close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Losev1

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
К. В. Лосев, В. В. Михайлов, А. В. Яковлев
КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2016
УДК 165
ББК 87
Л79
Рецензенты:
доктор философских наук, профессор С. В. Орлов;
доктор философских наук, профессор И. Б. Градинер
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Лосев, К. В.
Л79 Концепции современного естествознания: учеб. пособие /
авт.-сост.: К. В. Лосев, В. В. Михайлов, А. В. Яковлев. –
СПб.: ГУАП, 2016. – 153 с. ISBN 978-5-8088-1149-2
Рассматриваются исторические тенденции развития мировой
науки, основные школы и теоретические направления современного естествознания.
Предназначено для студентов второго курса при подготовке к лекционным и семинарским занятиям.
УДК 165
ББК 87
ISBN 978-5-8088-1149-2
©
©
Лосев К. В., Михайлов В. В.,
Яковлев А. В., 2016
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2016
ПРЕДИСЛОВИЕ
Основное назначение дисциплины «Концепции современного
естествознания» (КСЕ) – повышение общекультурного статуса через ознакомление с естественно-научной культурой и уровня эрудиции в области современного естествознания, достижение высокого и устойчивого уровня профессионализма через фундаментализацию естественно-научного образования. Общий замысел дисциплины состоит в том, чтобы представить естествознание как феномен мировой культуры, что подразумевает изложение не только
технических и технологических приложений естественных наук,
но, прежде всего, представлений о классической и неклассической
стратегиях мышления. Эти стратегии исторически формировались
благодаря изучению природы, но в настоящее время их следует рассматривать как достояние единой мировой культуры. Оно состоит
в том, что благодаря становлению стратегий естественно-научного
мышления человечество приобрело опыт понимания природы и
осознания значимости мысленной позиции исследователя для получения профессионального знания.
Материал пособия соответствует требованиям ФГОС-3+, которые сводятся к следующему:
– естествознание рассматривается как самостоятельная наука
со своим предметом и методами исследования;
– в естествознании существуют сквозные специфически естественно-научные идеи и принципы, отличные от общеметодологических и частнодисциплинарных;
– естествознание является одним из центров роста и объединения мировой научной культуры.
Цели изучения дисциплины:
– дать понимание специфики естественно-научного компонента
культуры, его связей с особенностями мышления;
– сформировать представления о ключевых особенностях стратегий современного естественно-научного мышления;
– дать представления о естественно-научной картине мира как
концептуальной модели природы, отражающей целостность и многообразие окружающего мира;
– дать понимание сущности важнейших естественно-научных
концепций, определяющих облик современного естествознания,
направлениях их развития в историческом аспекте;
– сформировать систему общих знаний о живой и неживой природе и законах ее существования;
3
– дать понимание проблем экологии и биоэтики в их связи с основными концепциями естествознания.
В области воспитания личности целью учебной подготовки по
дисциплине является формирование качеств научной эрудированности и компетентности, организованности, профессиональной
инициативности.
В ходе изучения дисциплины студенты должны приобрести:
– знания:
– основных естественно-научных явлений и их практического
применения;
– основных современных естественно-научных концепций,
принципов, теорий, их взаимосвязи и взаимовлиянии;
– важнейших исторических аспектов развития естествознания;
– наиболее распространенных методов исследования в современных областях научного естествознания;
– умения:
– объяснять наблюдаемые природные и техногенные явления
с позиций фундаментальных естественно-научных законов;
– работать с литературой естественно-научного направления
разного уровня (научные монографии и статьи, научно-популярные издания, периодические журналы), в том числе на иностранных языках;
– навыки:
– использования основных естественно-научных законов и принципов в ходе профессиональной деятельности;
– применения основных методов естественно-научного анализа
для понимания и оценки природных явлений.
Дисциплина базируется на знаниях, приобретенных студентами
при изучении следующих дисциплин: всеобщей истории, теоретической физики, химии, биологии, физиологии человека, истории
науки, методологии научных исследований.
4
Глава 1
МЕСТО ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
В СИСТЕМЕ НАУЧНОГО ЗНАНИЯ
Опыт и познание
Как писал выдающийся русский историк и писатель Николай
Карамзин (1766–1826), любопытство сродни человеку и просвещенному, и дикому. С возрастом неосознанное стремление познать
окружающий мир постепенно перерастает в осознанную форму
любопытства – желание познать законы, которые управляют природой, и способы их применения, позволяющие человеку предвидеть возможные последствия своих действий. Законы о природе и
способы их применения – концентрированный опыт человечества,
составляющий опору практической деятельности человека, способную защитить его от возможных ошибок и неудач и помочь достичь желаемых целей. Концентрированный опыт человечества –
фундаментальная и необходимая основа любого образовательного
процесса: человек должен знать, как функционирует сложнейшая
система – природа Земли – частью которой является он сам.
Каждая эпоха рождает новые знания о природе и новый опыт восприятия окружающего мира и нас самих. Но такие знания и опыт
не есть новое мировоззрение. Это лишь шаг, абсолютно необходимый для формирования мировоззрения. Людям необходимы самые
разнообразные знания и все то рациональное, что добыто современной наукой, чтобы использовать могущество человека и природы во
благо человека. Человек обладает разумом, благодаря которому он
познает окружающий мир, обладает способностью анализировать
происходящее и предвидеть некоторые фрагменты будущего, хотя
полностью предсказать будущее ему не дано. Но разум не всесилен,
и абсолютизация его возможностей крайне опасна. Вот почему мировоззрение нельзя свести к чисто научному, рационалистическому миропредставлению. В формировании мировоззрения участвует
множество факторов. Это религия, семейные традиции, образование, социальное общение, трудовая деятельность и многое другое.
Но в процессе обучения необходимо выделить рациональное ядро
мировоззрения, то, что должно быть общим для всех людей, на что
человек может надежно опереться в своей практической деятельности. Рациональное начало нельзя смешивать с иррациональным, то
есть с тем, что не является логическим следствием того или иного
эмпирического обобщения. Каждый человек живет в своей ирраци5
ональной среде, играющей важную роль в его действиях и судьбе.
Трудно объяснить иррациональную сущность человека, так как
она обладает своеобразной спецификой и индивидуальными особенностями, присущими каждому человеку.
Рациональное и иррациональное познание
Мир человека – это неразрывная связь рационального и иррационального – интуиции, инстинктов, прозрений, нелогичности поведения и т. п. Любые рациональные действия, основанные на эмпирических фактах, всегда сопряжены с иррациональными элементами. Мировоззрение, включающее рациональное и иррациональное
начала, отличается от науки как целенаправленной познавательной
деятельности. Наличие иррациональной составляющей мировоззрения обусловливает невозможность его ограничения определенными
рамками: в частности, нельзя поставить в его основу только одну
какую-либо философскую систему. Познание может быть донаучным, вненаучным и научным. Наука представляет собой лишь одну
из исторических форм познания мира. Долгое время познание развивалось в донаучных формах (мифология, религия и др.). Вместе
с тем некоторый познавательный момент несомненно свойствен (был
всегда и присутствует сейчас) и ненаучным формам духовной культуры – искусству, политическому сознанию, правосознанию, морали и религии. Донаучное и вненаучное обыденное, житейское знание позволяет лишь констатировать и поверхностно описывать состояния предметов, вещей, фиксировать некоторые факты. Научное
знание предполагает не только описание, но и объяснение фактов,
выявление всего комплекса причин, порождающих явление. Наука
ориентирована на получение такого нового знания, истинность которого не просто утверждается, но и доказывается, обосновывается,
ориентирована на строгую, последовательную организацию знания,
на его систематизацию, получение достоверных предсказаний и т. п.
В разных отраслях познания переход от донаучного знания к научному происходил в разное время и был связан с осознанием идеи
доказательности и обоснования знания, с определением предмета познания, соответствующих ему исходных понятий и методов, с открытием общих законов, позволяющих объяснять множество фактов,
с формулированием базовых принципов, на которых создается фундаментальная теория и др. В математике и астрономии такой переход
совершился еще во времена античности, физике – в XVII в., химии –
в XVIII в., биологии – в XIX в. и т. д.
6
Определения научного знания
Основные определяющие науку признаки немецкий философ
Георг Гегель (1770–1831), основоположник диалектики, сформулировал так:
1) существование достаточного объема опытных данных;
2) построение модели, систематизирующей и формирующей
опытные данные;
3) возможность на основе модели предсказать новые факты, лежащие вне первоначального опыта.
Названными признаками можно описать любое естественнонаучное открытие. Например, периодический закон Менделеева
позволил составить таблицу химических элементов, представляющую собой модель, систематизировавшую огромный экспериментальный материал и позволившую вначале предсказать, а затем и
открыть ранее неизвестные химические элементы. Перечисленные
признаки содержатся и в современном определении науки: наука –
сфера человеческой деятельности, функция которой – выработка и
теоретическая систематизация объективных знаний о действительности. Данное определение, как и любое другое, носит в некоторой
степени аксиоматический характер, то есть содержит недоказуемые элементы. Одна из теорем австрийского математика и логика
Курта Геделя (1906–1978), доказанная им в 30-х гг. XX в., гласит,
что в любом языке (наука – это язык) существует истинное недоказуемое высказывание. Это известная теорема о неполноте любой
содержательной аксиоматической системы. Более того, аксиомы
потому и аксиомы, что они не доказываются, а принимаются на
веру. Конечно, большинство аксиом обобщает абстрагированный
опыт, который и не нуждается в доказательствах, и нет ничего удивительного в том, что ему нужно верить. Но есть и такие аксиомы и
утверждения, которые ни из какого опыта не следуют. Например,
в геометрии Евклида аксиома о параллельных линиях, в физике
постулаты Бора, постулаты теории относительности и др. – все они
принимаются на веру. Таких аксиом и постулатов становится все
больше, а это означает, что граница между наукой и религиозными
знаниями, основанными на вере, размывается.
Наука, религия и нравственность
В современном естественно-научном познании все чаще ученый сталкивается с ситуацией, когда поиск истины оказыва7
ется тесно связанным с нравственными проблемами. В таких
передовых областях современного естествознания, как изучение генома человека, клонирование и других, основным ориентиром деятельности ученого-естествоиспытателя должны
быть те нравственные нормы и принципы, которые выработались и подтверждались жизнью в течение длительного периода времени. Главные нравственные принципы – это заповеди,
сформулированные еще в древние времена в Нагорной проповеди. По-прежнему актуально сегодня мудрое напоминание
Серафима Саровского о необходимости избегать рассеяния
ума, пробуждать у людей голос совести, сердечное сокрушение и желание перемен к лучшему. Не менее актуальны слова
Альберта Эйнштейна (1879–1955): «Наука без религии хрома,
а религия без науки слепа»1.
Фундаментальные науки
Каждая наука характеризуется собственными особенностями
познавательной деятельности. Науки различаются предметом познания, средствами и методами познания, формами результата познания, теми системами ценностей, идеалами, методологическими
установками, стилями мышления, которые функционируют в данной науке и определяют отношение ученых и к процессу познания,
и к социально-культурному фону науки.
Фундаментальные науки имеют своей целью познание объективных законов мира: как они существуют «сами по себе» безотносительно к интересам и потребностям человека. К фундаментальным относятся: математические науки, естественные науки (механика, астрономия, астрофизика, физика, химическая
физика, физическая химия, химия, геохимия, геология, география, биохимия, биология, антропология и др.), социальные
науки (история, археология, этнография, экономика, статистика, демография, науки о государстве, праве, история искусства
и др.), гуманитарные науки (психология и ее отрасли, логика,
лингвистика, филология и др.). Фундаментальные науки потому и называются фундаментальными, что своими основополагающими выводами, результатами, теориями они определяют содержание научной картины мира.
1
8
Энштейн А. Теория относительности // Избр. работы. Ижевск, 2000. С. 224.
Прикладные науки
Прикладные науки нацелены на разработку способов применения полученных фундаментальной наукой знаний объективных законов мира для удовлетворения потребностей и интересов людей.
К прикладным наукам относятся: кибернетика, технические науки
(прикладная механика, технология машин и механизмов, сопротивление материалов, техническая физика, химико-технологические науки, металлургия, горное дело, электротехнические науки,
ядерная энергетика, космонавтика и др.), сельскохозяйственные
науки (агрономические, зоотехнические); медицинские науки; педагогическая наука и т. д. В прикладных науках фундаментальное
знание приобретает практическое значение, используется для развития производительных сил общества, совершенствования предметной сферы человеческого бытия, материальной культуры.
Научная культура. Гуманитарные и естественные науки
Совокупность систем ценностей, идеалов, методологических
установок, стилей мышления, присущих отдельным наукам и их
комплексам, иногда называют научной культурой; говорят, например, о культуре гуманитарного познания, культуре естественно-научного познания, культуре технического знания и т. п. Характер
научной культуры многое определяет и в проблемах организации
науки, и в проблемах отношения науки и общества. Здесь и вопросы
нравственной ответственности ученого, особенности «этики науки»,
отношение науки и идеологии, науки и права, особенности организации научных школ и управления научными исследованиями и т. п.
Наиболее контрастны такие различия «научных культур» между
культурами гуманитарного и естественно-научного познания.
Широко распространены представления о «двух культурах» в науке – естественно-научной культуре и гуманитарной. Английский историк и писатель Ч. П. Сноу (1905–1980) написал книгу о «двух культурах», которые существуют в современном индустриальном и постиндустриальном обществе, – естественно-научной и гуманитарно-художественной. Ученые, посвятившие себя изучению гуманитарных и точных
отраслей знания, все более и более не понимают друг друга. По мнению
Сноу, это очень опасная тенденция, которая грозит гибелью всей человеческой культуре. Действительно, существуют различия между естественно-научным и гуманитарным познанием. Естествознание ориентировано на повторяющееся, общее и универсальное, абстрактное;
9
гуманитарное познание – на специальное, конкретное и уникальное,
неповторимое. Цель естествознания – описать и объяснить свой объект,
ограничить свою зависимость от общественно-исторических факторов
и выразить знание с позиций вневременных принципов бытия, выразить не только качественные, но и количественные характеристики
объекта. Цель гуманитарных наук – прежде всего понять свой объект,
найти способы конкретно-исторического, личностного переживания,
толкования и содержания объекта познания и своего отношения к нему и т. д. В 1960–1970-е гг. в массовом сознании, в молодежной, студенческой среде эти различия отражались в формах разного рода диспутов
между «физиками», ориентированными на строго рационалистические и надличностные каноны естествознания, и «лириками», воспитанными на идеалах гуманитарного познания, включающих в себя не
только объективное отражение социальных процессов и явлений, но и
субъективно-личностное их переживание и толкование.
Единство научного знания
Второй аспект данной проблемы связан с единством науки. Наука
в целом – это многогранное и вместе с тем системное образование,
все отдельные компоненты которого (конкретные науки) теснейшим
образом связаны. Между различными науками имеет место постоянное взаимодействие. Развитие науки требует взаимного обогащения,
обмена идеями между различными, даже кажущимися на первый
взгляд далекими, областями знания. Например, в XX в. биология
получила мощнейший импульс для своего развития именно в результате применения математических, физических и химических
методов исследования. В то же время биологические знания помогают инженерам создавать новые типы автоматических устройств
и проектировать новые поколения авиационной техники. Единство
наук определяется в конечном счете материальным единством мира.
Современное естествознание
Естествознание – наука о явлениях и законах природы. Современное естествознание включает многие естественно-научные отрасли: физику, химию, биологию, а также многочисленные смежные отрасли, такие как физическая химия, биофизика, биохимия и
многие другие. Естествознание затрагивает широкий спектр вопросов о многочисленных и многосторонних проявлениях свойств объектов природы, которую можно рассматривать как единое целое.
10
Современные средства естествознания – науки о фундаментальных
законах, природных явлениях и разнообразных свойствах объектов природы – позволяют изучать многие сложнейшие процессы на
микроприродном и микроинформационном уровне: уровне элементарных частиц, квантов, ядер, атомов, молекул, клеток.
Современное естествознание развивает новые подходы к пониманию природы как единого целого. Это выражается в представлениях
о развитии природы, о различных формах движения материи и разных структурных уровнях организации природы, в расширяющемся
представлении о типах причинных связей. Например, с созданием теории относительности существенно видоизменились взгляды на пространственно-временную организацию объектов природы; развитие
современной космологии обогащает представления о направлении
естественных процессов; развитие экологии привело к пониманию
глубоких принципов целостности природы как единой системы.
В настоящее время под естествознанием понимается точное естествознание, то есть такое знание о природе, которое базируется на научном эксперименте, характеризуется развитой теоретической формой и математическим оформлением. Для развития специальных наук (в том числе прикладных медицинских) необходимо общее знание
природы, комплексное осмысление ее объектов и явлений. Для получения таких общих представлений каждая историческая эпоха вырабатывает соответствующую естественно-научную картину мира.
Контрольные вопросы
1. Природные источники познания.
2. Особенности научного познания.
3. Определения науки.
4. Виды наук.
5. Естественно-научная картина мира
Литература к главе 1
Баженов Л. Б. Строение и функции естественно-научной теории.
М., 1978.
Кедров Б. М. Классификация наук. М., 1989. Т. 1, 2.
Наука и квазинаучные формы духовной культуры. М., 1999.
11
Глава 2
ИСТОРИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ ДО XX В.
Рациональные знания первобытного человека.
Первобытная медицина
Накопление донаучных рациональных знаний о природе началось еще в первобытную эпоху. О жажде познания первобытных людей свидетельствуют археологические и этнографические данные.
Духовный мир первобытного человека, первобытное сознание, то есть
сознание человека эпохи первобытной родовой общины, было двухуровневым: 1) уровень обыденного, повседневного, стихийно накапливающегося знания; 2) уровень мифотворчества (мифологии) как
некоторой «дотеоретической33 формы систематизации обыденного,
повседневного знания. Однако основу его мира составляло его самое
ближайшее окружение. Так, первобытный человек хорошо ориентировался в свойствах растений, особенно лечебных и токсических. На
основе векового опыта народов были накоплены достаточно точные и
обширные знания о лекарственных свойствах растений. Например,
американские индейцы знали жаропонижающие, наркотические,
психотропные средства, анестетики, а аборигены Австралии хорошо
знали и употребляли в пищу свыше 200 видов растений, 40 % которых
использовалось еще и в лечебных целях. Первобытный человек хорошо знал анатомию человека. В далекой древности зародилась прамедицина, появились разнообразные средства лечения и самолечения,
даже приемы примитивной хирургии: перевязка, лечение ран и переломов, вывихов, вплоть до хирургических операций на черепе.
Возникновение научных знаний.
Первые цивилизации, письменность, понятие личности
Первые цивилизации Древнего Востока начали складываться
в Двуречье и в долине Нила в V тыс. до н. э. Человек древневосточных цивилизаций жил в мире, где самым теснейшим образом переплетались земное и божественное, мир людей и мир богов. По мнению людей того времени, множество богов постоянно вмешивается
в повседневную жизнь людей и человек находится в их полной власти. Единственное, что может сделать человек, – научиться предвидеть божественные воздействия на него и защищаться от таких
воздействий с помощью своих личных, семейных богов-защитников («личный бог») и сверхъестественных сил.
12
Становление производящего хозяйства (земледелия и скотоводства) стимулировало развитие биологических знаний. От системы биологических знаний постепенно отпочковывается медицина как относительно самостоятельная отрасль знаний и практических навыков.
Глубинной основой этого процесса является изменение отношения
к человеку. Сначала человек начинает осознавать свое кардинальное
отличие от природных предметов и процессов. Впоследствии человек
осознает себя как самоценное существо, которое хотя и связано с коллективом (соседско-территориальной общиной, патриархальной семьей и др.), его традициями и ценностями, но уже имеет и свои индивидуальные ценности. Формируется индивидуальное самосознание и
сопровождающие его смысложизненные ориентиры. Человек впервые сталкивается с проблемой смысла своего существования, поэтому поддержание жизни человека, его работоспособности приобретает
особую ценность, значимость. Лекарь, врачеватель – это прежде всего
знаток лечебных трав и народной медицины, целью которой является
борьба со смертью. Развивается древнейшая традиция лечебного применения средств растительного происхождения (травы, цветы, плоды, кора деревьев и др.) и средств минерального и животного происхождения (жир, части организмов животных и др.). Появляются приемы санитарии и гигиены, физиотерапевтические процедуры, массаж, иглотерапия, диетика, разрабатываются новые хирургические
приемы и соответственно металлические хирургические инструменты (скальпель, щипцы и др.). Совершенствуется акушерство – одна из
первых медицинских специальностей. О разнообразии медицинских
знаний в древности свидетельствует «папирус Эберса» (Др. Египет,
1500 лет до н. э.). Он представляет собой по сути медицинскую энциклопедию, которая содержит описание 877 болезней и их симптомов.
Древнеиндийские медики открыли вакцинацию как способ борьбы
с оспой. Еще в VIII в. до н. э. индийские хирурги владели техникой
кесарева сечения, ампутации, извлечения почечных и желчных камней, заложили основы пластической хирургии. Во взаимодействии
с древнеиндийской медициной возникла древнетибетская медицина,
широко распространившаяся в странах буддийской культуры, накапливался уникальный опыт использования биологически активных
веществ. Этот опыт изучается современной фармакологией. Наряду
с народной медициной, лекарями – знатоками лекарственных трав,
простейшей хирургии складывается и другой тип врачевателей – знахари-заклинатели, опиравшиеся на мифологические и магические
процедуры. Эта ветвь древней медицины со временем трансформируется в храмовую медицину.
13
Философские основы науки Древней Греции. Науки о природе
Непосредственно возникновение европейской науки принято связывать с милетской школой, названной так потому, что первые ученые Древней Греции были жителями города Милет, расположенного
на территории полуострова Малая Азия. Представители милетской
школы сформулировали исторически первую и наиболее фундаментальную проблему – проблему первоначала, из которого возникают
все вещи и в которое со временем они превращаются. Представители
милетской школы (Фалес, Анаксимандр, Анаксимен) были одновременно и первыми учеными-естествоиспытателями (фисиологами),
и первыми философами. Естествознание начинается тогда, когда
сознание человека поднимается до уровня выработки высокой абстракции (категории) субстанции, позволяющей сформулировать
вопрос, существует ли за многообразием вещей некое единое начало.
Или, другими словами, «что есть все?» В свою очередь вопрос о субстанции, первоначале мира стал возможен тогда, когда уровень мыслительного абстрагирования позволил сформулировать представление о процедуре обоснования знания. Формой такого представления
стала идея математического доказательства. Эта идея – величайшее
достижение древнегреческих мыслителей.
Еще один великий ученый Греции – Парменид (кон. VI–V в.
до н. э.) – и его последователи убедительно показали, что результатом человеческого познания является не одна, а две различные
картины мира – чувства дают одну картину мира, а разум – другую,
причем эти картины мира могут быть принципиально противоположны. Легендарные апории Зенона (сер. V в. до н. э.) не только
вскрывали логические трудности, присущие понятию бесконечности, но и подводили к обоснованию существования этих двух различных картин мира.
