результата деятельности; структуры-аттракторы системы; продукт самоорганизации.

Целевая комплексная программа – комплекс мер, направленных на достижение заданных конечных результатов и решений конкретных обще­ственных проблем.

Цель управления – желаемое, возможное и необходимое состояние системы, которое должно быть достигнуто.

Ценность – положительная или отрицательная значимость объектов окружающего мира для человека, класса, группы, общества в целом, определяемая не их свойствами, а их вовлеченностью в сферу человеческой деятельности, интересов, потребностей, социальных отношений.

Цивилизация – уровень общественного развития, материальной и духовной культуры.

Цикл управления – полная совокупность периодически следующих друг за другом составляющих процесса управления: а) получения информации; 6) принятия управленческого решения; в) передачи решения для реализации

Цикл (греч. – колесо, круг, кругооборот) — совокупность каких-либо явлений, процессов, совершающихся в определенной последовательности в течение какого-либо промежутка времени и составляющих завершенный круг какого-либо развития.

Цефализация – совершенствование мозга в эволюционном процессе.

Ценность − позитивно значимое явление для человека.

Человек − единичный представитель человеческого рода.

Эволюционизм – теория, определяющая развитие только как постепенное количественное изменение, отрицающее скачкообразные переходы.

Эволюция (лат. – развертывание) – процесс непрерывного развития, изменения в живой и неживой природе и социуме, их направленности и закономерностях; в биологии определяется наследственностью, изменчивостью и естественным отбором. В классической физике эволюция – это стремление к равновесию.

Эгрессивная система (лат. – выхождение из ряда) – искусственно замкнутая система, в которой вся совокупность активностей сосредоточена во властной структуре.

Эзотерика, эзотеризм – учение о таинствах.

Экзогенный – вызываемый внешними причинами.

Экология (греч. – дом, местопребывание) - наука, исследующая проблемы взаимоотношения человека с окружающей средой.

Экосистема – единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания.

Элиминация (лат. – изгоняю за порог) – исключение излишнего разнообразия и отбор необходимого материала для удержания системой устойчивости и активности развития.

Элементарные частицы – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физике термин употребляется (менее строго) для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчиненных условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон).

Эмоция (фр. – волнение) - реакция организма на внутреннее и внешнее раздражение, имеющая ярко выраженную субъективную окраску.

Энтелехия (греч. – завершение) – в философии Аристотеля целенаправленное начало, превращающее возможность в действительность.

Энтропия (греч. – поворот, превращение) – термодинамическая функция S, характеризующая меру внутренней неупорядоченности системы; в изолированной системе энтропия остается постоянной при обратимых процессах и в равновесии максимальна или возрастает при необратимых.

Эпистемология (греч. – знание и ...логия) – то же, что гносеология и теория познания.

Эргономика (греч. – работа и закон) – изучает человека или группы людей и его (их) деятельность в условиях совместного производства с целью оптимизации орудий, условий и процесса труда.

Этногенез (греч. – племя, народ и ...генез) – процесс развития этноса от возникновения до исчезновения его под влиянием энтропийного процесса потери пассионарности, в общем смысле – происхождение народов.

Этнос – это специфическая форма существования вида Homo sapiens, а этногенез – это локальный вариант внутривидового формообразования, определяющийся сочетанием исторического и хорономического (ландшафтного) факторов.

Этнология – наука, изучающая бытовые и культурные особенности народов мира.

Этология (греч. – обычай, характер и ...логия) – биологическая наука, изучающая поведение животных в естественных условиях.

Эффект бабочки (эффект Э. Лоренца) – в системах с хаотическим поведением частиц имеется большая чувствительность к начальным условиям. Начальные отклонения с течением времени нарастают, малые причины приводят к большим последствиям.

Эволюционное учение – вся система эволюционных взглядов: теория эволюции, различные эволюционные гипотезы и концепции, история эволюционной мысли, методы изучения эволюционного процесса.

Эпигенез – концепция, согласно которой развитие организма представляет собой процесс полного новообразования, зависящего лишь от внешних и нематериальных факторов.

Экзогенный – вызываемый внешними причинами.

Экзотермическая и эндотермическая реакции — химические реакции, характеризующиеся выделением и поглощением энергии в процессе их протекания.