Одной из вершин античной культуры являлось атомистическое
учение Демокрита (ок. 470 или 460 до н. э.), основоположника античного материализма. Демокрит учил, что реально существует не
только бытие, но и небытие. Бытие – это атомы, небытие – пустота,
пустое пространство. Пустота неподвижна и беспредельна; она не
оказывает никакого влияния на находящиеся в ней тела, на бытие.
Идея пустоты привела Демокрита к идее бесконечного пространства, где во всех направлениях беспорядочно носятся, перемещаются атомы (как пылинки в солнечном луче).
Исторической заслугой античного атомизма являлось также
формулирование и разработка принципа детерминизма (причин14
ности). В соответствии с этим принципом любые события влекут за
собой определенные следствия и в то же время представляют собой
следствие из некоторых других событий, совершавшихся ранее.
Один из важнейших итогов развития древнегреческой культуры – разработка первой естественно-научной картины мира. Она
сложилась в результате синтеза следующих отраслей познания:
философии (прежде всего, аристотелизма); математики; астрономии (космологии); учения о движении (механики). Ядром первой естественно-научной картины мира стало учение Аристотеля
(384–322 до н. э.). Историческая заслуга Аристотеля перед естествознанием состоит и в том, что он стал основателем системы знаний о природе – физики. Центральное понятие аристотелевской
физики – понятие движения. Аристотель разработал первую историческую форму учения о движении – механику.
В древнегреческой культуре развитие получила математика. Уже
в V–IV вв. до н. э. в древнегреческой математике были разработаны
геометрическая алгебра, теория делимости целых чисел и теория пропорций (Архит), метод «исчерпывания» Евдокса (как прообраз теории пределов), теория отношений Евдокса и др. Качественно новый
этап в развитии математики связан с деятельностью александрийской математической школы. У ее истоков стоял великий математик
древности, педагог и систематизатор математической науки Евклид.
Универсальной ученостью отличался Эратосфен, у которого есть работы не только по математике, но и по астрономии, географии, истории,
философии и филологии. Особенно известны его работы по определению размеров земного шара, по географии. В математике Эратосфен
известен своими исследованиями целочисленных пропорций, открытием «решетки Эратосфена» (способ выделения простых чисел из любого конечного числа нечетных чисел, начиная с трех).
Достижения в развитии биологических знаний в античности
не были столь выдающимися, как в астрономии и математике,
но тем не менее значительный прогресс здесь тоже был налицо.
Античность реализовала функцию первичного накопления эмпирического материала об органических явлениях и процессах. Это
еще не научная биология, но уже ее отдаленные предпосылки.
Аристотель был величайшим биологом своего времени. Если в области астрономии, физики, механики Аристотель во многом оставался спекулятивным мыслителем, то к живой природе он относился с исключительной наблюдательностью, проницательностью, стремился
к постижению мельчайших деталей. Он вскрывал трупы животных,
делая при этом выводы и об анатомическом строении человека; он из15
учил около 500 видов животных, описал их внешний вид и, где мог, –
строение; рассказал об их образе жизни, нравах и инстинктах, сделал
множество более частных открытий. Альбомы рисунков результатов
анатомического расчленения животных и их органов, именовавшиеся «анатомиями», служили приложениями к «Истории животных»;
к сожалению, эти альбомы позднее были утрачены.
Возникновение медицины как научной дисциплины
С именем Гиппократа (ок. 460 – ок. 370 до н. э.), современника
Демокрита, связан тот период развития биологии и медицины, когда медико-биологические знания начали отпочковываться от религии, магии и мистицизма. С этого времени биология и медицина
отказываются от объяснения биологических явлений, происхождения и сущности болезней вмешательством потусторонних, сверхъестественных сил. Гиппократ и его ученики считали, что медицина
должна основываться не на умозрительных схемах и предположениях или фантазиях, а на скрупулезном, тщательном (эмпирическом)
наблюдении и изучении больного, на накоплении и обобщении медицинского опыта. Один из теоретических принципов Гиппократова
учения – единство жизни как процесса. Согласно этому учению, основу всякого живого организма составляют четыре «жидкости тела» – кровь, слизь, желчь желтая и черная. Отсюда – и четыре типа
темпераментов людей: сангвиники, флегматики, холерики и меланхолики. Весь организм оживотворяется пневмой – воздухоподобным веществом, которое во все проникает и все осуществляет: жизненные процессы, мышление, движение и т. п.
Завершителем античной биолого-медицинской традиции был
Клавдий Гален (129 / 131–200 / 217). Он родился в Пергаме, в семье
архитектора, изучал философию и медицину, с 162 г. жил в Риме.
Гален был прекрасным анатомом.
Физиологические воззрения Галена базировались во многом на идеях Свода Гиппократа. Гален детально изучал центральную и периферическую нервные системы, искал связь спинно-мозговых нервов с процессами дыхания и сердцебиения, описал анатомическое строение
сердца. Гален закладывал предпосылки научного экспериментального
метода в биологии и физиологии, хотя закономерности работы сердца
и кровообращения остались им так и не разгаданными. Он считал, что
кровь может переходить через перегородку сердца из правой части в левую, минуя круги кровообращения и периферические сосуды. Гален
не знал кругового движения крови. В области терапии Гален развивал
16
принципы воздухо- и водолечения, диетологии, изучал свойства лекарственных препаратов; сам создавал такие препараты, причем подчас
очень сложные, включавшие в себя десятки компонентов.
Фундаментальные парадигмы естествознания.
Развитие идеи поиска универсальных принципов,
синтеза универсальных устойчивых категорий
С XVI в. характер научного прогресса от количественных изменений переходит к качественным изменениям. Наука выходит
на новый уровень знаний в результате меняющегося видения мира. Наука проходит через переломные этапы, получившие название научных революций. Научная революция эпохи Возрождения
характеризовалась возвращением культурных ценностей античности, расцветом искусства, утверждением идей гуманизма.
Физика и космология Нового Времени
В науке существенным прогрессом стало появление гелиоцентрического учения великого польского астронома Николая Коперника
(1473–1543). В своем труде «Об обращениях небесных сфер» (1540)
Коперник утверждал, что Земля не является центром мироздания.
На основе большого числа астрономических наблюдений и расчетов Коперник создал новую гелиоцентрическую систему мира,
что и являлось первой в истории человечества научной революцией.
Земля – одна из планет, движущихся вокруг Солнца по круговым орбитам. Совершая обращение вокруг Солнца, Земля одновременно вращается и вокруг собственной оси, чем и объясняется смена дня и ночи,
видимое нами движение звездного неба. Коперник высказал мысль
о движении как естественном свойстве небесных и земных объектов,
подчиненном общим закономерностям единой механики. Этим было
разрушено догматизированое представление Аристотеля о неподвижном «перводвигателе», приводящем в движение Вселенную.
Эпоха, получившая название «Нового времени», охватывает
три столетия – XVII, XVIII и XIX вв. В этом периоде основную роль
сыграл XVII в. – век рождения современной науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся ученые, как Галилей и Ньютон.
Галилео Галилей (1564–1642) заложил основы нового механического естествознания. До него в науке движение понимали по принципу,
заложенному Аристотелем: тело движется только при наличии внешнего воздействия на него, и если оно прекращается, то прекращается
17
и движение. Галилей показал, что это ошибочный принцип, и сформулировал совершенно иной принцип инерции: тело либо находится
в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какое-либо внешнее
воздействие. Большое значение для становления механики как науки
имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил,
что скорость свободного падения тел не зависит от их массы (как думал
Аристотель), а пройденный падающим телом путь пропорционален
квадрату времени падения. Он открыл, что траектория брошенного тела является параболой. Галилей внес вклад в разработку учения о сопротивлении материалов. Он выработал условие дальнейшего прогресса естествознания, начавшегося в эпоху Нового времени.
Научная революция XVII в. завершилась творчеством одного
из величайших ученых в истории человечества, каким был Исаак
Ньютон (1643–1727) – создатель дифференцированного и интегрального исчисления, произвел астрономические наблюдения,
внес большой вклад в развитие оптики, но самым главным научным достижением Ньютона было завершение дела Галилея по созданию классической механики.
Господство механических представлений о мире началось в науке, когда Ньютон сформулировал три основных закона движения,
которые легли в основу механики как науки и дополнили систему
законов движения открытием закона всемирного тяготения – универсального закона природы. Это явилось основой для создания науки, изучающей движение тел Солнечной системы.
Ньютон предложил миру научно-исследовательскую программу, которая стала ведущей в Англии и Европе. Он назвал ее «экспериментальной философией» (см.: «Математические начала натуральной философии», 1687 г.).
Суть научной революции второй половины XVIII–XIX вв. заключалась в процессе стихийной диалектизации естествознания
(метафизический метод, при котором объекты и явления рассматривались без взаимосвязи с другими и считались неизменимыми
во времени, сменился диалектическим). Диалектика предполагает изучение объектов, явлений со всем богатством их взаимосвязи
с учетом их изменения и развития.
Начало этому процессу положила работа немецкого ученого
и философа Иммануила Канта (1724–1804) «Всеобщая естественная история и теория неба» (1755). В этом труде он сделал попытку
объяснить происхождение Солнечной системы. По гипотезе Канта,
Солнце, планеты и их спутники возникли из первоначальной бес18
форменной туманной массы, некогда равномерно заполняющей
мировое пространство. Процесс возникновения Солнечной системы
он объяснил действием сил притяжения на частицы материи. Его
космическая гипотеза изменила метафизический взгляд на мир.
Независимо от Канта французский математик и астроном Пьер
Симон Лаплас (1749–1827) высказал идеи, дополнившие космогоническое учение Канта, и их гипотезы столетия просуществовали
в науке как космологическая гипотеза Канта – Лапласа.
Развитие идеи изменчивости и необратимости,
поиска противоречивых динамических начал эволюции
Жан Батист Ламарк (1744–1829), ботаник при Королевском ботаническом саде Франции, первый предложил развернутую концепцию эволюции органического мира. Базой ламарковской концепции
эволюции послужили следующие важные фактические обстоятельства: наличие в систематике разновидностей, которые занимают промежуточное положение между двумя видами; изменение видовых
форм при переходе их в иные экологические и географические условия; трудности классификации близких видов и наличие в природе
большого количества так называемых сомнительных видов, факты
гибридизации, и особенно отдаленной, в том числе и межвидовой; обнаружение ископаемых форм; изменения, претерпеваемые животными при их одомашнивании, а растениями при их окультуривании и
др. Если до Ламарка господствовало представление о том, что среда –
это либо вредный для организма фактор, либо, в лучшем случае, нейтральный, то благодаря Ламарку среду стали понимать как условие
эволюции органических форм. Творчески синтезируя все эти эмпирические и теоретические компоненты, Ламарк сформулировал гипотезу эволюции, базирующуюся на следующих принципах:
– принцип градации (стремление к совершенству, к повышению
организации);
– принцип прямого приспособления к условиям внешней среды,
который, в свою очередь, конкретизировался в двух законах: вопервых, в законе изменения органов под влиянием продолжительного упражнения (неупражнения) сообразно новым потребностям
и привычкам; во-вторых, в законе наследования таких приобретенных изменений новым поколением.
Согласно этой теории современные виды живых существ произошли от ранее живших путем приспособления, обусловленного
их стремлением лучше гармонизировать с окружающей средой.
19
Парадигма Дарвина как генеральная линия
эволюционного естествознания
В своем главном труде «Происхождение видов в результате естественного отбора» (1859) Чарльз Дарвин изучил факты и причины
биологической эволюции, утверждая, что вне саморазвития органический мир не существует. Дарвин разграничивает два вида изменчивости – определенную и неопределенную.
Определенная изменчивость (в современной терминологии –
адаптивная модификация) – способность всех особей одного и того
же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, пищу и др.). По современным представлениям, адаптивные модификации не наследуются и потому не могут поставлять материал для органической эволюции. (Дарвин допускал, что определенная изменчивость в некоторых исключительных случаях может такой материал поставлять.)
Неопределенная изменчивость (в современной терминологии – мутация) предполагает существование изменений в организме, которые происходят в самых различных направлениях.
Неопределенная изменчивость в отличие от определенной носит
наследственный характер, и незначительные отличия в первом поколении усиливаются в последующих. Неопределенная изменчивость тоже связана с изменениями окружающей среды, но уже не
непосредственно, что характерно для адаптивных модификаций, а
опосредованно. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играют именно неопределенные изменения.
Кроме того, в цепь «наследственность – изменчивость» Дарвин
вводил два посредствующих звена.
Первое звено связано с понятием «борьба за существование».
Оно отражает то обстоятельство, что каждый вид производит больше особей, чем их выживает до взрослого состояния; среднее количество взрослых особей находится примерно на одном уровне; каждая особь в течение своей жизнедеятельности вступает в множество
отношений с биотическими и абиотическими факторами среды (отношения между организмами в популяции, между популяциями
в биогеоценозах, с абиотическими факторами среды и др.).
Второе посредствующее звено, отличающее теорию эволюции
Дарвина от ламаркизма, состоит в представлении о естественном
отборе как механизме, который позволяет выбраковывать ненужные формы и образовывать новые виды. Борьба за существование
неизбежно приводит к гибели определенного числа особей в каж20
дом поколении и выборочному участию особей в размножении.
В результате размножаются наиболее приспособленные особи каждого вида, передающие из поколения в поколение новые.
Таким образом, дарвиновская теории эволюции опирается на следующие принципы:
– борьба за существование;
– наследственность и изменчивость;
– естественный отбор.
Эти принципы являются краеугольным основанием научной
биологии.
Э. Геккель называл Дарвина «Ньютоном органического мира».
Символично, что в Вестминстерском аббатстве Дарвин похоронен
рядом с И. Ньютоном.
Контрольные вопросы
1. Опытные знания первобытного человека.
2. Медицинские практики первобытных народов.
3. Начала наук в древних цивилизациях Востока.
4. Основания естествознания в учениях философов Древней
Греции.
5. Картина мира Аристотеля.
6. Развитие медицинских наук в античности.
7. Раннее христианство и наука.
8. Естественно-научная установка в эпоху Возрождения.
9. Развитие космологии в учениях Коперника, Галилея, Ньютона
и Канта.
10. Биологическая теория Ламарка.
11. Дарвинизм в системе научного знания XIX в.
Литература к главе 2
Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора или
сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь. СПб.: Наука, 1991.
История биологии. С древнейших времен до начала XX века. М.,
1972.
Свасьян К. Становление европейской науки. М., 2002.
21
Глава 3
НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ РУБЕЖА XIX–XX ВВ.
Кризис механистической картины мира
Вторая половина XIX в. характеризуется высокими темпами
развития всех сложившихся ранее и возникновением новых разделов физики. Особенно быстро развиваются теория теплоты и электродинамика. Теория теплоты разрабатывается в двух направлениях: совершенствование термодинамики, непосредственно связанной с теплотехникой, и развитие кинетической теории газов, которое привело к возникновению статистической физики. В области
электродинамики важнейшим событием явилось создание теории
электромагнитного поля. Характерная особенность физики этого
периода – усиливающиеся противоречия между старыми механистическими методологическими установками и новым содержанием физической науки. Закон сохранения и превращения энергии,
понятия теории электромагнитного поля, кинетической теории теплоты для своей интерпретации нуждались в новой методологии.
Но физики в основном продолжают оставаться в плену старой механистической методологии. И теория электромагнитного поля,
и кинетическая теория теплоты развиваются на основе механистических представлений. Господствует мнение, что до окончательного создания абсолютной механистической картины мира осталось
совсем немного. И поэтому у многих физиков крепнет надежда
на построение механистической теории теплоты, механистической
теории электрических и магнитных явлений и т. п.
От термодинамики к статистической физике:
изучение необратимых систем
Для нас совершенно очевидно представление об однонаправленности времени, его необратимости и невозвратности. Это представление
формируется на основе отражения большинства процессов, систем живой и неживой природы, с которыми человек повсеместно сталкивается в своей жизненной практике. И только очень небольшое количество
механических систем (и то со значительной долей идеализации) относится к обратимым системам. Классическая механика долгое время занималась исключительно моделированием обратимых систем. В XIX
в. термодинамика развивается как теоретическая база теплотехники
и как важная отрасль теоретической физики, объясняющая сущность
22
тепловой энергии. С. Карно (1796–1832) показал, что теплота создает
механическую работу только при тепловом «перепаде». Справедлива и
обратная теорема: затрачивая механическую энергию, можно создать
разность температур (T1 – T2), которая определяет коэффициент полезного действия (КПД) тепловых машин. Свои теоретические соображения Карно в конечном счете обосновывает невозможностью вечного
двигателя, рассматривая это положение в качестве исходной аксиомы
физики – первого начала термодинамики. В свете закона сохранения и
превращения энергии в середине XIX в. стало ясно, что теория Карно
требует серьезной перестройки и дополнительного исследования. На это
обратили внимание Р. Клаузиус (1822–1880) и У. Томсон (1824–1907).
Клаузиус ставит задачу связать переход теплоты от одного тела к другому с превращением теплоты в работу и установить количественные
соотношения между этими процессами. В реальных тепловых двигателях процесс превращения теплоты в работу неизбежно сопровождается
передачей определенного количества теплоты внешней среде. В результате нагреватель охлаждается, внешняя среда нагревается. Это значит,
что термодинамические процессы носят необратимый характер, то есть
могут протекать только в одном направлении. Иначе говоря, невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно
от холодных тел к телам нагретым. Это и есть одна из формулировок
второго начала термодинамики. Решая эту задачу, Клаузиус вводит
понятие энтропии – функции состояния системы. Уже в начале XX в.
В. Нернст (1864–1941) сформулировал третье начало термодинамики
(1906), согласно которому при стремлении температуры Т к абсолютному нулю энтропия (Е) любой системы стремится к конечному пределу,
не зависящему от давления, плотности или фазы (при Т → 0 ∆Е → 0).
Иначе говоря, ни в каком конечном процессе, связанном с изменением
энтропии, достижение абсолютного нуля невозможно, к нему можно
лишь бесконечно приближаться.
Значительные результаты были получены Л. Больцманом (1844–
1506), который показал, что идеальный газ, находящийся первоначально в нестационарном состоянии, с течением времени сам собой
должен переходить в состояние статистического равновесия. Эту
теорему Больцман истолковал как доказательство статистического
характера второго начала термодинамики. Из принципов статистической термодинамики Больцман непосредственно выводит идею
необратимости молекулярных процессов. Энергия переходит из менее вероятной формы в более вероятную. Если первоначальное распределение энергии в телах было менее вероятным, то в дальнейшем
вероятность распределения увеличится. Больцман формулирует и
23
новую интерпретацию энтропии. В соответствии с ней энтропия есть
логарифм вероятности состояния системы: Е = k lnW. Эта формула
высечена на памятнике Больцману на венском кладбище.
Статистическая термодинамика
Статистическая термодинамика находит свое развитие в работах Дж. Гиббса (1839–1903), в его «статистической механике»
(1902). Гиббс рассматривает статистическую механику как теорию
ансамблей (мысленная совокупность невзаимодействующих систем), не зависящих от конкретного состава и строения тех систем,
из которых они составлены. Статистическая механика Гиббса оказалась способной обосновать все три принципа термодинамики, вычислять термодинамические величины для конкретных систем, решать любую задачу относительно равновесной системы, состоящей
из произвольного числа независимых компонентов и сосуществующих фаз. Но вопрос о соотношении обратимости и необратимости
Гиббсом был по сути обойден. В 1906 г. М. Смолуховский разрабатывает теорию флюктуаций (беспорядочных колебаний относительно некоторого среднего значения) и применяет ее к анализу
явлений, в которых может непосредственно наблюдаться антиэнтропийное поведение. Смолуховский приходит к идее относительности обратимости и необратимости, их зависимости от времени,
в течение которого наблюдается процесс.
Новый этап в развитии исследований необратимых систем наступил только в конце XX в. с созданием теории самоорганизации
(синергетики).
Развитие представлений о пространстве и времени
Во второй половине XIX в. физики все чаще анализируют фундаментальные основания классической механики. Прежде всего это
касается понятий пространства и времени, их ньютоновской трактовки. Предпринимаются попытки придать понятиям абсолютного
пространства и абсолютной системы отсчета новое содержание взамен старого, которое им придал еще Ньютон. Так, в 1870-е гг. было
введено понятие a-тела – такого тела во Вселенной, которое можно
считать неподвижным и принять за начало абсолютной системы отсчета. Некоторые физики предлагали принять за а-тело центр тяжести всех тел во Вселенной, полагая, что этот центр тяжести можно считать находящимся в абсолютном покое.
24
В конце XIX в. с резкой критикой ньютоновского представления
об абсолютном пространстве выступил немецкий физик и философ
Э. Мах (1838–1916). В основе представлений Маха лежало убеждение в том, что «движение может быть равномерным относительно
другого движения. Вопрос, равномерно ли движение само по себе,
не имеет никакого смысла»1. Это представление Мах переносит не
только на скорость, но и на ускорение. С точки зрения Маха, всякое
движение относительно пространства не имеет никакого смысла,
о движении можно говорить только по отношению к телам, а значит,
все величины, определяющие состояние движения, являются относительными. Следовательно, и ускорение тоже относительная величина.
К тому же опыт не может дать сведений об абсолютном пространстве.
К новым идеям о природе пространства и времени подталкивали физиков и результаты математических исследований, открытие
неевклидовых геометрий. Так, согласно идее английского математика В. Клиффорда (1919–2000), высказанной в 1870-х гг., многие
физические законы могут быть объяснены тем, что отдельные области пространства подчиняются неевклидовой геометрии. Более
того, он считал, что кривизна пространства может изменяться со
временем, а физику можно представить как некоторую геометрию.
Клиффорд предложил нечто вроде полевой теории материи, где
материальные частицы представляют собой сильно искривленные
области пространства, а «изменение кривизны пространства и есть
то, что реально происходит в явлении, которое мы называем движением материи, будь она весомая или эфирная»2. Вследствие искривления пространства действительная геометрия мира подобна
«холмам» на ровной местности, а перемещение частиц материи
есть не что иное, как перемещение «холма» от одной точки к другой. Клиффорд принадлежит к ряду немногочисленных в XIX в.
провозвестников эйнштейновской теории гравитации.
Теория электромагнитного поля
К середине XIX в. в тех отраслях физики, где изучались электрические и магнитные явления, был накоплен богатый эмпирический материал, сформулирован целый ряд важных закономерностей: закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и др. Однако единства во взгля1
2
Мах Э. Познание и заблуждение. М., 2003.
Клиффорд В. Бесконечные миры. М., 1994.
25
дах физиков на электрические и магнитные явления не было. Так,
резко отличалась от корпускулярных подходов полевая концепция
М. Фарадея (1791–1867). Но на нее смотрели как на заблуждение, ее
замалчивали и остро не критиковали только потому, что слишком
велики в развитии физики были заслуги Фарадея. И тем не менее
именно полевой подход оказался наиболее плодотворным в создании
единой теории электрических и магнитных явлений. Это была революционная по своему значению теория Дж. Максвелла (1831–1879).
Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которая изложена в работе «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864),
сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем, которые связывают величины,
характеризующие электромагнитное поле (напряженность электрического и магнитного полей, электрическая и магнитная индукции),
с его источниками, то есть распределенными в пространстве электрическими зарядами и токами.
После создания теории электромагнитного поля стало понятно,
что существует только одна среда – эфир, по которому распространяются электрические, магнитные и световые волны. Значит, судить о природе эфира можно на основе изучения закономерностей
распространения электромагнитных волн. Но этим проблема эфира
не была разрешена, а, наоборот, еще больше усложнилась: надо было объяснять, как в нем распространяются электромагнитные волны. Сначала эту задачу пытались решить на пути поисков механистических моделей эфира. Однако механистические модели эфира
как носителя электромагнитных волн, несмотря на все попытки их
усовершенствовать, оказывались противоречивыми и бесплодными. Предлагались различные модели эфира: на основе сплошных,
прерывистых сред и др. В конце XIX в. существование эфира начали вообще подвергать сомнению, а главное внимание с проблемы
построения механистических моделей эфира было перенесено на
вопрос о том, как распространить систему уравнений Максвелла,
созданную для описания покоящихся систем, на случай движущихся тел (источников или приемников света).
Открытие рентгеновских лучей, радиоактивности
и структуры атома
В 1895 г. В. Рентген (1845–1923) обнаружил лучи, получившие впоследствии название рентгеновских. Это открытие заинтересовало физиков и вызвало широкую дискуссию о природе этих
26
лучей. В течение короткого времени были выяснены необычные
свойства этих лучей (способность проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы и т. д.), но их природа оставалась
неясной. Открытие рентгеновских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей. Заинтересовавшись открытием Рентгена, английский физик
Дж. Дж. Томсон (1856–1940) совместно с Э. Резерфордом установил,
что под действием облучения рентгеновскими лучами резко возрастает электрическая проводимость газа и это свойство сохраняется
некоторое время после прекращения облучения. Анализ подвел
к выводу, что проводниками электричества в газах являются заряженные частицы, образующиеся в результате действия рентгеновских лучей. Перед Томсоном встали вопросы: что это за частицы,
каковы их заряд и масса. Поиски ответов на эти вопросы привели
Томсона к открытию первой элементарной частицы – электрона
и определению его заряда и массы.
Важнейшим достижением физики конца XIX в. было открытие
радиоактивности. В 1896 г. Анри Беккерель (1788–1878), исследуя
загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся
в ящике письменного стола рядом с кристаллами сульфата урана,
случайно открыл радиоактивность. Систематическое исследование
радиоактивного излучения было предпринято Э. Резерфордом; он
установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух типов, которые назвал альфа- и бета-частицами. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия, а бета-частицы оказались
летящими с большой скоростью электронами.
Кризис в физике на рубеже веков
С XVII в. в физике и механистической философии массу понимали как количество материи в теле и рассматривали как основной
признак материальности. Открытие зависимости массы электрона
от его скорости, гипотеза о чисто электромагнитной природе массы как будто лишали тела материальности. Возник вопрос об исчезновении массы и материи вообще, поскольку масса понималась
как основной признак материальности тела. Некоторые физики
и философы высказывали мнение о том, что «материя исчезла», что
само развитие науки заставляет отказаться от признания существования материи и справедливости общих важнейших физических
законов (закона сохранения массы, закона сохранения количества
27
движения и др.). Ситуация усугублялась с открытием радиоактивности. Ведь не было ответа на вопрос об источнике энергии, которую несет с собой радиоактивное излучение. В связи с этим высказывалось сомнение и во всеобщности закона сохранения энергии.
В таких условиях в физике складывается атмосфера разочарования в возможностях научного познания истины, начинается
«брожение умов», распространяются идеи релятивизма и агностицизма. Ситуацию, сложившуюся в физической науке на рубеже
XIX–XX вв., Ж. А. Пуанкаре (1854–1912) назвал кризисом физики. «Признаки серьезного кризиса» физики он в первую очередь
связывал с возможностью отказа от фундаментальных принципов
физического познания. Закон сохранения массы, закон сохранения количества движения, закон сохранения энергии – все эти
фундаментальные принципы, которые долгое время считались незыблемыми, теперь подвергают сомнению. В начале XX в. кризис
в физике разрешается с созданием двух новых способов физического познания – релятивистского и квантового. На их основе формируется неклассическая физика и новая, современная физическая
картина мира.
Контрольные вопросы
1. Второе начало термодинамики и теория тепловой смерти
Вселенной.
2. Философские и математические противоречия механистических представлений о времени и пространстве.
3. Общая теория электромагнитного поля и проблема эфира.
4. Открытие радиактивности и рентгеновского излучения.
5. Кризис классической естественно-научной картины мира.
Литература к главе 3
Базаров И. П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. Изд. 2-е
испр. М.: Едиториал УРСС, 2003.
Пуанкаре А. О науке. Изд. 2-е. М.: Наука, 1990.
28
Глава 4
ОСОБЕННОСТИ
СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ
Характеристика науки
Как сфера человеческой деятельности современная наука имеет
специфические черты.
Универсальность – сообщает знания, истинные для тех условий, при которых они получены.
Обезличенность – конечные результаты научного познания не
зависят от национальности ученого, от места его проживания или
индивидуальных особенностей.
Систематичность – наука имеет определенную взаимосвязанную структуру, а не является бессвязным набором частей.
Фрагментарность – наука делится на отдельные дисциплины,
поскольку изучает не бытие в целом, а различные фрагменты реальности и ее параметры.
Общезначимость – научные знания могут быть использованы всеми людьми. Наука оперирует единым языком терминов и понятий.
Незавершенность – процесс научного познания бесконечен, так
как научное знание не может достичь абсолютной истины.
Преемственность – новые знания определенным образом соотносятся со старыми знаниями.
Критичность – всякое знание относительно, любые результаты
могут быть поставлены под сомнение и пересмотрены.
Достоверность – любые научные выводы основаны на результатах, прошедших разностороннюю проверку.
Внеморальность – научные истины нейтральны в морально-этическом плане. Нравственные оценки могут относиться либо к деятельности по получению знания, либо к деятельности по его использованию.
Рациональность – разработка теорий, выходящих за рамки эмпирического уровня, на основе законов логики.
Чувственность – научные результаты признаются достоверными только после того, как они эмпирически проверены с использованием чувственного восприятия.
Наука как социальный институт
В XVII–XVIII вв. в Европе были созданы первые научные общества, академии, начали издаваться научные журналы. Наука сло29
жилась как социальный институт. Стремительным развитием всех
отраслей науки характеризуется XX в. В этот период времени осуществлялось строительство крупных исследовательских институтов и лабораторий, оснащенных разнообразными приборами, вычислительной и иной техникой. Еще более интенсивными темпами
развитие науки происходит в настоящее время.
Внимание государства к науке в истории общества росло по мере того, как возрастали ее социальные функции. На протяжении
четырех столетий наука завоевывала одну общественную позицию
за другой. Срастаясь со всеми формами материального и духовного
производства, политической и идеологической жизнью общества,
наука превратилась в непосредственную производительную силу,
в важнейший компонент научно-технического прогресса. Поэтому
общество, заботящееся о своем будущем, заинтересовано в увеличении финансовых затрат на развитие науки.
О масштабах научной сферы жизни современного общества свидетельствует численность ученых в мире. Если в начале XIX в. количество ученых составляло около 1 тыс. человек, к началу XX в. –
уже более 100 тыс. человек, то к началу XXI в. численность научных работников в мире составила свыше 5 млн человек. Девяносто
процентов всех ученых, когда-либо живших на планете, – наши
современники. Согласно статистическим данным удвоение объема
научной информации в современном обществе происходит каждые
10–15 лет. Более 90 % всех важнейших научно-технических достижений человечества приходится на XX – начало XXI в.
Методы естественно-научного исследования
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.
Метод – это совокупность приемов, или операций, практической
или теоретической деятельности. Метод неразрывно связан с теорией: любая система объективного знания может стать методом.
Неразрывная связь метода и теории выражается в методологической роли естественно-научных законов. Различные методы отраслей естествознания: физики, химии, биологии и т. п. являются
частными по отношению к общему диалектическому методу познания. Каждая отрасль естествознания, имея свой предмет изучения
и свои теоретические принципы, применяет свои специальные ме30
тоды, вытекающие из того или иного понимания сущности ее объекта. Применение метода какой-либо отрасли науки в других ее отраслях осуществляется в силу того, что их объекты подчиняются
законам этой науки. Например, физические и химические методы
применяются в биологии на том основании, что объекты биологического исследования включают в себя в том или ином виде физические и химические формы движения материи.
Сравнение, анализ и синтез
Сравнение есть установление сходства и различия объектов.
Сравнение лежит в основе многих естественно-научных измерений, составляющих неотъемлемую часть любых экспериментов.
Процесс естественно-научного познания совершается так, что мы
сначала наблюдаем общую картину изучаемого объекта, при которой частности остаются в тени. При таком наблюдении нельзя познать внутреннюю структуру объекта. Для ее изучения мы должны расчленить изучаемые объекты. Анализ представляет собой
мысленное или реальное разложение объекта на составляющие его
части. Будучи необходимым приемом познания, анализ – также и
один из элементов процесса познания. 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.
Абстрагирование, идеализация и обобщение
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. Первоначально
абстрагирование выражалось в выделении руками, взором, орудиями труда одних предметов и отвлечении их от других. Об этом свидетельствует и происхождение самого слова «абстрактный» – от латинского глагола «tagere» (тащить) и приставки «ab» (в сторону).
Абстрагирование составляет необходимое условие возникновения
и развития любой науки и человеческого познания вообще. Вопрос
о том, что в объективной действительности выделяется абстрагирующей работой мышления и от чего мышление отвлекается, в каж31
дом конкретном случае решается в прямой зависимости от природы
изучаемого объекта и тех задач, которые ставятся перед исследователем. В живой ткани логического мышления абстракции позволяют воспроизвести более глубокую и точную картину мира, чем
это можно сделать с помощью восприятий. Важным приемом естественно-научного познания мира является идеализация как специфический вид абстрагирования. Идеализация – это мыслительное
образование абстрактных объектов, не существующих и неосуществимых 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. Примеры идеализированных понятий: «точка», то есть объект, который не имеет ни длины, ни высоты, ни ширины; «прямая линия», «окружность», «точечный электрический заряд», «идеальный газ», «абсолютно черное тело» и др.
Введение в естественно-научный процесс исследования идеализированных объектов позволяет осуществить построение абстрактных схем реальных процессов, необходимых для более глубокого проникновения в закономерности их протекания. Важной
задачей естественно-научного познания является обобщение –
процесс мысленного перехода от единичного к общему, от менее
общего к более общему.
Аналогия
Аналогией называется вероятное, правдоподобное заключение
о сходстве двух предметов в каком-либо признаке на основании
установленного их сходства в других признаках. Заключение оказывается тем более правдоподобным, чем больше сходных признаков у сравниваемых предметов и чем эти признаки существеннее.
Несмотря на то, что 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 с тем, что нам известно, помогает понять то, что неизвестно. Аналогия с простым помогает
понять более сложное. Так, по аналогии с искусственным отбором
лучших пород домашних животных Ч. Дарвин открыл закон естественного отбора в животном и растительном мире. Аналогия как
метод чаще всего применяется в теории подобия, на которой основано моделирование.
32
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. Если модель имеет с оригиналом одинаковую физическую природу, то мы имеем дело с физическим моделированием. Модель может
строиться по принципу математического моделирования, если она имеет
иную природу, но ее функционирование описывается системой уравнений, тождественной той, которая описывает изучаемый оригинал.
Моделирование широко применяется потому, что оно позволяет
исследовать процессы, характерные для оригинала, в отсутствие
самого оригинала и в условиях, не требующих его наличия. Это
часто бывает необходимо из-за неудобства исследования самого
объекта и по другим соображениям: дороговизны, недоступности,
трудности доставки, необозримости и т. п.
В последнее время активно разрабатываются электронные моделирующие устройства, в которых с помощью электронных процессов воспроизводится по заданной программе реальный процесс. Принцип моделирования составляет основу кибернетики.
Моделирование применяется в расчетах траекторий баллистических ракет, в изучении режима работы машин и целых предприятий, в распределении материальных ресурсов и т. д.
В качестве метода естественно-научного исследования индукцию можно определить как процесс выведения общего положения
из наблюдения ряда частных единичных фактов.
Обычно различают два основных вида индукции: полную и неполную. Полная индукция – вывод какого-либо общего суждения
о всех объектах некоторого множества на основании рассмотрения
каждого объекта данного множества. Сфера применения такой индукции ограничена объектами, число которых конечно. На практике чаще применяется форма индукции, которая предполагает вывод
о всех объектах множества на основании познания лишь части объектов. Такие выводы неполной индукции часто носят вероятностный
характер. Неполная индукция, основанная на экспериментальных
исследованиях и включающая теоретическое обоснование, способна
давать достоверное заключение. Она называется научной индукцией.
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
33
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, осуществляемая по строгим
правилам, не может приводить к заблуждениям.
Научное открытие
Открытие – установление новых, ранее неизвестных закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящее коренные
изменения в уровень познания. 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. Сделать открытие – значит правильно установить надлежащее место нового факта в системе теории в целом, а не
просто обнаружить его. Когда новые факты вступают в противоречие
с существующей теорией, то логика мысли теми или иными путями
разрешает это противоречие, и при этом всегда в пользу требований
новых фактов. Их осмысление ведет к построению новой теории.
Творческое воображение и интуиция
Творческое воображение позволяет по едва заметным или совсем не
заметным для простого глаза деталям, единичным фактам улавливать
общий смысл новой конструкции и пути, ведущие к ней. Человек, лишенный творческого воображения и руководящей идеи, в обилии фактов может не увидеть ничего особенного, он к ним привык. Существенное
значение в воспитании творческого воображения играет искусство. И
далеко не случаен тот факт, что ряд крупных физиков и математиков
считают красоту и развитое чувство прекрасного эвристическим принципом науки, существенным атрибутом научной интуиции.
В процессе научного открытия большую роль играет интуиция –
способность постижения истины путем прямого ее усмотрения, без
34
обоснования с помощью доказательства. Ученый не может знать всех
фактов: им нет числа. Значит, из моря фактов должен быть сделан разумный выбор вполне определенных фактов, и при этом тех, которые
необходимы для понимания сути проблемы. Чтобы не пренебрегать
какими-либо существенными фактами, нужно заранее знать или интуитивно чувствовать, чего они стоят. Результаты интуитивного постижения нуждаются в логическом доказательстве своей истинности.
Доказательство
Характерная черта научного мышления – доказательство. Истинность или ложность того или иного утверждения, как правило, не
обладает прозрачной очевидностью. Только простейшие суждения
нуждаются для подтверждения своей истинности лишь в применении
чувственного восприятия. Подавляющее большинство утверждений
принимаются за истинные не на уровне чувственного познания и не
отдельно от всех других истин, а на уровне логического мышления,
в связи с другими истинами, т. е. путем доказательства.
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.
Эксперимент в естественных науках
и эмпирические исследования
Современное естествознание обладает большим многообразием
методов исследований, среди которых эксперимент – наиболее эффективное и действенное средство познания.
Для эксперимента сегодняшнего дня характерны три основные
особенности:
– возрастание роли теоретической базы эксперимента;
– сложность технического оснащения эксперимента;
– масштабность эксперимента.
35
Эксперимент базируется на практическом воздействии субъекта на исследуемый объект и часто включает операции наблюдения,
приводящие не только к качественным, описательным, но и к количественным результатам, требующим дальнейшей математической обработки. С этой точки зрения эксперимент – разновидность
практического действия, предпринимаемого с целью получения
знания. В процессе экспериментального естественно-научного исследования в контролируемых и управляемых условиях изучаются
многообразные свойства и явления природы.
Отличаясь от простого наблюдения активным воздействием на изучаемый объект, в большинстве случаев эксперимент осуществляется
на основе той или иной теории, определяющей постановку экспериментальной задачи и интерпретацию результатов. Нередко основная
задача эксперимента – проверка гипотез и предсказаний теории, имеющих фундаментальное, прикладное и принципиальное значение.
Являясь критерием естественно-научной истины, эксперимент представляет собой основу научного познания действительности.
Эксперимент, как и наблюдение, относится к эмпирическим
формам естественно-научного познания. Однако между ними есть
существенные различия: эксперимент – преобразующая внешний
мир деятельность человека, а наблюдению свойственны черты созерцательности и чувственного восприятия исследуемого объекта.
В процессе эксперимента при активном вмешательстве в исследуемый объект искусственно выделяются те или иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естественных либо в специально созданных условиях.
Контрольные вопросы
1. Характеристики современного научного познания.
2. Методы научного познания.
3. Логика научного открытия.
4. Роль эксперимента в современной науке.
Литература к главе 4
Естественно-научное и социогуманитарное знание: методологические аспекты взаимодействия. Л., 1990.
Степин B. C., Кузнецова Л. Ф. Научная картина мира в культуре
техногенной цивилизации. М., 1994.
Холтон Дж. Тематический анализ науки. М.: Прогресс, 1981.
36
Глава 5
ПРИРОДА И ЕЕ УРОВНИ. ПОНЯТИЯ МАТЕРИИ,
ПРОСТРАНСТВА, ВРЕМЕНИ, ДВИЖЕНИЯ
Естественно-научные концепты
Важнейшая задача естествознания – создание естественно-научной картины мира, образующей в целом упорядоченную систему,
которая по мере развития науки уточняется и дополняется. Научный
язык во многом похож на повседневный язык общения людей, но отличается от него тем, что научные термины являются, во-первых, более общими и абстрактными, и, во-вторых, они более сконцентрированны и точны. Наука стремится выявить общее в предметах и явлениях, которые она изучает. Выделение общего ведет к абстракциям,
то есть отвлечению от единичного, конкретного, случайного.
Наиболее общие и абстрактные понятия, идеи и концепции естествознания выражают, с одной стороны, глубокие, а с другой – общие свойства природы. Такими понятиями и концепциями оперирует в первую очередь физика как фундаментальная основа естествознания. К наиболее общим, важным, фундаментальным концептам
физического описания природы относятся материя, движение, пространство и время.
Эти понятия широко используются не только в естествознании,
но и во многих гуманитарных сферах, например в искусстве, в экономике, не говоря уже о философии.
Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями,
существуя независимо от них. Кто знает, может быть, данное определение не является исчерпывающим – это покажет дальнейшее
развитие науки.
В классическом представлении в естествознании различают
два вида материи: вещество и поле. В современном представлении
к ним следует добавить третий вид материи – физический вакуум.
Некоторые ученые в духе концепции корпускулярно-волнового
дуализма объединяют вещество и поле в единый вид реальности,
которая действует на наши органы чувств и взаимодействует сама
с собой, проявляясь в одних условиях как вещество (физические тела, молекулы, атомы, частицы), а в других – как поле (свет, радиация, гравитация, радиоволны). Однако такое объединение в боль37
шей степени касается не макро-, а микромира, многие свойства которого носят квантово-механический характер.
В классической механике Ньютона в качестве вещественных образований выступают материальная частица малых размеров – корпускула, часто называемая материальной точкой, и физическое тело, или просто тело как единая система корпускул, каким-то образом
связанных между собой. Вряд ли вызывает сомнение существование
этих вещественных образований в различных конкретных формах:
песчинка, камень, капля воды и т. п. Что касается проблемы делимости вещества или дилеммы «атомизм – безграничная делимость»,
то она в значительной степени решена физиками и химиками только
в начале нашего столетия, когда было экспериментально подтверждено существование атомов и молекул – мельчайших частиц химического элемента и химических соединений.
Идеальными и предельно абстрактными физическими образами
реально существующих частиц и тел в классической механике служат материальная точка и абсолютно твердое тело как система
материальных точек.
Сила и энергия
Повседневный опыт показывает, что тела действуют друг на друга, порождая всевозможные изменения движения. Взаимодействие
тел в макромире происходит под действием силы тяготения или
электромагнитных сил. В классической механике понятие силы
считается фундаментальным. Сила – физическая мера взаимодействия тел и причина изменения их механического движения, то
есть их перемещения друг относительно друга.
Источником силы в соответствии с законом всемирного тяготения
является масса тел. Таким образом, понятие массы, введенное впервые Ньютоном, более фундаментально, чем понятие силы. Согласно
квантовой теории поля частицы, обладающие массой, могут рождаться из физического вакуума, представляющего собой совокупность
частиц с соответствующими им античастицами, при достаточно высокой концентрации энергии, которая тем самым выступает как еще
более фундаментальная и общая концепция, чем масса, поскольку
энергия присуща не только веществу, но и безмассовым полям.
Развитие физики в XIX в. показало, что источником другой разновидности сил, действующих в макромире, – электрических и
магнитных – является электрический заряд, что хорошо подтверждается законом Кулона, формулой для силы Лоренца и уравнени38
ями электромагнитной теории Максвелла. Хотя реальное существование электрического заряда доказано и теоретически, и экспериментально, многие вопросы, связанные с его происхождением,
квантованностью и т. п., предстоит еще выяснить.
Классическое время и пространство
В начале XX в. выяснилось, что на время «можно влиять»! Очень
быстрое движение, например, замедляет бег времени. Затем выяснилось, что поток времени зависит и от поля тяготения. Обнаружилась
также тесная связь времени со свойствами пространства. Так возникла и бурно развивается сейчас наука, которую можно назвать физикой времени и пространства.
Современный этап развития физики характеризуется новым
мощным прорывом в нашем понимании строения материи. Если
в первые десятилетия XX в. было понятно устройство атома и выяснены основные особенности взаимодействия атомных частиц, то
теперь физика изучает кварки – субъядерные частицы и проникает
глубже в микромир. Все эти исследования теснейшим образом связаны с пониманием природы времени.
Важное значение для науки и будущей технологии имеют такие
свойства времени, как его замедление вблизи нейтронных звезд,
остановка в черных дырах и «выплескивание» в белых, возможность «превращения» времени в пространство и наоборот.
Трехмерность пространства
Каждый знает, что пространство Вселенной трехмерно. Это значит,
что у него есть длина, ширина и высота. То же и у всех тел. Или еще:
положение точки может быть задано тремя числами – координатами.
Если в пространстве проводить прямые линии или плоскости или чертить сложные кривые, то их свойства будут описываться законами
геометрии. Эти законы были известны давным-давно, суммированы
еще в III в. до н. э. древне-греческим математиком Евклидом. Именно
евклидова геометрия изучается в школе как стройный ряд аксиом
и теорем, описывающих все свойства фигур, линий, поверхностей.
Связь пространства и времени
Если мы изучаем не только местонахождение, но и процессы, происходящие в трехмерном пространстве, то должны включить еще и
39
время. Событие, совершающееся в какой-либо точке, характеризуется положением точки, то есть заданием трех ее координат и еще
четвертым числом – моментом времени, когда это событие произошло. Момент времени для события есть его четвертая координата.
Вот в этом смысле и говорят, что наш мир четырехмерности.
Эти факты, конечно, известны давно. Но почему же раньше, до
создания теории относительности, такая формулировка о четырехмерности не рассматривалась как серьезная и несущая новые знания? Все дело в том, что уж очень разными выглядели свойства пространства и времени. Когда мы говорим только о пространстве, то
представляем себе застывшую картину, на которой тела или геометрические фигуры как бы зафиксированы в определенный момент.
Время же неудержимо бежит (и всегда от прошлого к будущему),
и тела для этого представления могут «менять места».
В отличие от пространства, в котором три измерения, время одномерно. И хотя еще древние сравнивали время с прямой линией,
это казалось всего лишь наглядным образом, не имеющим глубокого смысла. Картина резко изменилась после открытия теории относительности.
В 1908 г. немецкий математик Г. Минковский (1864–1909), развивая идеи этой теории, заявил: «Отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции, и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность»1. Что имел
в виду Минковский, высказываясь столь решительно и категорично?
Он хотел подчеркнуть два обстоятельства. Первое – это относительность промежутков времени и пространственных длин, их зависимость от выбора системы отсчета. Второе, оно и является главным в его высказывании, это то, что пространство и время тесно
связаны между собой. Они, по существу, проявляются как разные
стороны некоторой единой сущности – четырехмерного пространства-времени. Вот этого тесного единения, неразрывности и не знала доэйнштейновская физика. В чем оно проявляется?
Прежде всего, пространственные расстояния можно определять,
измеряя время, необходимое свету или вообще любым электромагнитным волнам для прохождения измеряемого расстояния. Это известный метод радиолокации. Очень важно при этом, что скорость
любых электромагнитных волн совсем не зависит ни от движения их
источника, ни от движения тела, отражавшего эти волны, и всегда
1
40
Минковский Г. Пространство и время. Спб., 1911.
равна c (скорость света в вакууме, приблизительно равная 300 000
км/с). Поэтому расстояние получается просто умножением постоянной скорости c на время прохождения электромагнитного сигнала.
До теории Эйнштейна не знали, что скорость света постоянна, и думали, что так просто поступать при измерении расстояний нельзя.
Конечно, можно поступить и наоборот, то есть измерять время
световым сигналом, пробегающим известное расстояние. Если, например, заставить световой сигнал бегать, отражаясь между двумя
зеркалами, разнесенными на три метра друг от друга, то каждый
пробег будет длиться одну стомиллионную долю секунды. Сколько
раз пробежал этот своеобразный световой маятник между зеркалами, столько стомиллионных долей секунды прошло.
Пространство-время Минковского
Важное проявление единства пространства и времени состоит
в том, что с ростом скорости тела течение времени на нем замедляется в точном соответствии с уменьшением его продольных (по
направлению движения) размеров. Благодаря такому точному соответствию из двух величин – расстояния в пространстве между
какими-либо двумя событиями и промежутка времени, их разделяющего, простым расчетом можно получить величину, которая
постоянна для всех наблюдателей, как бы они ни двигались, и никак не зависит от скорости любых «лабораторий». Эта величина
играет роль расстояния в четырехмерном пространстве-времени.
Пространство-время и есть то «объединение» пространства и времени, о котором говорил Г. Минковский.
Вообразить такое формальное присоединение времени к пространству, пожалуй, нетрудно. Гораздо сложнее наглядно представить себе
четырехмерный мир. Удивляться трудности не приходится. Когда мы
в школе рисуем плоские геометрические фигуры на листе бумаги, то
обычно не испытываем никаких затруднений в изображении этих фигур; они двумерны (имеют только длину и ширину).
Гораздо труднее воображать трехмерные фигуры в пространстве: пирамиды, конусы, секущие их плоскости и т. д. Что касается
воображения четырехмерных фигур, то иногда это трудно даже для
специалистов, всю жизнь работающих с теорией относительности.
Так, известный английский физик-теоретик, крупнейший специалист в теории относительности Стивен Хокинг говорит: «Невозможно
вообразить четырехмерное пространство. Я сам с трудом представляю
фигуры в трехмерном пространстве!». Поэтому человеку, испытыва41
ющему трудность с представлением четырехмерности, огорчаться не
надо. Но специалисты с успехом используют понятие пространствавремени. Так, в пространстве-времени можно линией изображать
движение какого-либо тела, если по горизонтальной оси (оси абсцисс)
изобразить расстояние в пространстве по одному направлению, а по
вертикальной (оси ординат) – отложить время. Для каждого момента
времени отмечаем положение тела. Если оно покоится в нашей «лаборатории», то есть его расположение не меняется, то это на нашем
графике изобразится вертикальной линией. Если тело движется с постоянной скоростью, мы получим наклонную прямую. При произвольных движениях получается кривая линия, получившая название
мировой линии. В общем случае надо вообразить, что тело может двигаться не только по одному направлению, но и по двум другим в пространстве тоже. Его мировая линия будет изображать эволюцию тела
в четырехмерном пространстве-времени.
На современном этапе ученые попытались показать, что пространство и время выступают как бы совершенно равноправно. Их
значения просто отложены по разным осям. Но все же между пространством и временем есть существенная разница: в пространстве
можно находиться неподвижным, во времени – нельзя. Мировая
линия покоящегося тела изображается вертикально. Тело как бы
увлекается потоком времени вверх, даже если оно не движется
в пространстве. И так обстоит дело со всеми телами; их мировые линии не могут остановиться, оборваться в какой-то момент времени,
ведь время не останавливается. Пока тело существует, непрерывно
продолжается и его мировая линия.
Как мы видим, ничего мистического в представлениях физиков
о четырехмерном пространстве-времени нет. А. Эйнштейн как-то
заметил: «Мистический трепет охватывает нематематика, когда
он слышит о "четырехмерном", – чувство, подобное чувству, внушаемому театральным приведением. И тем не менее нет ничего
банальнее фразы, что мир, обитаемый нами, есть четырехмерная
пространственно-временная непрерывность»1.
Конечно, к новому понятию надо привыкнуть. Однако независимо от способности к наглядным представлениям физики-теоретики
используют понятие о четырехмерном мире как рабочий инструмент для своих расчетов, оперируя мировыми линиями тел, вычисляя их длину, точки пересечения и т. д. Они развивают в этом четы-
1
42
Энштейн А. Указ. соч. 1-е изд. 1905.
рехмерном мире четырехмерную геометрию, подобную геометрии
Евклида. В честь Г. Минковского четырехмерный мир называют
пространством-временем Минковского.
Проблема тяготения и гравитации
После создания в 1905 г. теории относительности А. Эйнштейн
в течение десяти лет упорно работал над проблемой – как соединить
свою теорию с ньютоновским законом всемирного тяготения.
Закон тяготения в том виде, как его сформулировал И. Ньютон,
несовместим с теорией относительности. В самом деле, согласно
утверждению Ньютона сила, с которой одно тело притягивает другое, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Поэтому, если притягивающее тело сдвинется, расстояние между
телами изменится, и это мгновенно скажется на силе притяжения,
влияющей на притягиваемое тело. Таким образом, по Ньютону, тяготение мгновенно передастся сквозь пространство. Но теория относительности утверждает, что этого быть не может. Скорость передачи любой силы, любого влияния не может превышать скорость
света, и тяготение не может передаваться мгновенно!
В 1915 г. Эйнштейн завершил создание новой теории, объединяющей теории относительности и тяготения. Он назвал ее общей теорией относительности. После этого ту теорию, которую Эйнштейн создал в 1905 г. и которая не рассматривала тяготение, стали называть
специальной теорией относительности. Теория тяготения Эйнштейна
утверждает, что тяготеющие тела искривляют вокруг себя четырехмерное пространство-время. Трудно наглядно вообразить себе простое пространство-время, а тем более сложно это сделать, когда оно
еще и искривленное. Но для математика или физика-теоретика и нет
нужды в наглядных представлениях. Для них искривление означает
изменение геометрических свойств фигур или тел. Так, если на плоскости отношение длины окружности к ее диаметру равно 2, то на
искривленной поверхности или в «кривом» пространстве это не так.
Геометрические соотношения там отличаются от соотношений в геометрии Евклида. И специалисту достаточно знать законы «кривой»
геометрии, чтобы оперировать в таком необычном пространстве.
Искривление пространства-времени
Тот факт, что четырехмерное пространство может быть искривленным, теоретически было открыто в начале прошлого века
43
русским математиком Н. М. Лобачевским (1792–1856) и в то же
время венгерским математиком Я. Больяй. В середине прошлого
века немецкий геометр Б. Риман (1826–1866) стал рассматривать
«искривленные» пространства не только с тремя измерениями, но
и четырехмерные и вообще с любым числом измерений. С той поры геометрию искривленного пространства стали называть неевклидовой. Первооткрыватели неевклидовой геометрии не знали,
в каких конкретно условиях может проявиться их геометрия, хотя
отдельные догадки об этом высказывали. Созданный ими и их последователями математический аппарат был использован при формулировке общей теории относительности.
Итак, согласно основной идее А. Эйнштейна тяготеющие массы
искривляют вокруг себя пространство-время. Пространство воздействует на материю, «указывая» ей, как двигаться. Материя,
в свою очередь, оказывает обратное действие на пространство,
«указывая» ему, как искривляться.
В этом объяснении все необычно – и неподдающееся наглядному
представлению искривленное четырехмерное пространство-время,
и необычность объяснения силы тяготения геометрическими причинами. Физика здесь впервые напрямую связывается с геометрией. Знакомясь с успехами физики, чем ближе мы подходим к нашей
эпохе, тем необычнее становятся ее открытия, а понятия все менее
поддаются наглядным представлениям. И ничего не поделаешь!
Природа сложна, и раз уж мы проникаем все глубже в ее тайны, то
приходится мириться с тем, что это требует все больших усилий,
в том числе и от нашего воображения. Наверное, слово «мириться»
не очень здесь подходит, скорее надо подчеркнуть, что становится
все интереснее, хотя и труднее.
После создания своей теории Эйнштейн указал на эффект, касающийся времени. Теория Эйнштейна предсказывает: в сильном поле
тяготения время течет медленнее, чем вне его. Это означает, например, что любые часы у поверхности Солнца идут медленнее, чем на
поверхности Земли, ибо тяготение Солнца больше, чем тяготение
Земли. По аналогичной причине часы на некоторой высоте над поверхностью Земли идут чуть быстрее, чем на самой поверхности.
В 1968 г. американский физик И. Шапиро измерил замедление
времени у поверхности Солнца очень оригинальным методом. Он
проводил радиолокацию Меркурия, когда тот, двигаясь вокруг
Солнца, находился от него с противоположной стороны по отношению к Земле. Радиолокационный луч проходил вблизи поверхности Солнца, и из-за замедления времени ему требовалось чуть
44
больше на прохождение туда и обратно, чем на покрытие такого же
расстояния, когда Меркурий находился вдали от Солнца. Эта задержка (около десятитысячной доли секунды) действительно была
зафиксирована и измерена.
Итак, не может быть никакого сомнения в замедлении течения
времени в гравитационном поле. В большинстве исследованных
случаев изменение ничтожно мало, но астрономы и физики знают
ситуации, когда разница в беге времени колоссальна.
Контрольные вопросы
1. Основные концепты естественных наук.
2. Вещество и поле.
3. Концепты времени и пространства и их изменение в начале ХХ в.
4. Физическая размерность: теория пространство-время.
5. Проблема тяготения в современной физике.
Литература к главе 5
Фридман А. А. Мир как пространство и время. М., 1965.
Фундаментальная структура материи. М., 1984.
Хокинг С. Краткая история времени. М., 1990.
45
Глава 6
ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА.
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ
Создание А. Эйнштейном
специальной теории относительности (СТО)
В своей работе «К электродинамике движущихся тел» (1905).
Эйнштейн сформулировал основные положения СТО, которая объясняла отрицательный результат опыта А. А. Майкельсона (1852–
1931) и смысл преобразований Х. А. Лоренца (1853–1928), а также
содержала новый взгляд на пространство и время.
Эйнштейн нашел еще один путь преодоления противоречий
в принципиальных основах классической механики. Он пришел
к убеждению, что необходимо сохранить два первых утверждения
(принцип постоянства скорости света и принцип относительности), но отказаться от преобразований Галилея. И дело не просто
в том, чтобы чисто формально заменить их другим преобразованием. Эйнштейн увидел, что за преобразованиями Галилея кроется
определенное представление о пространственно-временных соотношениях, которое не соответствует физическому опыту, реальным
свойствам пространства и времени. Слабым звеном принципиальных оснований классической механики оказалось представление
об абсолютной одновременности событий. Классическая механика
пользовалась им, не сознавая сложности его природы.
Специальная теория относительности
До выхода в свет статьи «К электродинамике движущихся тел»,
в которой впервые были изложены основы теории относительности,
Эйнштейн около 10 лет размышлял над проблемой влияния движения тел на электромагнитные явления. Он пришел к твердому убеждению о всеобщности принципа относительности, то есть к выводу,
что и в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы координат совершенно равноправны. Кроме того, Эйнштейн был убежден в постоянстве скорости
света во всех инерциальных системах отсчета. Он, по-видимому, еще
в молодости пришел к выводу, что скорость распространения световой волны одинакова во всех инерциальных системах.
Одновременное действие этих двух принципов кажется невозможным. Налицо теоретический парадокс. Из данного парадокса
46
Эйнштейн находит выход, анализируя понятие одновременности.
Результатом анализа является вывод об относительном характере этого понятия. В осознании относительности одновременности заключается суть всей теории относительности, выводы которой, в свою очередь, приводят к необходимости пересмотра понятий пространства и
времени – основополагающих понятий всего естествознания.
Принцип постоянства скорости света предполагает, что скорость
света относительно движущегося наблюдателя неизменна и равна с.
Значит, не существует способов установления синхронности часов;
часы, синхронные для покоящегося наблюдателя, перестают быть
синхронными, когда он движется по отношению к системе, в которой покоятся часы. Следовательно, понятие одновременности относительное. События, которые являются одновременными для одного
наблюдателя, не одновременны для другого наблюдателя, движущегося относительно первого.
Из нового понимания одновременности, осознания его относительности следуют революционные выводы о закономерностях
пространственно-временных отношений вещей. Прежде всего необходимо признать относительность размеров тел. Чтобы измерить
длину тела, нужно отметить его границы на масштабе одновременно. Однако то, что одновременно для неподвижного наблюдателя,
уже не одновременно для движущегося, поэтому и длина тела, измеренная разными наблюдателями, которые движутся друг относительно друга с различными скоростями, должна быть различна.
На следующем этапе становления специальной теории относительности этим общим идейным рассуждениям Эйнштейн придает математическую форму и, в частности, выводит формулы преобразования координат и времени – преобразования Лоренца. Но
у Эйнштейна эти преобразования имеют иной смысл: одно и то же
тело имеет различную длину, если оно движется с различной скоростью относительно системы, в которой эта длина измерялась. То
же самое относится и ко времени. Промежуток времени, в течение
которого длится какой-либо процесс, различен, если измерять его
движущимися с различной скоростью часами. В специальной теории относительности размеры тел и промежутки времени теряют
абсолютный характер, какой им приписывался классической физикой, и приобретают статус относительных величин.
Кроме формул преобразований координат и времени Эйнштейн получает также релятивистскую формулу сложения скоростей, показывает, что масса тела также является относительной величиной, зависящей от скорости, а между массой тела и его полной энергией существует
47
определенное соотношение. Он формулирует следующий закон: масса
тела есть мера содержащейся в нем энергии в соотношении Е = mс2.
Математический аппарат СТО был разработан в 1908 г. Г. Минковским. С математической точки зрения СТО есть геометрия плоского четырехмерного пространства-времени Минковского. СТО
подтверждена и проверена на обширном материале, многими фактами и экспериментами (например, замедление времени наблюдается
при распадах элементарных частиц в космических лучах или в ускорителях высоких энергий) и лежит в основе теоретических описаний
всех процессов, протекающих с релятивистскими скоростями.
Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физического познания. От классической механики СТО отличается тем, что
в физическое описание релятивистских явлений органически входит наблюдатель со средствами наблюдения. Описание физических
процессов в СТО существенно связано с выбором системы координат.
Физическая теория описывает не физический процесс сам по себе, а
результат взаимодействия физического процесса со средствами исследования. Обращая на это внимание, Эйнштейн в уже упомянутой
статье «К электродинамике движущихся тел» пишет, что суждения
всякой теории касаются соотношений между твердыми телами (координатными системами), часами и электромагнитными процессами. В СТО через осознание того, что нельзя дать описание физического процесса самого по себе, можно только дать его описание по
отношению к определенной системе отсчета, впервые в истории физики непосредственно проявились активность субъекта познания,
неотрывное взаимодействие субъекта и объекта познания.
Принципы и понятия эйнштейновской теории гравитации
Создание любой фундаментальной теории обычно порождает
цикл новых проблем, вызванных необходимостью ее согласования
с накопленным ранее (эмпирическим и теоретическим) массивом научного знания. Такое согласование состоит в пересмотре, изменении
(и часто весьма радикальном) содержания ряда старых и создании
новых представлений, понятий, категорий, теорий. Подобная ситуация сложилась и после возникновения СТО. Оно привело к необходимости обобщения классической ньютоновской теории гравитации
и потребовало нового расширения принципа относительности.
Специальная теория относительности не «стыковалась» с классической теорией тяготения: теория Ньютона построена на принципе дальнодействия, то есть предполагала мгновенное распро48
странение тяготения, а СТО базируется на представлении, что
никакое воздействие не может передаваться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Согласование СТО и теории тяготения Ньютона пошло по пути ограничения сферы применения
ньютоновской теории гравитации (гравитационное поле не должно
быть очень сильным, то есть таким, которое не разгоняет частицы
до релятивистских скоростей), а также обобщения и углубления
содержания основных понятий классической теории тяготения.
Это привело к созданию А. Эйнштейном в 1915–1916 гг. новой (неклассической) теории гравитации – общей теории относительности
(ОТО). Здесь в центре внимания оказалось понятие неинерциальных систем отсчета.
И классическая физика, и СТО формулируют закономерности
физических процессов и явлений только для очень узкого класса
так называемых инерциальных систем, которые либо покоятся, либо движутся прямолинейно и равномерно по отношению друг к другу; именно в них соблюдается принцип инерции, и по отношению
к ним выполняются принцип относительности и законы механики.
Понятие инерциальной системы – это научная абстракция, которой
по существу никакая реальная система абсолютно не соответствует, поскольку реальные системы так или иначе включены в различные ускоренные (обычно вращательные) движения. Инерциальные
системы выделяются лишь с той или иной степенью приближения
(например, наша Солнечная система с началом в центре ее масс и
с тремя осями, направленными на три звезды, или система с началом в центре Земли и осями, направленными на звезды, и др.). Все
реальные системы – неинерциальные. Неинерциальная система
определяется как система отсчета, которая движется с ускорением
по отношению к инерциальной системе. В неинерциальных системах отсчета не выполняются ни принцип инерции, ни законы механики. Поэтому глубочайшая задача физики состоит в том, чтобы
распространить ее законы с инерциальных систем на неинерциальные. Но как осуществить такое распространение?
Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути
обобщения принципа относительности движения, то есть распространения его не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем. Если не приписывать абсолютный характер ускорению,
то выделенность класса инерциальных систем потеряет свой смысл
и можно формулировать физические законы таким образом, чтобы
они относились к любой системе координат. В этом и заключается
общий принцип относительности.
49
Из него следует, что точно так же как нельзя говорить о скорости
тела вообще безотносительно к какому-нибудь телу, так, очевидно,
и ускорение имеет конкретный смысл по отношению к некоторому
фактору, вызывающему и определяющему его. Что это за фактор?
До Эйнштейна существовали две точки зрения на причины, порождающие инерциальные силы в ускоренных системах. Ньютон
считал, что таким фактором является абсолютное пространство,
а Э. Мах – действие общей массы Вселенной. Эйнштейн пошел
по иному пути. Он усмотрел такой фактор в эквивалентности сил
инерции и сил тяготения (инертной и гравитационной масс). В чем
состоит такая эквивалентность?
На заре классической механики было установлено, что существует два независимых способа определения массы тела.
Первый способ: согласно второму закону динамики m = F/а, где
F – сила, прилагаемая к телу (инертная масса); а – ускорение, которое вызывает эта сила. Здесь масса является сопротивлением тела
приложенной к нему силе, мерой его инерции.
Второй способ: через закон всемирного тяготения, силу тяготения (гравитационная масса). Здесь масса – это источник поля тяготения. С одной стороны, она создает такое поле, а с другой – сама
испытывает воздействие поля тяготения, создаваемого другими
телами. При этом гравитационная масса не зависит от ускорения
тела в поле тяготения, а определяется только силой тяготения.
Дело в том, что поле тяготения совершенно одинаково действует
на различные тела, сообщая им одинаковые ускорения независимо
от их массы, химического состава и других свойств, а в зависимости лишь от напряженности поля. Так, еще Галилей в своих опытах на «падающей башне» в Пизе установил, что все тела на Земле,
если не учитывать сопротивления воздуха, падают с одним и тем
же ускорением. А Ньютон обратил внимание на то, что периоды колебаний маятника зависят не от массы шара, а от длины нити, на
которой он подвешен. Иначе говоря, сила тяготения определяется
массой тела, а ускорение тела в поле тяготения массой тела не определяется. Тела с разной массой (если их начальные скорости одинаковы) в данном поле тяготения движутся одинаково.
Таким образом, ниоткуда не следует, что гравитационная масса,
которая создает поле тяготения, должна одновременно определять
и инерцию тела, меру его сопротивления действию силы. Вместе
с тем существует поразительная закономерность – количественное
тождество гравитационной и инертной масс. Многочисленные опыты показали, что инертная и гравитационная массы эквивалентны
50
друг другу. В 1890 г. венгерский физик Л. Этвеш (1848–1919) подтвердил этот факт с высокой точностью (до 10–9; в XX в. эта точность
возросла до 10–12).
С точки зрения ОТО пространство нашего мира не обладает постоянной нулевой кривизной. Кривизна его меняется от точки
к точке и определяется полем тяготения. И время в разных точках
течет по-разному. Поле тяготения является не чем иным, как отклонением свойств реального пространства от свойств идеального
(евклидова) пространства. Поле тяготения в каждой точке определяется значением кривизны пространства в этой точке. При этом
искривление пространства-времени определяется не только полной
массой вещества, из которого слагается тело, но и всеми видами
энергии, присутствующими в нем, в том числе энергии всех физических полей. Так, в ОТО обобщается принцип тождества массы и
энергии СТО: Е = mс2. Таким образом, важнейшее отличие ОТО от
других физических теорий состоит в том, что она описывает тяготение как воздействие материи на свойства пространства-времени,
которые, со своей стороны, влияют на движение тел и на физические процессы в них.
В ОТО движение материальной точки в поле тяготения рассматривается как свободное «инерциальное» движение, но происходящее не в евклидовом, а в пространстве с изменяющейся кривизной.
В результате движение точки уже не является прямолинейным и
равномерным, а происходит по геодезической линии искривленного пространства. Отсюда следует, что уравнение движения материальной точки, а также и луча света должно быть записано в виде
уравнения геодезической линии искривленного пространства. Для
определения кривизны пространства необходимо знать выражение
для компонент фундаментального тензора (аналога потенциала
в ньютоновской теории тяготения). Задача заключается в том, чтобы, зная распределения тяготеющих масс в пространстве, определить функции координат и времени (компонент фундаментального
тензора); тогда можно записать уравнение геодезической линии
и решить проблему движения материальной точки, проблему распространения светового луча и т. д.
Эйнштейн нашел общее уравнение гравитационного поля (которое в классическом приближении переходило в закон тяготения
Ньютона) и таким образом решил проблему тяготения в общем виде.
Уравнения гравитационного поля в общей теории относительности
представляют собой систему из 10 уравнений. В отличие от теории
тяготения Ньютона, где есть один потенциал гравитационного по51
ля, который зависит от единственной величины – плотности массы,
в теории Эйнштейна гравитационное поле описывается 10 потенциалами и может создаваться не только плотностью массы, но также
потоком массы и потоком импульса.
В последние десятилетия своей жизни Эйнштейн усиленно занимался поисками единой теории поля, которая бы объединила теорию тяготения и теорию электромагнитного поля. С точки зрения
Эйнштейна, реализация этой задачи позволила бы вывести свойства вещества из представлений о свойствах поля, «рассматривать
вещество как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно
сильно», и объяснить существование элементарных частиц. Однако
несмотря на все остроумие его методов и колоссальное упорство,
ему не удалось этого достигнуть. К середине XX в. стало ясно, что
работа в данном направлении должна осуществляться с учетом существования не двух (гравитационное и электромагнитное), а четырех типов фундаментальных взаимодействий.
Гипотеза квантов
Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях процессов излучения тел. Еще в 1809 г. П. Прево сделал вывод, что каждое
тело излучает независимо от окружающей среды. Благодаря развитию спектроскопии в XIX в. при изучении спектров излучения
начинают обращать внимание и на спектры поглощения. При этом
выясняется, что между излучением и поглощением тела существует простая связь: в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот
закон получил объяснение только в квантовой теории.
Постоянная Планка
В 1900 г. на заседании Берлинского физического общества
М. Планк (1858–1947) предложил новую формулу для распределения энергии в спектре черного тела. Эта формула полностью соответствовала опыту, но ее физический смысл был не вполне понятен. Дополнительный анализ показал, что она имеет смысл только
в том случае, если допустить, что излучение энергии происходит
не непрерывно, а определенными порциями – квантами (ε). Более
того, ε не является любой величиной, а именно, ε = hv, где h – определенная константа (постоянная Планка), a v – частота света. Этo
вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии
52
или действия, дискретного, квантового характера излучения, что
не укладывалось в рамки представлений классической физики.
Существенно новым шагом в развитии квантовой гипотезы было
введение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г.
Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В целом ряде исследований были получены подтверждения истинности
этой идеи. В 1909 г. Эйнштейн, продолжая исследования законов излучения, показывает, что свет обладает одновременно и волновыми,
и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно,
что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя
объяснить с позиций классической физики. Требовались новые понятия, новые представления и новый научный язык, для того чтобы
физики могли осмыслить эти необычные явления. Все это появилось
позднее – вместе с созданием квантовой механики.
Идеи и понятия квантовой механики
Принцип неопределенности. В 1925 г. В. Гейзенберг (1901–1976)
построил так называемую матричную механику; а в 1926 г. Э. Шредингер (1887–1961) разработал волновую механику. Вскоре выяснилось, что и матричная механика, и волновая механика – различные
формы единой теории, получившей название квантовой (нерелятивистской) механики.
К созданию матричной механики В. Гейзенберг пришел в результате исследований спектральных закономерностей, теории
дисперсии, где атом представлялся некоторой символической математической моделью – как совокупность гармонических осцилляторов. Эти исследования подтолкнули его к мысли о том, что
представления об атоме как о системе, состоящей из ядра и вращающихся вокруг него электронов, которые обладают определенной
массой и движутся с определенной скоростью по определенной орбите, нужно понимать лишь как аналогию для установления математической модели; подлинные же характеристики атома нами
не наблюдаемы. Теория атомных явлений, по Гейзенбергу, должна ограничиваться установлением соотношений между величинами, которые непосредственно измеряются в экспериментальных
исследованиях («наблюдаемыми» величинами, в терминологии
Гейзенберга) – частотой излучения спектральных линий, их интенсивностью, поляризацией и т. п. А «ненаблюдаемые» величины, такие как координаты электрона, его скорость, траектория,
по которой он движется, и т. д., не следует использовать в теории
53
атома. Вместо координат и скоростей электрона в его схеме фигурировали абстрактные алгебраические величины – матрицы.
Матрицы соотносились с наблюдаемыми величинами простыми
правилами.
Согласно принципу соответствия, соотношения величин новой
теории должны быть аналогичными соотношениям классических
величин. При этом каждой классической величине нужно найти
соответствующую ей квантовую величину и составить соответствующие соотношения между найденными квантовыми величинами.
Такие соответствия могут быть получены только из операций измерения. Анализируя закономерности измерения величин в квантовой механике, Гейзенберг приходит к важному принципиальному
результату о невозможности одновременного точного измерения
двух канонически сопряженных величин и устанавливает так называемое соотношение неопределенностей.
Математический аппарат квантовой механики оказался логически непротиворечивым, строгим и изящным, а отношения
между математическими и физическими величинами устанавливаются строго и четко. Основные понятия квантовой механики – «квантовое состояние», «вектор состояния», «оператор»
и др. Возможности аппарата квантовой механики возросли, когда анализ спектров атомов привел к представлению о том, что
электрону (и всем элементарным частицам) кроме заряда и массы
присуща еще одна внутренняя характеристика – спин (собственный момент количества движения, имеющий квантовую природу). Представление о спине позволило В. Паули (1900–1958)
сформулировать принцип запрета (согласно которому в произвольной физической системе не может быть двух электронов,
находящихся в одном и том же квантовом состоянии), который
имел фундаментальное значение для построения теории атома,
квантовой химии, теории твердого тела и др. (1925).
За относительно короткое время (нерелятивистская) квантовая механика нашла применение при решении большого круга
теоретических и практических задач. Прежде всего это касается
объяснения строения атомов и молекул, периодической системы
элементов, химической связи. С помощью квантовой теории удалось построить также более совершенные теории твердого тела,
электрической проводимости, термоэлектрических явлений, ферромагнетизма и т. д. Она позволила построить теорию радиоактивного распада, а в дальнейшем стала базой для ядерной физики и
ядерной энергетики.
54
Теория элементарных частиц
Во второй половине XX в., с созданием ускорителей заряженных
частиц, в физике получены поистине удивительные результаты.
Было открыто множество новых субатомных частиц. Новые частицы
обычно открывают, наблюдая за реакцией рассеяния уже известных
частиц. Для этого в ускорителях частицы сталкивают с как можно
большей энергией, а затем исследуют продукты их взаимодействия.
Мир субатомных частиц поистине многообразен. К уже известным частицам, из которых построены атомы и молекулы (протоны,
нейтроны, электроны), добавилось множество других: мюонов, мезонов, гиперонов, античастиц, различных нейтральных частиц и др.
Среди субатомных частиц обнаружились и такие частицы, которые
в окружающем нас веществе практически не встречаются, – резонансы. Время их жизни – мельчайшие доли секунды. По истечении
этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные
частицы.
В 1950–1970-е гг. физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых
субатомных частиц. Если в конце 1940-х гг. было известно 15 элементарных частиц, то в конце 1970-х – уже около 400. Совершенно
непонятно, для чего столько частиц. Являются ли элементарные
частицы случайными осколками материи или, возможно, за их
взаимодействиями скрывается некоторый порядок? Развитие физики в последующие десятилетия показало: миру субатомных частиц присущ глубокий структурный порядок. В основе этого порядка – фундаментальные физические взаимодействия.
Проблема единства физики
Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки – поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы создать такую
единую систему, нужно открыть глубинное связующее звено между различными отраслями знания. Поиск таких связей – одна из
главных задач научного исследования. Всякий раз, когда удается
установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания,
которые указывают путь к не известным ранее явлениям.
Установление глубинных связей между различными областями
природы – это одновременно и синтез знания, и новый метод, на55
правляющий научные исследования по непроторенным дорогам.
Так, выявление Ньютоном связи между притяжением тел в земных
условиях и движением планет ознаменовало собой рождение классической механики, на основе которой построена технологическая
база современной цивилизации. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило
на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные
явления. Затем в 1920-х гг. Эйнштейн предпринимал попытки объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию.
Новые виды взаимодействия
Но к середине XX в. положение в физике радикально изменилось: были открыты два новых фундаментальных взаимодействия – сильное и слабое. При создании единой физики приходится
считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это несколько охладило пыл тех, кто надеялся на
быстрое решение проблемы единства физики. Однако сам замысел
под сомнение всерьез не ставился.
В современной теоретической физике господствует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой явления одной природы и может быть найдено их единое
теоретическое описание. Перспектива создания единой теории мира физических элементов (на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия) – высший идеал современной физики. Это главная мечта физиков. Но долгое время она оставалась
лишь мечтой, и очень неопределенной.
Однако во второй половине XX в. появились предпосылки осуществления мечты и уверенность, что это дело отнюдь не отдаленного
будущего. Похоже, что вскоре она вполне может стать реальностью.
Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в 1960–1970-х
гг. с созданием сначала теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Появились основания считать, что мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем
когда-либо ранее. Среди физиков зреет убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий – Великого объединения.
А там не за горами и единая теория всех фундаментальных взаимодействий – Супергравитация.
56
Супергравитация и перспективы
современной физической картины мира
Супергравитация – это кульминация теоретической физики, та
самая общая и абстрактная теория, которая венчает собой длительный и напряженный, а часто и драматический поиск единства физики. На уровне суперсимметрии появляется необходимость обоснования абстрактных симметрий калибровочных полей. Иначе
говоря, вновь возникает необходимость обоснования физики геометрией, в частности, представления калибровочных полей как
геометрических симметрий, связанных с дополнительными измерениями пространства. Это привело к возрождению идей многомерности нашего мира.
Появляются модели суперсимметрии, в которых наш мир рассматривается как 11-мерное (или 10-мерное, или даже 26-мерное)
пространство-время. Из 11 измерений только четыре проявляются
в нашем мире, а остальные 7 остаются скрученными, замкнутыми.
Эти «скрытые измерения» существуют в масштабе r =10–33 см. Для
проникновения в такие масштабы необходима энергия, сравнимая
со всей энергией нашей Галактики! Разумеется, проекты проникновения в такие мельчайшие области нашего мира в обозримом будущем для человечества нереальны. (Возможно, они нереальны и
в принципе).
Несомненным достоинством и свидетельством перспективности программы супергравитации является то, что под ее влиянием
сложился новый подход к объединению фундаментальных взаимодействий – теория суперструн. В этой теории частица рассматривается как струна – колебательная система с распределенными параметрами. При низких энергиях струна ведет себя как частица,
а при высоких – в описания движения струны нужно вводить параметры, характеризующие ее вибрацию. Математическая сторона
теории суперструн оказывается проще, чем в стандартной теории:
исчезают нежелательные бесконечности. Одно из важных космологических следствий теории суперструн – возможность множественности вселенных, в каждой из которых существует свой набор фундаментальных взаимодействий.
Объединение фундаментальных взаимодействий по существу
началось еще в XIX в. с синтеза электричества и магнетизма в теории электромагнитного поля Максвелла. Попытки синтеза гравитации и электромагнетизма, предпринятые А. Эйнштейном
в «единой теории поля», не удались. Зато теоретическое объеди57
нение слабого и электромагнитного взаимодействий получило надежное подтверждение в 1983 г. благодаря экспериментальному
обнаружению W- и Z-бозонов. Твердо обоснованных данных, подтверждающих Великое объединение (распад протона, существование магнитного монополя), пока нет, но их ожидают. Программа
супергравитации – яркий пример того, как теория может значительно опередить практику, опыт, возможности эксперимента. Но
и здесь можно ожидать косвенных эмпирических обоснований моделей супергравитации данными внегалактической астрономии,
астрофизики и космологии. Таким образом, физика стоит на пороге создания единой теории материи, то есть всех фундаментальных
взаимодействий (поля) и структуры вещества. Возможно, что уже
в первой половине XXI в. эта величайшая задача всей истории науки будет решена. В определенном смысле это означает конец физической науки как познания фундаментальных оснований материи.
Многое в решении этих задач будет зависеть от возможностей
эксперимента в области физики элементарных частиц. Нынешние
ускорители (коллайдеры), в которых сталкиваются разгоняющиеся навстречу друг другу сгустки элементарных частиц (электроны,
протоны и др.), обеспечивают энергию сталкивающихся частиц
около 200 ГэВ. Обсуждаются проекты ускорителей, повышающих
эту энергию на 2–3 порядка. Но технические возможности здесь
не беспредельны. Повышение энергии требует создания сильных
энергетических полей. А этому есть свой предел, ведь очень сильные поля будут разрушать атомы любого вещества; это значит, что
в таком поле ускоритель сам себя будет разрушать! Сейчас обсуждаются проекты создания ускорителей, использующих нанотехнологии, которые позволяют быстро регенерировать разрушенные сильным электромагнитным полем ячейки материала. Выполнение
такой программы, если это вообще реально, – дело очень далекого будущего. Правда, остается возможность изучать космические
лучи (потоки нейтрино, гравитоны и др.) с высокой энергией. Для
этого нужно научиться их уверенно регистрировать. Однако не исключены и другие варианты развития физики XXI в. Наука всегда
должна быть готова к революционным поворотам. И потому, например, открытие новых фундаментальных взаимодействий, субкварковых частиц и других может потребовать кардинального пересмотра современной (релятивистской и квантовой) физики, поставить на повестку дня вопрос о создании принципиально «новой
физики». Много необычного и неожиданного несет для познания
физического мира та область, где Микромир оказывается связан58
ным с Мегамиром, ультрамалое с ультрабольшим, элементарная
частица со Вселенной в целом, физика с астрономией.
Контрольные вопросы
1. Специальная теория относительности А. Эйнштейна.
2. Общая теория относительности.
3. Основы квантовой теории.
4. Теория элементарных частиц.
5. Перспективы современной теоретической физики.
Литература к главе 6
Борн М. Эйнштейновская теория относительности. М., 1964.
Пономарев Л. И. Под знаком кванта. М., 2005.
Фейнберг Дж. Из чего сделан мир? М., 1981.
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.
59
Глава 7
СОВРЕМЕНЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВСЕЛЕННОЙ
Открытие разбегания галактик
С глубокой древности и до начала нынешнего столетия космос
считали неизменным. Звездный мир олицетворял собой абсолютный
покой, вечность и беспредельную протяженность. Открытие в 1929 г.
взрывообразного разбегания галактик, то есть быстрого расширения
видимой части Вселенной, показало, что Вселенная нестационарна.
Экстраполируя процесс расширения в прошлое, сделали вывод, что
15–20 миллиардов лет назад Вселенная была заключена в бесконечно малый объем пространства при бесконечно большой плотности
и температуре вещества-излучения (это исходное состояние называют «сингулярностью»), а вся нынешняя Вселенная конечна – обладает ограниченным объемом и временем существования.
Теория Большого взрыва
Отсчет времени жизни такой эволюционирующей Вселенной ведут от момента, при котором, как полагают, внезапно нарушилось
состояние сингулярности и произошел Большой взрыв. По мнению большинства исследователей, современная теория Большого
взрыва (ТБВ) в целом довольно успешно описывает эволюцию
Вселенной, начиная примерно с 10–44 с после начала расширения.
Единственной брешью в прекрасном сооружении ТБВ они считают
проблему Начала – физического описания сингулярности. Однако
и тут преобладает оптимизм: ожидают, что с созданием Теории Всего
Сущего, объединяющей все фундаментальные физические силы
в единое универсальное взаимодействие, эта проблема будет автоматически решена. Тем самым построение модели мироздания в наиболее общих и существенных чертах благополучно завершится.
Возраст Вселенной
15–20 миллиардов лет – так определяет сейчас наука возраст
Вселенной. Когда человек не знал этой цифры, он не мог задаваться вопросом, которым он задается сегодня: что было до этой даты? До этой даты, утверждает современная космогония, вся масса
Вселенной была сжата, была втиснута в некую точку, исходную каплю космоса.
60
Когда Вселенная пребывала в исходном точечном состоянии, рядом, вне ее не существовало материи, не было пространства, не могло
быть времени. Поэтому невозможно сказать, сколько продолжалось
это – мгновение или бессчетные миллиарды лет. Невозможно сказать не только потому, что нам это неизвестно, а потому что не было
ни лет, ни мгновений – времени не было. Его не существовало вне
точки, в которую была сжата вся масса Вселенной, потому что вне
ее не было ни материи, ни пространства. Времени не было, однако,
и в самой точке, где оно должно было практически остановиться.
Современное понятие вакуума
Не обязательно, чтобы исходная точка – то «космическое яйцо»,
из которого родилась Вселенная, была заполнена сверхплотной материей, мыслима такая космологическая схема, в которой Вселенная
не только логически, но и физически возникает из ничто, причем
при строгом соблюдении всех законов сохранения. Ничто (вакуум)
выступает в качестве основной субстанции, первоосновы бытия.
В свете новых космогонических представлений само понимание
вакуума было пересмотрено наукой. Вакуум есть особое состояние
вечно движущейся, развивающейся материи. На исходных стадиях Вселенной интенсивное гравитационное поле может порождать
частицы из вакуума.
Нам неизвестно, почему, в силу каких причин это исходное,
точечное состояние было нарушено и произошло то, что обозначается сегодня словами Большой взрыв. Согласно сценарию
исследователей вся наблюдаемая сейчас Вселенная размером
в 10 миллиардов световых лет возникла в результате расширения,
которое продолжалось всего 10–30 с. Разлетаясь, расширяясь во
все стороны, материя отодвигала безбытие, творя пространство
и начав отсчет времени. Так видит становление Вселенной современная космогония.
Если концепция о Большом взрыве верна, то он должен был бы
оставить в космосе своего рода «след», «эхо». Такой «след» был
обнаружен. Пространство Вселенной оказалось пронизано радиоволнами миллиметрового диапазона, разбегающимися равномерно по всем направлениям. Это «реликтовое излучение Вселенной»
и есть приходящий из прошлого след сверхплотного, сверхраскаленного ее состояния, когда не было еще ни звезд, ни туманностей, а материя представляла собой дозвездную, догалактическую
плазму.
61
Теоретически концепция «расширяющейся Вселенной» была выдвинута известным ученым А. А. Фридманом (р. 1964) в 1922–1924 гг.
Десятилетия спустя она получила практическое подтверждение в работах американского астронома Э. Хаббла (1889–1953), изучавшего
движение галактик. Хаббл обнаружил, что галактики стремительно
разбегаются, следуя некоему импульсу, заданному в момент Большого
взрыва. Если разбегание это не прекратится, будет продолжаться неограниченно, то расстояние между космическими объектами будет
возрастать, стремясь к бесконечности. По расчетам Фридмана, именно так должна была бы проходить дальнейшая эволюция Вселенной.
Однако при одном условии: если средняя плотность массы Вселенной
окажется меньше некоторой критической величины (эта величина
составляет примерно три атома на кубический метр). Какое-то время
назад данные, полученные американскими астрономами со спутника, исследовавшего рентгеновское излучение далеких галактик, позволили рассчитать среднюю плотность массы Вселенной. Она оказалась очень близка к той критической массе, при которой расширение
Вселенной не может быть бесконечно.
Черные дыры
Обратиться к изучению Вселенной посредством исследования
рентгеновских излучений пришлось потому, что значительная
часть ее вещества не воспринимается оптически. По крайней мере 50 % массы нашей Галактики мы «не видим», писал журнал
английских ученых «New Scientist». Об этом не воспринимаемом
нами веществе свидетельствуют, в частности, гравитационные силы, которые определяют движение нашей и других галактик, движение звездных систем. Вещество это может существовать в виде
«черных дыр», масса которых составляет сотни миллионов масс
нашего Солнца, в виде нейтрино или других каких-то неизвестных
нам форм. Не воспринимаемые, как и «черные дыры», короны галактик могут быть, считают некоторые, в 5–10 раз больше массы
самих галактик.
Предположение, что масса Вселенной значительно больше,
чем принято считать, нашло новое весьма веское подтверждение
в работах физиков. Ими были получены первые данные о том, что
один из трех видов нейтрино обладает массой покоя. Если остальные нейтрино имеют те же характеристики, то масса нейтрино во
Вселенной в 100 раз больше, чем масса обычного вещества, находящегося в звездах и галактиках.
62
Сингулярность и «схлопывание Вселенной»
Это открытие позволяет с большей уверенностью говорить, что
расширение Вселенной будет продолжаться лишь до некоторого
момента, после которого процесс обратится вспять – галактики
начнут сближаться, стягиваясь снова в некую точку. Вслед за материей будет сжиматься в точку пространство. Произойдет то, что
астрономы обозначают сегодня словами «схлопывание Вселенной».
Заметим ли мы, или, скажем, обитатели других миров, существующих в космосе, сжатие Вселенной, начало страшного ее возврата
в первоначальный, первозданный хаос? Нет и никогда. Слишком
несоизмеримы периоды жизни разумных существ и даже их цивилизаций с эпохами жизни Вселенной. Мы не можем заметить поворота времени, который должен будет произойти, когда Вселенная,
достигнув максимума своего разбега, начнет сжиматься.
Поворот течения времени, в масштабах Вселенной, аналогичен подобному же событию, происходящему на сжимающейся, «коллапсирующей» звезде. Условные часы, находящиеся на поверхности такой
звезды, сначала должны будут замедлить свой ход, затем, когда сжатие достигнет критического гравитационного «горизонта событий»,
они остановятся. Когда же звезда «провалится» из нашего пространства-времени, условные стрелки на условных часах двинутся в противоположную сторону – время пойдет обратно. Но всего этого сам
гипотетический наблюдатель, находящийся на такой звезде, не заметит. Замедление, остановку и изменение направления времени мог
бы воспринять только некто наблюдающий происходящее как бы со
стороны, находящийся вне «схлопывающейся» системы. Если наша
Вселенная единственная и нет ничего вне ее – ни материи, ни времени, ни пространства, – то не может быть и некоего взгляда со стороны,
который мог бы заметить, когда время изменит ход и потечет вспять.
Некоторые ученые считают, что событие это в нашей Вселенной
уже произошло, галактики падают друг на друга, и Вселенная вступила в эпоху своей гибели. Существуют математические расчеты
и соображения, подтверждающие эту мысль. Сторонники этой
точки зрения вспоминают в этой связи одно из «темных мест»
Платона. В диалоге «Политик» Платон говорит о времени, которое
некогда внезапно «потекло вспять», о странных космических явлениях, сопровождавших это событие. Многие века это сообщение
не поддавалось расшифровке, пока в современной космогонии не
появились данные, позволяющие попытаться понять его с позиций
сегодняшнего знания.
63
Что произойдет после того, как Вселенная вернется в некую исходную точку? После этого начнется новый цикл, произойдет очередной «Большой Взрыв», праматерия ринется во все стороны, раздвигая и творя пространство, снова возникнут галактики, звездные
скопления, жизнь. Такова, в частности, космологическая модель
американского астронома Дж. Уиллера, модель попеременно расширяющейся и «схлопывающейся» Вселенной.
Цикличность Вселенной
Известный математик и логик К. Гедель (1906–1978) математически обосновал то положение, что при определенных условиях наша
Вселенная действительно должна возвращаться к своей исходной точке
с тем, чтобы потом опять совершить тот же цикл, завершая его новым
возвращением к одному своему состоянию. Этим расчетам соответствует и модель английского астронома П. Дэвиса, модель «пульсирующей
Вселенной». Но что важно – Вселенная Дэвиса включает в себя замкнутые линии времени, иначе говоря, время в ней движется по кругу. Число
возникновений и гибели, которые переживает Вселенная, бесконечно.
Смерть Вселенной
А как представляет себе гибель Вселенной современная космогония? Известный американский физик С. Вайнберг (р. 1933) описывает
это так. После начала сжатия в течение тысяч и миллионов лет не произойдет ничего, что могло бы вызвать тревогу наших отдаленных потомков. Однако, когда Вселенная сожмется до 1/100 теперешнего размера,
ночное небо будет источать на Землю столько же тепла, сколько сегодня
дневное. Затем через 70 миллионов лет Вселенная сократится еще в десять раз и тогда «наши наследники и преемники (если они будут) увидят
небо невыносимо ярким». Еще через 700 лет космическая температура
достигнет десяти миллионов градусов, звезды и планеты начнут превращаться в «космический суп» из излучения, электронов и ядер.
Реликтовое излучение
После сжатия в точку, после того, что мы именуем гибелью Вселенной
(но что, может, вовсе и не есть ее гибель), начинается новый цикл. Это
показывает наличие реликтового излучения, эха Большого взрыва, породившего нашу Вселенную. Оказывается, оно приходит не только из
прошлого, но и «из будущего». Температура реликтового излучения, на64
блюдаемого сегодня, на 3° выше абсолютного нуля. Это и есть температура «электромагнитной зари», знаменующей рождение новой Вселенной.
Не только реликтовое излучение пронизывает мир, приходя из
прошлого и будущего. Материя, составляющая мир, Вселенную и
нас, несет в себе некую информацию. Исследователи с долей условности, но говорят уже о «внутреннем опыте», своего рода «памяти»
молекул, атомов, элементарных частиц. Атомы углерода, побывавшего в живых существах, «биогенные». Коль скоро в момент схождения Вселенной в точку материя не исчезает, то не исчезает, неуничтожима и информация, которую она несет. Наш мир заполнен
ею, как он заполнен материей, составляющей его.
«Будущая Вселенная»
Вселенная, что придет на смену нашей, будет ли она ее повторением? Вполне возможно, отвечают некоторые космологи.
Вовсе не обязательно, возражают другие. Нет никаких физических обоснований, считал, например, доктор Р. Дик (1856–1934)
из Принстонского университета, чтобы всякий раз в момент образования Вселенной физические закономерности были те же,
что и в момент начала нашего цикла. Если же эти закономерности
будут отличаться даже самым незначительным образом, то звезды не смогут впоследствии создать тяжелые элементы, включая
углерод, из которого построена жизнь. Цикл за циклом Вселенная
может возникать и уничтожаться, не зародив ни искорки жизни.
Такова одна из точек зрения. Ее можно было бы назвать точкой
зрения «прерывистости бытия». Оно прерывисто, даже если в новой Вселенной и возникает жизнь: никакие нити не связывают ее
с прошлым циклом.
По другой точке зрения, наоборот, «Вселенная помнит всю свою
предысторию, сколь бы далеко (даже бесконечно далеко) в прошлое
она ни уходила»1.
Спорные вопросы теории Большого взрыва
Представляется, что в понятии космологической сингулярности
скрыты, по меньшей мере, три проблемы, решение которых потребует изменения научной картины мира в целом.
1
Дик Р. Будущее Вселенной. М., 1968.
65
Во-первых, при обсуждении свойств сингулярности упор делают,
главным образом, на то, что материя была в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. При этом часто упускают из виду полное отсутствие
пространства-времени, что фактически равнозначно принципиальному отрицанию всего сущего, абсолютному (безотносительно чего бы
то ни было) ничто. Но ведь все физические теории объединяет одно, не
знающее исключений правило: они предназначены для описания различного рода взаимодействий между частицами и излучением в сопутствующем им пространстве-времени. ТБВ обязывает нас рассматривать
возникновение материи-пространства-времени из абсолютного ничто,
причем этот процесс единичен, уникален, а значит, никакое его описание не может считаться строго доказательным: теория в принципе
непроверяема, поскольку результат ее предсказания невоспроизводим.
Во-вторых, густым туманом окутано происхождение космологической сингулярности. Кажется очевидным, что, коль скоро современное состояние Вселенной преходяще, то и прошлое ее должно
быть преходящим, то есть если фазе расширения предшествовало
состояние сингулярности, то оно, в свою очередь, предварялось фазой образования этой сингулярности.
В-третьих, ТБВ не дает ответа на вопрос о причине Большого взрыва.
Она описывает события, происходящие в процессе уже расширяющейся Вселенной, но проблема нарушения сингулярности («первотолчка»)
повисает в воздухе, она попросту не рассматривается. Трудность здесь
в том, что ни одно из известных фундаментальных взаимодействий не
в состоянии преодолеть силы гравитационного сжатия, возникающие
при бесконечно большой плотности вещества-излучения.
Важно, что в теории сингулярность возникает не из-за неадекватности математических уравнений или некорректности задания граничных условий. Она представляет собой неотъемлемое
свойство любой физической модели конечной нестационарной
Вселенной. А между тем, вопреки выводам теории, мы существуем.
Большая бесконечная Вселенная
Как увязать очевидность бытия Вселенной с отрицанием возможности этого бытия, следующим из теории? По-видимому,
нельзя переносить представления о видимой части Вселенной на
всю Вселенную. Иначе говоря, нужно признать, что наша конечная, нестационарная вселенная (тогда уже с маленькой буквы)
представляет собой лишь один из элементов Большой бесконечной
Вселенной (с заглавной буквы).
66
Еще в начале века С. Шарлье предложил модель иерархической
Большой Вселенной, в которой малые вселенные распределены как изюминки в пудинге. Трудности современной космологии дают основание вернуться к ней, разумеется, с позиций нового знания. Суть в том,
чтобы рассматривать нестационарные отдельные малые вселенные
как преходящие элементы вечной и неизменной Большой Вселенной.
Но при бесконечно большом объеме Вселенной движение ее как единой
системы невозможно. Поэтому бесконечность ее бытия достигается через не связанные между собой движения локальных масс в составляющих ее вселенных, и вся наша видимая вселенная – лишь одна из них.
Нестационарность вселенных обрекает их на «смертность». Понятие «жизнь» по отношению к ним означает динамическое развитие по определенной программе как целого, а «смерть» – их распад.
(Отношения между Большой и малыми вселенными в известном
смысле подобны взаимоотношениям сообществ организмов и отдельных особей: бессмертие первых реализуется через смертность вторых).
Модель Большого взрыва в первом приближении достаточна для
описания эволюции «типичной» Вселенной в фазе ее расширения.
Но для изучения процессов на масштабах, намного превышающих
размеры и время жизни одной такой Вселенной, видимо, нужна новая теория. Она должна была бы учитывать тот факт, что отдельная
Вселенная проявляется как локальная флюктуация кривизны пространства, «евклидовой лишь в среднем».
Контрольные вопросы
1. Открытие разбегания галактик.
2. М. М. Фридман и теория Большого взрыва.
3. Черные дыры.
4. Сингулярность и теория циклов Вселенной.
5. Теория Большой бесконечной Вселенной.
Литература к главе 7
Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной.
М., 1975.
Кэри У. В поисках закономерностей развития Земли и Вселенной.
М.: Мир, 1991.
Силк Дж. Большой взрыв. М., 1982.
Человек, космос, эволюция. М., 1992.
Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум. М., 1974.
67
Глава 8
СОВРЕМЕННЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ
Понятия «химический элемент» и «химическое соединение»
Фундаментальными основами химии стали квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статическая физика, а также
физическая кинетика. На основе физики построена теоретическая
химия. На химическом уровне мы имеем дело с очень большим
числом частиц, участвующих в квантово-механических процессах
обмена электронами (химических реакциях). Развитие современной химии, ее основные концепции оказались тесно связанными
не только с физикой, но и с другими естественными науками, особенно с биологией. Современный этап развития химии связан с использованием в ней принципов химизма живой природы.
Понятие «химический элемент» и «химическое соединение»
с точки зрения современности
Химический элемент – это «кирпичик» вещества. Периодический закон Д. И. Менделеева (1834–1907) сформулировал зависимость свойств химических элементов от атомной массы, признаком элемента стало его место в периодической системе, определяемое атомной массой. Физика помогла составить представление
об атоме как о сложной квантово-механической системе, раскрыла смысл периодического закона на основе строения электронных
орбит всех элементов. Современное определение химического
элемента – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, то есть совокупность изотопов. А химическое соединение – это вещество,
атомы которого за счет химических связей объединены в молекулы, макромолекулы, монокристаллы или иные квантово-механические системы, то есть главной стала физическая природа сил,
соединяющая атомы в молекулы, обусловленная волновыми свойствами валентных электронов.
Учение о химических процессах
Учение о химических процессах является областью глубокого
взаимопроникновения физики, химии и биологии. В основе этого
учения находится химическая термодинамика и кинетика, которые в равной степени относятся и к химии, и к физике.
68
Предметом изучения являются условия протекания химических реакций, такие факторы как температура, давление и др.
Живая клетка, исследуемая биологической наукой, представляет собой микроскопический химический реактор, в котором происходят превращения, изучаемые химией. Изучая эти процессы,
современная химия перенимает у живой природы опыт, необходимый для получения новых веществ и материалов.
Основой химии живого являются каталитические химические
реакции. Большинство современных химических технологий реализуется с использованием катализаторов – веществ, которые увеличивают скорость реакции, не расходуясь в ней.
Простейшим носителем химических свойств служит атом (в том
числе ионизированный) – система, состоящая из ядра и движущихся вокруг него (в его электрическом поле) электронов. В результате химического взаимодействия атомов образуются молекулы (радикалы, ионы, атомные кристаллы) – системы, состоящие из нескольких ядер, в общем поле которых движутся электроны. При
химическом взаимодействии молекул одна конфигурация ядер и
электронов разрушается и образуется новая. Акт химического взаимодействия состоит в образовании новых электронных (молекулярных) орбиталей.
В химических реакциях участвуют не отдельные частицы, а их
большие коллективы – вещества, причем химическое изменение
сопровождается появлением новых химических индивидов, или
химических веществ. Химическим индивидом обычно называют
наименьшее количество вещества, повторением которого в пространстве можно воспроизвести данное вещество. Таким образом,
химическими индивидами будут атомы в атомной решетке простого вещества (поэтому графит и алмаз, которые содержат атомы
углерода С в своих кристаллических решетках, являются одним и
тем же химическим индивидом) или группы атомов в составе сложного атомного вещества (SiC в решетке карбида кремния), молекулы в веществе молекулярного строения (H2О в воде), ионные пары
или более сложные ионные комплексы в ионном веществе (NaCl
в поваренной соли, Na2СО3 • 10H2O в кристаллической соде) и т. д.
При таком определении изменение агрегатного состояния, полиморфный переход, механическое разрушение, образование некоторых растворов (например, газовых) нельзя назвать химическими
явлениями.
Химические явления определяют развитие неживой и живой
природы и отличаются от других, рассматриваемых в естествозна69
нии. Так, геолого-географические явления отличаются от химических участием во взаимодействии не веществ, а вещественных систем в литосфере, атмосфере, гидросфере и т. д., а также макромасштабами взаимодействий. Увеличение количества (массы) реагирующих участников процесса приводит к новым, отсутствующим
в химии, закономерностям.
Основные концептуальные системы химии
При всем многообразии химических явлений выделяют четыре
основные концептуальные системы. Эти системы появлялись последовательно во времени, причем каждая новая химическая концепция возникала на основе научных достижении предыдущей.
Первая химическая концепция – учение о составе – связана с исследованием свойств веществ в зависимости от их химического состава. В настоящее время в ее рамках рассматриваются проблемы периодичности, стехиометрии (соотношения между количествами вступивших в реакцию реагентов и образующихся продуктов), а также физико-химический анализ как основа изучения многокомпонентных
систем на основе построения диаграмм состав – свойство.
В 1800-е гг., когда стало очевидным, что свойства веществ и
их качественное разнообразие обусловливаются не только составом, но и структурой молекул, возникла концепция структурной
химии, предполагающая исследование структуры, то есть способа
взаимодействия элементов. Эта концепция опирается на атомномолекулярную концепцию строения вещества. Развитие современной структурной химии связано с познаниями в области квантовомеханической теории строения атома, химической связи и строения вещества.
Третья концептуальная система – учение о химическом процессе – в 1950-е гг. завершает свой этап становления. В основании ее
лежит представление о химической кинетике и химической термодинамике, а в ее рамках исследуются внутренние механизмы и
условия протекания химических процессов (скорости протекания
процессов, температура, давление и т. п., влияние катализаторов,
ингибиторов и пр.).
Идеи четвертой концептуальной системы – эволюционной химии – были сформулированы в 1970-х гг. Эта система находится
в стадии становления. В центре ее внимания – открытые высокоорганизованные химические системы, развитие которых приводит
к возникновению биологической формы движения. Эволюционная
70
химия включает в себя учение об эволюционном катализе (теории
саморазвития химических систем), а также теории биоорганической и бионеорганической химии.
Проблема химического элемента
Химический состав вещества рассматривается в рамках учения
о составе, в котором обычно выделяют три основные проблемы: проблему химического элемента, проблему химического соединения,
проблему вовлечения химических элементов в производство новых
материалов. В настоящее время под химическим элементом понимают совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Попытки
систематизации химических элементов привели Д. И. Менделеева
к созданию периодического закона. Современная формулировка этого закона звучит так: свойства элементов находятся в периодической
зависимости от заряда их атомных ядер. Полное научное объяснение
периодической системы элементов базируется на законах квантовой
механики.
Проблема химического соединения
Под химическим соединением в настоящее время понимают
индивидуальное вещество, в котором атомы одного (например,
N2, Cl2) или различных (H2SO4, КСl) элементов соединены между
собой химической связью. Сейчас известно свыше 5 млн химических соединений. Состав химических соединений в огромном
большинстве случаев подчиняется законам его постоянства и
кратных отношений. Первый закон гласит, что каждое химически чистое соединение независимо от способа и места его получения имеет один и тот же постоянный состав, причем отношения
масс атомов элементов постоянны. В соответствии с законом кратных отношений, если два химических элемента образуют друг
с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые
числа, обычно небольшие.
Применение современных физических методов исследования
вещества обнаружило физическую природу химизма, а именно:
атомы объединяют в молекулы как единую квантово-механическую систему внутренние силы – химические связи, а они представляют собой проявление волновых свойств валентных электронов. Волновая природа электронов наделяет атомы их типичными
71
свойствами. Наименьшими единицами многих веществ служат не
атомы, а молекулы, то есть группы атомов, тесно связанных друг
с другом. Чтобы понять строение вещества, следует узнать не только строение атома, но и причину соединения атомов в молекулы –
химическую связь.
Квантовая механика дала объяснение химической связи: она
возникает между атомами в результате взаимодействия электронных конфигураций различных атомов, причем тогда, когда эти
конфигурации хорошо подходят друг другу, как зубцы шестерни.
Конфигурации смешиваются и переплетаются, когда атомы приведены в соприкосновение, вследствие чего появляются новые конфигурации. Если атомные конфигурации очень хорошо подходят
друг другу, при их сближении возникает одна крупная единица, но
только несколько большая и более компактная – насыщенная молекула, не присоединяющая других атомов. Например, два атома
водорода, каждый с простейшей электронной конфигурацией, образуют молекулу водорода, в которой обе электронные конфигурации сливаются в одну эллиптическую.
В результате раскрытия физической сущности химической
связи классическое понятие молекулы изменилось. Молекулой
по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но
теперь в число молекул включают и такие квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образованные за счет водородных связей.
Поэтому некоторые неорганические вещества (оксиды, хлориды,
сульфиды, нитриды металлов) относят к веществам молекулярного строения, не имеющим постоянного состава. Дело в том, что
реальные монокристаллы любых твердых веществ всегда имеют
дефекты: вакантные узлы кристаллической решетки; атомы, попавшие в междоузлия; дислокации как отклонения от геометрических норм данной кристаллической решетки и т. д. Именно они
становятся реакционными центрами при вхождении вещества
в химические реакции.
Помимо химической связи, которая держит атомы связанными
в молекулы, существуют межмолекулярные силы. Они слабее химической связи, но именно они определяют агрегатное состояние
вещества. Когда две молекулы сближаются, электронные конфигурации каждой из них стремятся колебаться в унисон. Благодаря
этому возникает притяжение (так называемые ван-дер-ваальсовы
силы), сила которого зависит от типа движения электрона.
72
Химическая структура вещества
Развитие знания о химических явлениях позволило установить,
что большое влияние на свойства вещества оказывает не только его
химический состав, но и структура молекул – их взаимное расположение друг по отношению к другу (упорядоченность). Осознание этого стало началом структурной химии. Ключевым понятием данной
концептуальной системы является «структура», точнее, структура
молекулы реагента, в том числе макромолекулы или монокристалла. Под структурой обычно понимают устойчивую упорядоченность
качественно неизменной системы, каковой является молекула.
Относительно недавно был открыт новый класс металлоорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название «сэндвичевые соединения». Молекула этого соединения представляет собой две «пластины» из соединений водорода
и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла.
Они сыграли важную роль в пересмотре представлений о валентности и химической связи. Их можно рассматривать как наглядную
демонстрацию наличия у молекул единой системы электронноядерного взаимодействия.
Другая группа вопросов в концептуальной системе структурной химии связана с проблемами структурной неорганической химии. По существу это проблемы химии твердого тела. В широком смысле их две:
– синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокой механической
прочностью, термостойкостью и долговечностью в эксплуатации;
– создание методов синтеза кристаллов с запроектированными
дефектами решетки, что позволит получить материалы с заданными электрофизическими и оптическими свойствами.
Образование химических структур и химическая связь
Образование различных химических структур имеет свои характерные особенности. Взаимодействуя, атомы соединяются друг
с другом, образуя посредством химических связей двух- и многоатомные соединения – молекулы, радикалы, ионы и кристаллы.
Образование таких соединений приводит к выигрышу в энергии,
так как в обычных условиях молекулярное состояние устойчивее,
чем атомное. Химические связи имеют в основном электромагнитный характер – при их образовании происходит перераспределение
электронной плотности связывающихся атомов.
73
Главные отличительные черты химической связи:
1) полная энергия многоатомной системы меньше энергии изолированных атомов или атомных фрагментов, из которых она образована;
2) электронная плотность в области химической связи существенно перераспределена по сравнению с простым наложением
электронных плотностей несвязанных атомов или атомных фрагментов, сближенных на расстояние связи.
По характеру распределения электронной плотности связывающихся атомов обычно выделяют следующие основные типы связей:
– ковалентная связь, которая осуществляется парой электронов, общих для двух атомов, образующих связь. Атомы в молекуле
могут быть соединены ковалентной связью: одинарной (Н2, Н3С–
СН3), двойной (Н2С=СН2), тройной (N2, HC≡CH) или полярной
(НСl, Н3С–Сl) в зависимости от электроотрицательности;
– ионная связь, в основе которой – электростатическое взаимодействие между противоположно заряженными ионами, электрически заряженными частицами, которые образуются из атома
(молекулы) в результате потери или присоединения одного или
нескольких электронов. Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные – анионами. Примеры
ионной связи – молекулы NaCl, KF;
– металлическая связь, которая проявляется при взаимодействии атомов элементов, имеющих избыток свободных валентных
орбиталей по отношению к числу валентных электронов; эту связь
можно представить так: ионный кристаллический остов погружен
в электронный газ – свободные электроны, которые непрерывно перемещаются между положительными ионами и компенсируют электростатическое отталкивание ионов, связывая их в твердое тело;
– координационная (донорно-акцепторная) связь характерна
для комплексных соединений (гемоглобин, хлорофилл и др.), в молекулах которых выделяют центральный атом (комплексообразователь) и непосредственно связанные с ним молекулы или ионы (лиганды, обычно 4 или 6). Координационная связь обусловлена передачей электронной пары с заполненной орбитали донора на вакантную
орбиталь центрального атома (акцептора) с образованием общей связывающей молекулярные орбитали. При этом центральный атом и
лиганды образуют внутреннюю сферу. Внешнюю сферу составляют
ионы, заряд которых компенсирует заряд внутренней сферы.
Помимо этого выделяют водородные связи и межмолекулярные взаимодействия. Водородная связь образуется в результате
74
взаимодействия атома водорода, связанного ковалентной связью,
с электроотрицательным атомом и неподеленной парой электронов
другого атома. Атомы могут принадлежать как одной, так и разным молекулам. Водородная связь приводит к ассоциации одинаковых или различных молекул в комплексы; она во многом определяет свойства воды и льда, молекулярных кристаллов, структуру и
свойства белков, нуклеиновых кислот и др.
Межмолекулярные взаимодействия электрической природы
происходят между молекулами с насыщенными химическими
связями. Впервые существование такого взаимодействия принял
во внимание Я. Д. Ван-дер-Ваальс (1873–1949) для объяснения
свойств реальных газов и жидкостей.
В чистом виде перечисленные типы связей проявляются редко.
В большинстве соединений имеет место наложение разных типов
связей. При этом любая химическая связь образуется только тогда,
когда сближение атомов приводит к уменьшению полной энергии
системы.
Физическая сущность химического процесса
Условия среды на Земле таковы, что молекулы непрерывно разрушаются и снова образуются. Одно из важнейших следствий образования молекул состоит в высвобождении энергии (термодинамика). Понятно, что для разрыва химической связи требуется некоторое количество энергии, и такое же ее количество высвобождается
при образовании связи. Таким образом, нужно затратить энергию,
чтобы разделить молекулу на атомы, и энергия выделяется, когда
атомы образуют молекулу. Эта энергия проявляется в различных
формах, например в виде колебаний. Когда атомы соединяются, образующаяся молекула начинает колебаться в результате сильного
столкновения атомов. Вообще, когда атомы образуют молекулу,
энергия высвобождается и обычно проявляется в форме движения,
что эквивалентно теплоте. В некоторых особых случаях энергия
связи не превращается в теплоту: химические реакции присоединения происходят таким образом, что энергия, выигранная при
образовании молекул, передается молекулам другого рода, то есть
энергия образования молекулы запасается в другой молекуле, а не
растрачивается в виде теплоты.
Если бы температура Земли была значительно выше, например
как температура поверхности Солнца, то многие молекулы никогда бы не образовались из-за слишком сильного теплового воз75
буждения (атомы не могли бы оставаться друг возле друга). Если
бы температура Земли была гораздо ниже, молекулы, соединяясь,
образовали бы твердые тела и кристаллы и никакие изменения не
происходили. Но температура на Земле такова, что энергии достаточно для разрушения некоторых молекул, однако количество
энергии не слишком велико, благодаря чему большинство соединений может существовать в течение какого-то времени. Создание и
разрушение молекул сообщают постоянные изменения окружающей среде и создают тем самым возможность жизни.
Одно из важнейших следствий образования молекул состоит
в высвобождении энергии. Этот процесс особенно нагляден при
сжигании угля или других веществ. Горение любого типа связано
с образованием новых молекул и, следовательно, с выделением тепловой энергии. Рассмотрим подробнее, как и почему высвобождается энергия при соединении атомов в молекулы. Понятно, что
для разрыва химической связи требуется некоторое количество
энергии и такое же ее количество высвобождается при образовании
связи. Таким образом, нужно затратить энергию, чтобы разделить
молекулу на атомы, и энергия выделяется, когда атомы образуют
молекулу. Эта энергия проявляется в различных формах, например в виде колебаний. Когда атомы соединяются, образующаяся
молекула начинает колебаться в результате сильного столкновения атомов. Вообще, когда атомы образуют молекулу, энергия высвобождается и обычно проявляется в форме движения, что эквивалентно теплоте. В некоторых особых случаях энергия связи не
превращается в теплоту: химические реакции присоединения происходят таким образом, что энергия, выигранная при образовании
молекул, передается молекулам другого рода, то есть энергия образования молекулы запасается в другой молекуле, а не растрачивается в виде теплоты. Этот случай важен для поддержания жизни.
Химические реакции, производящие энергию, всегда начинаются с превращения молекул со слабыми связями в молекулы с прочными связями; при этом высвобождается разница в энергиях сильной и слабой связи. Молекулы СО2 и воды имеют прочные связи; то
же можно сказать о большинстве молекул, в которых атомы связаны
с кислородом. Молекулы, содержащие углерод и водород, связаны
слабо, они легко разрушаются и рекомбинируют, могут образовывать
длинные цепи и способны объединяться в сложные структуры. Если
их слабые связи превращаются в сильные связи с кислородом в результате какого-либо процесса, то выделяется энергия. Благодаря
этим свойствам они играют важную роль в живой материи.
76
Принципы управления химическим процессом
Основная проблема в учении о химических процессах связана
с тем, что многие химические реакции были и остаются трудноуправляемыми. Одни из них пока не удается осуществить, хотя
в принципе они выполнимы. Другие сложно остановить, например реакцию горения и взрывы. Трудности управления третьими
обусловлены тем, что в их процессе самопроизвольно создается
множество непредвиденных ответвлений с образованием побочных продуктов. Суть проблемы заключается в следующем. Каждая
химическая реакция обратима и представляет собой перераспределение химических связей. Обратимость служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. Однако на практике
равновесие смещается в ту или иную сторону в зависимости от природы реагентов и условий процесса. Реакции, в которых равновесие смещено «вправо» – в сторону образования целевых продуктов,
обычно не требуют особых средств управления. Таковы реакции
кислотно-основного взаимодействия, или нейтрализации, а также
реакции, сопровождающиеся удалением готовых продуктов в виде
газов или осадков. Однако немало реакций происходит со смещением равновесия «влево». Среди основных методов управления ими
выделяют термодинамические и кинетические (в первую очередь
каталитические).
Основными рычагами управления реакцией служат температура, давление и концентрации реагирующих веществ. Кинетические
(в первую очередь каталитические) методы дают возможность влиять и на скорость химических процессов. С их помощью удается
добиться изменения хода процессов при изменении структурнокинетических факторов: строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов (веществ, ускоряющих
химические реакции), ингибиторов (веществ, замедляющих реакции) и других добавок, способов смешения реагентов, материала и
конструкции реакторов и т. д.
К наиболее важным кинетическим методам относится ускорение химической реакции в присутствии катализаторов – катализ
(от греч. katalysis – разрушение). Катализаторы (синтетические
алюмосиликаты, металлы платиновой группы, серебро, никель и
др.) взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются
и не входят в состав продуктов. Каталитические реакции являются основой многих химико-технологических процессов (например,
производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака).
77
Большинство процессов, происходящих в живых организмах, также являются каталитическими (или ферментативными, так как
биологические катализаторы называются ферментами).
Этапы химической эволюции
Химическая эволюция – процесс необратимых изменений, приводящий к появлению новых химических соединений – продуктов,
более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами. Эти процессы стали активно и целенаправленно
исследовать в 1970-е гг. в связи с изучением проблемы постоянно
усложняющихся химических процессов до уровня, способствовавшего возникновению живого вещества на Земле. Интерес к этим
процессам восходит к давним попыткам понять, как из неорганической материи возникает органическая, а далее и жизнь.
Проблема самоорганизации химических систем
Выделяют субстратный и функциональный подходы к решению
проблем самоорганизации предбиологических химических систем
в биологические. Результатом субстратного подхода к проблеме
биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.
Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, стоящих перед человечеством: значительное
ускорение химических превращений в «мягких» условиях; осуществление новых, энергетически затрудненных процессов путем
сопряжения эндо- и экзотермических реакций; возможность экономии углеводородного сырья и переход от нефти к углю – более
распространенному сырьевому источнику. Химия имеет реальные
предпосылки для моделирования и интенсификации фотосинтеза;
фотолиза воды с получением водорода как самого высокоэффективного и экологически чистого топлива; промышленного синтеза на
основе углекислого газа широкого спектра органических продуктов, в первую очередь метанола, этанола, формальдегида и муравьиной кислоты; промышленного синтеза многочисленных полимеров. Сегодня созрели условия для создания малоотходных и
энергосберегающих промышленных производств.
В современной химии получило развитие направление, принципом которого является энергетическая активация реагента (то есть
подача энергии извне) до состояния полного разрыва исходных свя78
зей. Это химия экстремальных состояний, использующая высокие
температуры, большие давления, излучения с большой величиной
энергии кванта. Например, плазмохимия – химия на основе плазменного состоянии реагентов, элионные технологии – активация
процесса достигается за счет направленных электронных или ионных пучков.
Эффективность технологии на основе химии экспериментальных состояний очень высока. Они характеризуются энергосбережением, высокой производительностью, высокой автоматизацией
и простотой управления технологическим процессом, а также небольшим размером технологических установок. Химия как наука
тесно связана с химией как производством. Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся исследовательская
работа, заключается в исследовании генезиса (происхождения)
свойств веществ и разработки на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами.
Контрольные вопросы
1. Понятие химического элемента.
2. Химические соединения.
3. Виды химической связи.
4. Химическая реакция.
5. Химические процессы.
6. Современные разделы химической науки.
7. Специфика современных средств управления химическими
процессами.
8. Основные виды катализа.
9. Виды перспективных материалов.
Литература к главе 8
Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. М., 1983.
Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее
окружения. М., 1965.
79
Глава 9
ПОНЯТИЯ О ПОРЯДКЕ, ХАОСЕ
И ОРГАНИЗАЦИИ ПРИРОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ
Порядок и беспорядок в мире природы
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.
Это исходное понятие теории систем, означающее определенное
расположение элементов или их последовательность во времени.
Понятие хаоса
Хаос (от греч. chaos) – полный беспорядок, нарушение последовательности, стройности, неразбериха, неопределенное состояние вещества. В физику понятие хаоса ввели Больцман и Гиббс.
Современное представление наделяет хаос неопределенностями,
движением в форме несогласованных изменений (флюктуаций) любых количественных характеристик, вводит формальные понятия
связанных степеней свободы, где под степенями свободы понимается
количество независимых параметров движения, параметров состояния. В хаотическом состоянии не образуется устойчивых во времени
структур, отсутствуют согласованные направленные процессы.
Категорией противоположной хаосу, является антихаос, или
порядок. Под порядком сегодня понимают наличие в системах
устойчивых движений, существование «закономерности», «запоминаемость» определенных конфигураций. Одним из основных
признаков упорядоченного состояния является уменьшенное по
сравнению с хаотическим числом параметров, определяющих это
состояние, наличие связей в системе и согласований между параметрами. С точки зрения кодирования, порядок требует меньшего
количества символов для записи состояния, чем беспорядок.
В греческой мифологии слово «хаос» означало первобытное состояние мира, из которого образовался космос – мир, мыслимый как
упорядоченное единство. Оппозиция хаос-космос аналогична диадам
тьма-свет, земля-небо, натура-культура. В современном представлении хаос – беспорядочное, бесформенное, неопределенное состояние
вещей, так что антитезой хаосу обычно является порядок, причем
хаос – это бесструктурность, неустойчивость, стихийность; порядок –
80
это структурность, устойчивость, организованность. Отчетливо напрашивается вывод, что хаос – это плохо, а порядок – это хорошо.
По существу порядок и хаос это лишь крайние состояния одного
и того же явления – состояние эволюционирующей материи, которая беспрерывно и направлено самоорганизуется. Сама эволюция
носит сложный характер и не является ни полностью упорядоченным, ни полностью разупорядоченным процессом. В этом смысле
она как бы подчиняется законам гармонии между порядком и хаосом, смысл которых отражает понятие «золотого сечения», введенного много веков назад Птолемеем для обозначения пропорциональности правильного телосложения.
Так проявляется конструктивная роль хаоса. Е. Н. Князева
(р. 1959), раскрывая синергетическое представление о хаосе, пишет:
1) хаос необходим для выхода системы на один из аттракторов;
2) хаос лежит в основе механизма объединения простых структур в сложные путем синхронизации темпов развития;
3) хаос – механизм переключения режимов, средство борьбы со
смертью.
Порядок, закон и система
В последние десятилетия возникновение системного подхода
позволило взглянуть на окружающий мир как единое, целостное
образование, состоящее из огромного множества взаимодействующих друг с другом систем. С другой стороны, появление в 70-х гг.
XX в. такого междисциплинарного направления исследований как
синергетика, или учение о самоорганизации, дало возможность не
только раскрыть внутренние механизмы всех эволюционных процессов, которые происходят в природе, но и представить весь мир
как мир самоорганизующихся процессов. Заслуга синергетики состоит прежде всего в том, что она впервые показала, что процессы
самоорганизации могут происходить в простейших системах неорганической природы, если для этого имеются определенные условия (открытость системы и ее неравновесность, достаточное удаление от точки равновесия и другие). Чем сложнее система, тем более
высокий уровень имеют в ней процессы самоорганизации.
Идея синергетики как науки о самоорганизации
Синергетика как понятие означает совместное, согласованное,
кооперативное действие, сотрудничество, взаимодействие различ81
ных элементов системы. По словам ее создателя – немецкого физика
Г. Хакена (р. 1927), синергетика занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы – электронов, атомов, молекул, клеток, механических элементов, фотонов,
органов животных и даже людей. Это наука о самоорганизации,
о превращении хаоса в порядок. Сам Г. Хакен, работавший в лабораториях фирмы Белла над новыми источниками света, исследовал механизмы кооперативных процессов, которые происходят
в твердотельном лазере. Он выяснил, что частицы, составляющие
активную среду резонатора, под воздействием внешнего светового
поля начинают колебаться в одной фазе. В результате между ними
устанавливается когерентное, или согласованное, взаимодействие,
которое приводит в конечном итоге к их кооперативному, или коллективному, поведению.
Видный теоретик самоорганизации бельгийский физик и физико-химик И. Р. Пригожин (1917–2003) пришел к своим идеям
из анализа специфических химических реакций, которые приводят к образованию определенных пространственных структур
с течением времени при изменении концентрации реагирующих
веществ. Вместе со своими сотрудниками он построил математическую модель таких реакций, которые впервые экспериментально
были изучены нашими отечественными учеными Б. Белоусовым и
А. Жаботинским.
Объект изучения синергетики, независимо от его природы, обязан удовлетворять следующим требованиям:
– открытость – обмен веществом, энергией и информацией
с окружающей средой (реализуется так называемый процесс метаболизма);
– существенная неравновесность – при определенных значениях параметров, характеризующих систему, она переходит в критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости;
– выход из критического состояния, часто под воздействием малых флюктуаций (случайное отклонение величины от ее среднего
значения) осуществляется через скачок, то есть резко, и система
переходит в качественно новое состояние с более высоким уровнем
упорядоченности.
Скачок – это крайне нелинейный процесс, при котором малые
изменения параметров системы, обычно они называются управляющими, вызывают очень сильное изменение состояния системы, ее
переход в новое качество. Например, при снижении температуры
воды до определенного значения она скачком превращается в лед.
82
Достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр)
около критической точки перехода всего лишь на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело.
Такие критические точки, вблизи которых система ведет себя неустойчиво и осуществляет смену режима развития или движения, называют точками бифуркации. Обнаружение феномена бифуркации
ввело в физику элемент исторического подхода. Любое описание системы, претерпевшей бифуркацию, требует включения как вероятностных представлений, так и классического детерминизма (линейного и однозначного). Находясь между двумя точками бифуркации,
система развивается закономерно, тогда как вблизи точек бифуркации существенную роль играют флюктуации, которые и определяют, какой из путей дальнейшего развития выберет система.
Таким образом, теория самоорганизации – синергетика – заставляет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем, природы в целом. В этом процессе необходимо
выделять две фазы: плавную эволюцию, ход которой достаточно закономерен и жестко детерминирован, и скачки в точках бифуркации,
протекающие случайным образом и поэтому случайно определяющие
последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в новой критической точке. Если неравновесная, нелинейная система достаточно удалена от точки термодинамического
равновесия, то возникающие в ней флюктуации при взаимодействии
со средой будут усиливаться и в конце концов приведут к разрушению
прежнего порядка или структуры и к возникновению новой системы. Структуры и системы, возникающие в результате таких процессов, Пригожин назвал диссипативными, поскольку они образуются
за счет диссипации, рассеивания энергии, использованной системой,
и получения из окружающей среды новой, свежей энергии.
Другой видный исследователь в области самоорганизации немецкий ученый М. Эйген (р. 1927) убедительно доказал, что открытый Ч. Дарвином принцип отбора продолжает сохранять свое значение и на микроуровне. Поэтому он имел все основания утверждать,
что генезис жизни есть результат процесса отбора, происходящего
на молекулярном уровне. Он показал, что сложные органические
структуры с адаптационными характеристиками возникают благодаря эволюционному процессу отбора, в котором адаптация оптимизируется самими структурами.
В начале 1960-х гг. Е. Лоренц, изучая компьютерные модели
предсказания погоды, пришел к важному открытию, что уравнения, описывающие метеопроцессы, при почти тех же самых на83
чальных условиях приводят к совершенно разным результатам.
А это свидетельствовало о том, что детерминистская система уравнений обнаруживает хаотическое поведение. Отсюда был сделан
вывод, что хаос также характеризуется определенным порядком,
который, однако, имеет более сложный характер. Его можно рассматривать как вид регулярной нерегулярности.
Чтобы разобраться в современном понимании феномена хаоса
и в происшедших с этим понятием за последнее время изменениях,
необходимо вернуться в науку ХVII–XIX вв., когда доминировала
механистическая парадигма. В ней все процессы пытались объяснить путем сведения их к законам механического движения материальных частиц. Предполагалось, что эти частицы могут двигаться, не взаимодействуя друг с другом, а самое главное – их положение и скорость движения будут точно и однозначно определенными
в любой момент в прошлом, настоящем и будущем, если заданы их
начальное положение и скорость. Следовательно, в таком механическом описании время не играет никакой роли и поэтому его знак
можно менять на обратный. Вследствие этого подобные процессы
считали обратимыми. В некоторых случаях, когда речь идет о немногих и относительно изолированных друг от друга телах и системах, такой абстрактный подход может оказаться целесообразным
и полезным. Однако в большинстве реальных случаев приходится
учитывать изменение систем во времени, то есть иметь дело с необратимыми процессами.
Впервые такие процессы стали изучаться в термодинамике,
которая начала исследовать принципиально отличные от механических тепловые явления. Тепло передается от нагретого тела
к холодному, а не наоборот. С течением времени оно равномерно
распределяется в теле или окружающем пространстве. Все эти простейшие явления нельзя было описывать без учета фактора времени. На такой феноменологической основе были сформулированы
исходные начала или законы классической термодинамики, среди
которых важнейшую роль играет закон энтропии. Понятие энтропии характеризует ту часть полной энергии системы, которая не
может быть использована для производства работы. Поэтому в отличие от свободной энергии она представляет собой деградированную, отработанную энергию. Если обозначить свободную энергию
через F, энтропию – S, то полная энергия системы Ε будет равна
Ε = F + ST, где Т – абсолютная температура.
Согласно второму закону термодинамики энтропия в замкнутой
системе постоянно возрастает и в конечном счете стремится к сво84
ему максимальному значению. Следовательно, по степени возрастания энтропии можно судить об эволюции замкнутой системы,
а тем самым и о времени ее изменения. Так впервые в физическую
науку были введены понятия времени и эволюции, связанные с изменением систем. Но понятие эволюции в классической термодинамике рассматривается совсем иначе, чем в общепринятом смысле.
Это стало вполне очевидным после того, когда немецкий ученый
Л. Больцман (1844–1906) стал интерпретировать энтропию как меру беспорядка (хаоса) в системе.
Таким образом, второй закон термодинамики можно было теперь сформулировать так: замкнутая система, предоставленная
самой себе, стремится к достижению наиболее вероятного состояния, заключающегося в ее максимальной дезорганизации. Хотя
чисто формально дезорганизацию можно рассматривать как самоорганизацию с отрицательным знаком или самодезорганизацию,
тем не менее такой взгляд ничего общего не имеет с содержательной интерпретацией самоорганизации как процесса становления
качественно нового, более высокого уровня развития системы. Но
для этого необходимо было отказаться от таких далеко идущих абстракций, как изолированная система и равновесное состояние.
Между тем классическая термодинамика именно на них как
раз и опиралась и поэтому рассматривала, например, частично
открытые системы или находящиеся вблизи от точки термодинамического равновесия как вырожденные случаи изолированных
равновесных систем. Очевидно, что для объяснения процессов самоорганизации необходимо было ввести новые понятия и принципы, которые бы адекватно описывали реальные процессы самоорганизации, происходящие в природе и обществе.
Закрытая и открытая системы
Наиболее фундаментальным из таких вновь введенных понятий, как уже отмечалось выше, стало понятие открытой системы,
которая способна обмениваться с окружающей средой веществом,
энергией и информацией. Поскольку между веществом и энергией
существует взаимосвязь, можно сказать, что система в ходе своей
эволюции производит энтропию, которая, однако, не накапливается в ней, а удаляется и рассеивается в окружающей среде. Вместо
нее из среды поступает свежая энергия и именно вследствие такого непрерывного обмена энтропия системы может не возрастать, а
оставаться неизменной или даже уменьшаться. Отсюда становится
85
ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому
ее функционирование требует непрерывного поступления энергии
и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. В конечном итоге прежняя взаимосвязь между
элементами системы, то есть прежняя структура, разрушается.
Между элементами системы возникают новые когерентные, или
согласованные, отношения, которые приводят к кооперативным
процессам. Так, схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах, которые связаны с диссипацией, рассеянием энтропии в окружающую среду.
Существуют также случаи самоорганизации иного типа, в которых переход к новым структурам не связан с диссипацией.
Например, увеличивая напор воды путем открытия водопроводного крана, мы можем наблюдать переход от плавного ламинарного
течения жидкости к бурному турбулентному. Иногда наблюдаются
даже случаи, когда возникновение новых структур происходит за
счет увеличения энтропии самой системы. Так происходит, например, процесс образования кристаллов из жидкости, снежных хлопьев и биологических мембран.
Пригожин настаивает на необходимости нового диалога человека с природой. Собственно, по его мнению, этот диалог уже идет и
прежде всего в результате изучения механизмов эволюции неживых
систем в рамках новой науки – синергетики. Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создания
более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику
проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика вывела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики
для микроскопического уровня. Синергетика подтверждает вывод
теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии
и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос,
как образовались те макросистемы, в которых мы живем.
Энергия и энтропия в синергетической концепции
С точки зрения синергетики, энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную.
Вещество – это застывшая энергия. Энергия – понятие, характеризующее способность производить работу, но энергия сейчас может
пониматься не только в смысле механической работы, но и как созидатель новых структур.
86
Энтропия – это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия – творец, энтропия – мера
творчества. Она характеризует результат. Синергетика отвечает
на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где
создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со
средой (эволюция, как и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы. И, наконец, синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации.
В настоящее время концепция самоорганизации получает все
большее распространение не только в естествознании, но и в социально-гуманитарном познании. Поскольку большинство наук изучают процессы эволюции систем, они вынуждены анализировать
и механизмы их самоорганизации.
Контрольные вопросы
1. Противоречия классической картины мира и возникновение
идеи синергетики.
2. Основные понятия синергетики: система, порядок, хаос, организация.
3. Равновесные и неравновесные системы.
4. Энергия и энтропия в синергетике,
5. Самоорганизация систем.
Литература к главе 9
Князева Е. Н., Курдюмов С. П. Основания синергетики. М., 2002.
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.
Хакен Г. Синергетика. М., 1980.
87
Глава 10
ЖИВАЯ И НЕЖИВАЯ ПРИРОДА.
ОСОБЕННОСТИ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ
Единство химического состава и молекулярная хиральность
Вопрос об отличии живого и неживого до сих пор остается дискуссионным. Вместе с тем представляется возможным выделить
ряд функций, обеспечивающих сохранение жизни (обмен веществ,
размножение и развитие, раздражимость и возбудимость, движение и т. п.), а также фундаментальных свойств живых систем.
В состав живых организмов входят те же химические элементы,
что и в объекты неживой природы. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. Элементный состав неживой
природы Земли наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т. д. В живых организмах
9 8% химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород, и, кроме того, живые организмы
построены в основном из четырех крупных групп сложных органических молекул-биополимеров: нуклеиновых кислот, белков,
полисахаридов, жиров, а также других биологически активных веществ, которые редко встречаются в неживой природе. Как белки,
так и нуклеиновые кислоты обладают одним очень важным свойством – молекулярной дисимметрией (асимметрией), или молекулярной хиральностью, то есть оптической активностью, связанной
с дисимметрией строения молекул.
Дискретность
и сложная иерархическая структурная организация
Рассматривая любые явления и свойства живой и неживой природы, мы обязательно приходим к проблеме целого и части – наблюдаемые объекты являются частями целого и, в свою очередь,
состоят из каких-то других частей. На каждом уровне организации выделяют элементарную единицу и элементарные явления.
Элементарная единица – это структура, закономерное изменение
которой приводит к элементарному явлению. Элементарной единицей молекулярно-генетического уровня является ген, клеточного –
клетка, организменного – особь, популяционного – совокупность
особей одного вида – популяция. Совокупность элементарных единиц и явлений на соответствующем уровне отражает содержание
88
эволюционного процесса. Переход от одного уровня к другому происходит скачкообразно, дискретно. В этой связи иерархия биологической материи может рассматриваться в двух основных направлениях. Во-первых, это разделение живой материи по ее структурированности: молекула, органоид, клетка, ткань, орган, организм,
популяция, вид, биоценоз, биогеоценоз, биосфера, ноосфера. Вовторых, это дифференциация по типу получения энергии (царства
растений, грибов, животных, вирусов) и степени развития (от низших организмов к высшим, например, – от амеб до человека).
Обязательность жизни в сообществе (социальность)
Каждая отдельная структурная единица живой материи не может
существовать изолированно, отдельно от особей своего и других видов. Это относится к любым уровням жизни. Даже само присутствие
многочисленных особей вида приводит к его сохранению при гибели
части сообщества. Погибающая часть, например, амеб выполняет
общественную функцию отвлечения от выживающих особей, которые за счет размножения не дадут исчезнуть виду. У более высокоорганизованных животных социальность становится настолько
очевидной, что, например, часть насекомых так и называют общественными. Многим видам животных присуще разделение труда,
семейная структура, поведенческая взаимопомощь и т. д. Экологам
известны многочисленные и разнообразные формы сотрудничества
различных организмов, которые относятся к общественным отношениям: симбиоз, паразитизм и т. д. Это сотрудничество осуществляется в рамках единого глобального круговорота веществ и энергии, вне
рамок которого нет жизни на Земле. Кроме того, для успешного (сохраняющего вид) размножения всегда необходим некоторый минимум численности особей для получения достаточного разнообразия
форм для последующего эволюционного отбора.
Целостность и динамическое состояние внутренней среды
(гомеостаз)
Гомеостаз – это способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять динамическое относительное постоянство состава и свойств. Термин предложил У. Кеннон в 1929 г. для
характеристики состояний и процессов, обеспечивающих устойчивость организма. Явления гомеостаза наблюдаются на разных
уровнях биологической организации. В неживой природе нет меха89
низмов поддержания постоянства внутренней среды при активном
внешнем воздействии.
Способность к саморегуляции (авторегуляции)
В процессе саморегуляции живые организмы развиваются, изменяются и усложняются. В отличие от самоорганизации неживых неорганических систем, где молекулы просты, а механизм
реакций сложен, в самоорганизации живых систем механизмы
просты, а молекулы сложны. Существенна и роль обратной связи организмов с окружающей средой. Для создания и развития
новых структур, образования новых органов нужна положительная обратная связь, а для устойчивого состояния – отрицательная обратная связь. Русский физиолог И. П. Павлов (1849–1936)
еще до появления теории самоорганизации называл эти процессы
в живом организме саморегуляцией. Живой организм способен
и к самосохранению, устойчивости своего существования, и к развитию, восприимчивости, и к изменениям. В живом организме
на протяжении всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на новые. Например, при недостатке поступления каких-либо питательных веществ мобилизуются внутренние
ресурсы организма, а при избытке какого-либо вещества его синтез
прекращается. Например, понижение концентрации такого фермента, как АТФ – универсального аккумулятора энергии в клетке, – служит сигналом, запускающим процесс его синтеза. При
восполнении запаса АТФ синтез его прекращается. Уменьшение
количества клеток в ткани (например, в результате травм) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток; восстановление
количества клеток до нормального дает сигнал о прекращении интенсивного клеточного деления.
Необратимость процессов
Необратимость живых процессов связана с их открытостью, незамкнутостью, а также – с необратимостью времени. Это свойство
живых систем скорее всего индивидуальное (онтогенетическое) и
вряд ли относится к эволюции живой материи в целом. Другими
словами, каждый организм необратимо рождается, развивается,
стареет и погибает. Биоценозы всех уровней способны погибать и
иногда возрождаться. В длительном геопланетном масштабе эволюции Земли биосферный уровень жизни также конечен.
90
Направленность биологических процессов
на устойчивую асимметричную гармонию
Устойчивы лишь асимметричные живые объекты (что связано
с выживанием – биологическая симметрия мертва). С гармонией
развития организма, как целого, так и его частей, хорошо согласуется универсальный для современного естествознания принцип дополнительности Бора. Применительно к рассматриваемой проблеме он
отвергает возможность понимать жизнь и ее эволюцию путем вычленения и исследования отдельных частей организма: определяя более
точно одну сторону живого объекта, мы теряем определенность в понимании другой. Относительно живого организма как целостной системы В. А. Энгельгардт (1891–1984) выделял три признака, характеризующих взаимоотношения между целым и частями:
– возникновение в системе устойчивых связей между целым и
частями;
– утрата некоторых свойств частей при вхождении их в состав
целого;
– появление у возникающего целого новых свойств, определяемых свойствами основных частей и возникновением новых связей
между частями.
Антиэнтропийность
или динамическая неравновесность процессов
Еще в 1935 г. Э. Бауэр (1890–1939) предложил механизм биологической эволюции, основанный на представлении, что живые системы никогда не бывают в равновесии и выполняют за счет свободной
энергии постоянную работу против равновесия, то есть по существу
еще до появления синергетики он рассматривал живой организм как
открытую неравновесную систему. Неравновесное состояние живой
материи обеспечивается ее молекулярной структурой и обусловлено свободной энергией, присущей данной молекулярной структуре.
Образование сложных биологических структур происходит с уменьшением энтропии и увеличением свободной энергии Это физическое
требование выступает как ведущий фактор структуризации живых
систем на молекулярном уровне. Таким образом, живая природа
избегает возрастания энтропии и повышает ее в окружающей среде при общении живого организма с ней. Энтропия – «омертвленная» энергия, которую нельзя превратить в работу. Вспомним еще
раз, что по законам классической термодинамики в изолированных
91
системах теплота полностью не переходит в работу, она рассеивается, то есть процесс идет от порядка к хаосу. Для живых организмов как открытых систем с физической точки зрения акт творения
живого будет состоять в спонтанной трансформации тепловой энергии в целенаправленную механическую работу. Следовательно, динамическая неравновесность живых систем свидетельствует об их
непременной упорядоченности, так как равновесие соответствует
беспорядку, хаосу. Равновесие приводит к смерти живого организма, когда его энтропия максимальна. Энтропия выступает как мера
хаоса, неопределенности, усреднения поведения объектов, установления стабильного состояния и даже определенного единообразия.
Жизнедеятельность биологических объектов показывает, что они не
хотят подчиняться термодинамическому закону для изолированных
систем. Одним из биологических законов развития является как раз
разнообразие видов биологических организмов, что обязательно
должно приводить к уменьшению энтропии.
Статистичность процессов (индивидуализация организма)
Это свойство живых организмов связано с их индивидуальной
изменчивостью. Под изменчивостью понимают способность организмов приобретать новые признаки и свойства на основе изменения молекул ДНК. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора и соответственно предпосылки для
развития и роста живых организмов. Развитие – необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой
природы. В результате развития возникает новое качественное состояние систем. По существу этих качественных состояний ровно
столько, сколько особей организмов существует на Земле. Даже
однояйцовые близнецы имеют элементы отличий в результате индивидуализации онтогенеза. Таким образом, на Земле существует
неисчислимое множество организмов с вероятностным характером
поведения, а поэтому описание жизни носит усредненный характер. Возможно, в этой связи биологи практически первыми освоили статистические методы описания природы и теперь даже в математике статистику часто называют биометрией.
Ритмичность процессов
Ритмичность – еще одно следствие тесного взаимодействия живой и неживой природы. В природе повсюду распространены ко92
лебательные процессы: океанские приливы и отливы, смена дня и
ночи, фаз луны, чередование времен года, периодическое увеличение солнечной активности, цикличность геологических процессов.
Периодические изменения в окружающей среде оказывают существенное влияние на живую природу и на собственные ритмы живых
организмов. В живых системах ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций
с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года
и столетия). Это суточные ритмы сна и бодрствования у человека,
сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих
(суслики, ежи, медведи) и др. Ритмичность обеспечивает согласование функций организма и окружающей среды, то есть приспособление к периодически изменяющимся условиям существования.
Например, сезонные и суточные ритмы выработались как приспособление живых организмов к геофизическим циклам среды.
Многообразие и унификация
Так как эволюция живого идет через развитие его организации, то
ее можно связать с общим законом самоорганизации материи: процесс развития характеризуется непрерывным усложнением и ростом
разнообразия организационных форм материи. Это биологический
закон дивергенции, который понимают как «расходимость» видов.
На это указывал В. А. Энгельгардт, подчеркивая, что энергетика биологических систем характеризуется двумя как будто противоположными чертами – наличием элементов многообразия, с одной стороны,
и наличием элементов унификации, – с другой. Многообразие состоит
в том, что во всех биологических процессах всегда и везде происходит
преобразование энергии: превращение квантов света в химическую
энергию органических молекул при фотосинтезе, превращение химической энергии в механическую работу при сокращении мышц, выделение теплоты при дыхании, возникновение электрических потенциалов при возбуждении нервной клетки и многое другое. Унификация
заключается в том, что непосредственным источником энергии, обеспечивающим все эти процессы, во всех случаях является универсальное химическое соединение – аденозинтрифосфат (АТФ).
Самовоспроизведение
Это одно из главных свойств живой материи, так как без этого
процесса понятие «жизнь» исчезает, если не предположить воз93
можности бессмертия. Это не просто процесс, а очень часто конечная цель существования живого организма. Например, тихоокеанские лососи лишь один раз в жизни возвращаются в реки, где
откладывают икру и погибают. Их тела сносятся течением, разлагаются и к моменту появления потомства, растворенные органические вещества их родителей уже дают начало кормовым организмам для их детей. В противоположность обыденному мнению в живом мире преобладает бесполое и партеногенетическое (без самцов)
размножение. Половой процесс менее распространен и в большей
степени присущ высшим и низшим животным, а также цветковым
растениям. Очень часто половой процесс многоступенчатый, связан с множеством уникальных приспособлений (физиологические,
морфологические, поведенческие и т. д.). Например, у некоторых
червей (паоло) в новолуние отрывается часть тела, которая всплывает к поверхности моря и только там происходит их размножение.
В южных странах это период обжорства для большинства животных. Процесс воспроизводства особенно сложен у паразитов, так
он происходит в телах хозяев при многократной смене формы тела
и генетических структур. Однако в эволюционном отношении это,
возможно, самые защищенные организмы.
Наследственность
Живые организмы передают потомкам заложенную в их генах
информацию, необходимую для жизни, развития и размножения.
Ген – единица наследственности, являющаяся мельчайшей внутриклеточной структурой. Генетический материал определяет направление развития организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько меняется, искажается, что делает потомков отличными от своих родителей.
Это происходит по нескольким причинам. Первое – то, что процесс
размножения по существу заключается в воспроизводстве (редупликации) основы организма – его ДНК. В бесполом процессе ДНК
в дочерних клетках равноценно. При половом размножении новый
организм получает как отцовский, так и материнский наследственный материал. Это типичный случай комбинаторики, где в процессе
развития действовать будут лишь доминантные (более сильные, все
равно материнские или отцовские, гены) признаки. Поэтому ребенок может быть похож частью на мать, частью на отца, частью на
других предков. Главное, что процесс воспроизводства ДНК – сложнейшее сборочное производство, где возможны ошибки. Последние
94
также инициируются внешними воздействиями (химические вещества, электромагнитное поле, радиация и т.д.) и внутренними причинами (стресс, патологии организма родителей и т.д.). Существуют
также врожденные генетические аномалии.
Эволюционное развитие
Нужно отметить, что эволюционные теории также являются
лишь теоретическими моделями возникновения и прогрессивного
усложнения живого. Основываясь на современных научных данных, можно говорить о том, что 3–3,5 млрд лет тому назад появилась
качественно новая организация материи, которая обладала удивительной способностью усваивать внешнюю энергию. Возникли организационные формы, способные не только рассеивать энергию,
но и накапливать ее. Одновременно эти формы обладали невероятной способностью сохранять свой гомеостаз (внутреннее равновесие,
стабильность), высокую степень адаптации к быстро меняющимся
условиям. Прокариоты были практически бессмертны. Эта ветвь
самоорганизации оказалась тупиковой, но она обеспечила создание газовой оболочки Земли. Эукариоты, более совершенный вид
живой материи, обладали кислородным дыханием, что давало им
возможность локально снижать энтропию. При этом они превратились в смертные организмы. С момента появления эукариотов начинается быстрое совершенствование видов и стремительный рост их
разнообразия. Формируются генетический код, наследственность,
память. Сегодня идея коэволюции (кооперации, взаимодействия)
является одной из ведущих в системе проблем происхождения живого. Удивительная согласованность всех видов жизни выступает
следствием принципа коэволюции. Живые организмы не только изменяются, но и усложняются. Правда, существует большая группа
видов, в основном паразитов, которые пошли по пути упрощения
(бычий цепень практически сохранил лишь половые органы, а все
остальные функции выполняются за счет хозяина).
Раздражимость
Способность реагировать на внешнее раздражение – универсальное свойство всех видов живых существ, как растений, так и
животных. Живые организмы реагируют на окружающую среду
на основе активной целенаправленной обратной реакции, чаще
в виде рефлексов и таксисов. Живым организмам присущи различ95
ные таксисы (химический, световой, тепловой, гравитационный
и т. д.). Человек сохранил на уровне сознания лишь некоторые из
них. Мы реагируем на свет, вкус, запах, звук, прикосновения, гравитацию, тепло, иногда на магнитное поле Земли. Многие другие
факторы среды мы или не ощущаем, или оно для нас непереносимо,
например электричество.
Приспособляемость
Приспособляемость – одно из главных свойств живой материи,
отличающих их от косного вещества. В неживой природе эволюция, а значит, и приспособляемость всегда подчиняется физикохимическим законам (например, занятие определенных орбит планетами Солнечной системы). В живой природе кроме этого имеют
значение особенности ее собственной структуры. Можно сказать,
что живая природа сама является ведущим фактором приспособляемости, которая основана на отборе отдельных особей, наиболее эффективно функционирующих в данных условиях среды.
Например, если на Земле наступил стабильно теплый период, то
выживают (отбираются неживой и живой природой) организмы,
для которых данная температура наиболее эффективна. Может показаться, что и камни будут выживать (не раскалываться) по тем
же условиям. Однако живой организм еще должен добывать в этих
условиях пищу, убегать от хищников и т. д. Проблема выживания
(приспособляемости) собственно не в самой температуре, а в возможности избежать летальных вариантов в конкурентной борьбе.
В этом смысле приспособляемость может решить проблему выживания, обходя лимитирующий фактор. Например, животное, которому некомфортно в теплой среде при быстром бегстве от хищника,
может обладать более эффективной защитой (рогами, химзащитой,
покровительственной окраской и т. д.). Таким образом, приспособляемость живых организмов – свойство комплексное, а не одномерное, линейное.
Контрольные вопросы
1. Особенности живой природы.
2. Единство химического состава и структура живой природы.
3. Гомеостаз и авторегуляция живого.
4. Индивидуация и социальность живых организмов.
5. Направленность живого на гармонию.
96
6. Многообразия и унификация живой природы.
7. Самовоспроизведение и наследственность.
8. Эволюция живой природы.
9. Живой организм и окружение: раздражимость.
10. Живой организм и окружение: приспособляемость.
Литература к главе 10
Мак-Фарленд Д. Поведение животных. Психобиология, этология и эволюция. М., 1988.
Опарин А. И. Материя – жизнь – интеллект. М., 1977.
Энгельгардт В. А. Познание явлений жизни. М, 1984.
97
Глава 11
РАЗВИТИЕ ЖИВОГО НА ЗЕМЛЕ
Понятие развития
Развитие – это необратимое, направленное, закономерное изменение материи и сознания, их универсальное свойство; в результате развития возникает новое качественное состояние объекта – его
состава или структуры. Развитие – всеобщий принцип объяснения
природы, общества и познания как исторически протекающих событий.
Различают две формы развития, между которыми существует
диалектическая связь: эволюционную, связанную с постепенными
количественными изменениями объекта (эволюция), и революционную, характеризующуюся качественными изменениями в структуре объекта (революция). Выделяют прогрессивную, восходящую
линию развития (прогресс) и регрессивную, нисходящую линию
(регресс). Прогресс – направленное развитие, для которого характерен переход от низшего к высшему, от менее совершенного к более совершенному.
Развитие как бы повторяет уже пройденные ступени, но повторяет их иначе, на более высоком уровне, так сказать, по спирали,
а не по прямой линии; развитие скачкообразное, катастрофическое, революционное превращение количества в качество; внутренние импульсы к развитию, даваемые противоречием, сталкиванием различных сил и тенденций, действуют на данное тело или
в пределах данного явления; непрерывная связь всех сторон каждого явления, связь, дающая единый, закономерный мировой процесс движения, – таковы некоторые черты диалектики как более
содержательного учения о развитии (А. К. Айламазян, Е. В. Стась).
Основной особенностью, отличающей развитие от других динамических процессов, например от процесса роста, является качественное изменение во времени переменных, характеризующих
состояние развивающейся системы (для процесса роста обычно
говорят лишь о количественном изменении этих переменных).
Причем качественное изменение носит скачкообразный характер.
Существует точка зрения, что движение – более общий момент, а
развитие – частный случай движения, то есть развитие не является
атрибутом материи. Другая точка зрения настаивает на атрибутивном характере развития. Решение данного вопроса связано с тем содержанием, которое вкладывается в понятие «развитие». Обычно
98
выделяют три подхода: развитие как круговорот; развитие как необратимое качественное изменение; развитие как бесконечное движение от низшего к высшему.
Эти подходы справедливы, когда речь идет не о материи вообще,
а о каком-либо материальном образовании. Одной из фундаментальных черт современного естествознания и вместе с тем направлений его диалектизации является все более глубокое и органичное проникновение в систему наук о природе эволюционных идей,
которые неразрывно связаны с концепцией иерархии качественно
своеобразных структурных уровней материальной организации,
выступающих как ступени, этапы эволюции природных объектов.
Если всего лишь несколько десятилетий назад исследования эволюционных процессов в различных областях естествознания были довольно слабо связаны между собой, то сейчас положение изменилось радикальным образом: выявляются контуры единого (в
многообразии своих конкретных проявлений) процесса эволюции
охваченных исследованиями областей природы.
Эволюция
Термин «эволюция» имеет несколько значений, однако чаще всего он используется как синоним развития. Так, И. И. Шмальгаузен
определяет эволюцию как закономерный процесс исторического
развития организма. Иногда термин «эволюция» используют в более узком смысле, понимая ее как одну из форм развития, которая
противопоставляется революции. Эволюция и революция рассматриваются как взаимообусловленные стороны развития, выступая
против абсолютизации какой-либо из них. В любых процессах развития естественно наличие чередующихся участков: эволюционных и революционных.
Эволюция в широком смысле – представление об изменениях
в природе и в обществе, их направленности, порядке, закономерностях; определенное состояние какой-либо системы рассматривается как результат более или менее длительных изменений ее предшествовавшего состояния; в более узком смысле – представление
о медленном постепенном количественном изменении. Эволюция
в биологии – это необратимое историческое развитие живой природы. Оно определяется изменчивостью, наследственностью и естественным отбором организмов, сопровождается приспособлением
их к условиям существования, образованием видов, преобразованием биогеоценозов и биосферы в целом.
99
Изменчивость и устойчивость органической жизни
Эволюционная идея зародилась и развилась в XIX в. в качестве
оппозиции представлению о неизменности мира, но своего апогея
она достигла в нашем столетии, и ее принятие можно считать достижением XX в. В XIX в. идея неизменчивости органического мира нашла свое
яркое выражение в лице Ж. Кювье (1769–1832), который исходил
из своей теории постоянства и неизменности видов и ее двух основных принципов – принципа «корреляций органов» и принципа условий существования. Неизменность вида входила, согласно
Кювье, в организованность, упорядоченность природы. Его теорию
катастроф, или смену фаун и флор, в данной органической области
можно назвать теорией эволюции при неизменности видов, теорией нарушения гармонии природы только в результате катастрофических событий общеземного масштаба. Теория типов, теория гармонии природы и теория неизменности видов прекрасно согласовались друг с другом и составляли фундамент естествознания первой
половины XIX в.
Ч. Дарвин (1809–1882) впервые обосновал эволюцию и убедил
своих современников именно потому, что он сочетал признание реальности вида с научной теорией его изменяемости.
В XX в. идею гармонии природы сменила идея эволюции.
Принцип гармонии природы, теория типов и представление
об устойчивости вида отодвинулись в сознании людей на задний
план, а многим казались опровергнутыми. С течением времени,
однако, полное обоснование эволюционной идеи породило свою
противоположность. В науке XX в. вновь возродилась идея устойчивости. И с тем же благородным рвением, с каким человеческая
мысль разрушала теорию типов и теорию неизменности видов, она
устремилась на поиски механизмов поддержания устойчивости.
В. И. Вернадский (1863–1945) сумел раскрыть на уровне биосферы в целом взаимодействие эволюционного процесса и идеи устойчивости живой природы. В 1928 г. он писал: «В геохимическом
аспекте, входя как часть в мало изменяющуюся, колеблющуюся
около неизменного среднего состояния биосферу, жизнь, взятая
как целое, представляется устойчивой и неизменной в геологическом времени. В сложной организованности биосферы происходили
в пределах живого вещества только перегруппировки химических
элементов, а не коренные изменения их состава и количества – перегруппировки, не отражавшиеся на постоянстве и неизменности
100
геологических – в данном случае геохимических процессов, в которых эти живые вещества принимали участие. Устойчивость видовых форм в течение миллионов лет, миллионов поколений, может,
даже составляет, самую характерную черту живых форм»1.
По сложившемуся общему мнению, вершиной творчества
Вернадского является учение о биосфере и об эволюционном переходе ее под влиянием человеческого разума в новое состояние – ноосферу: «Масса живого вещества, его энергия и степень организованности в геологической истории Земли непрерывно эволюционировали,
никогда не возвращаясь в прежнее состояние. Преобразования в поверхностной оболочке планеты под влиянием деятельности человека
стали естественным этапом этой эволюции. Вся биосфера, изменившись коренным образом, должна перейти в новое качественное состояние, сферу действия человеческого разума»2.
В дальнейшем, переводя теорию Дарвина на язык кибернетики, И.
И. Шмальгаузен (1884–1963) показал, что само преобразование органических форм закономерно осуществляется в рамках относительно
стабильного механизма, лежащего на биогеоценотическом уровне
организации жизни и действующего по статистическому принципу.
Это и есть высший синтез идеи эволюции органических форм с идеей устойчивости и идеей постоянства геохимической функции жизни в биосфере. Так воедино оказались слитыми и вместе с тем поднятыми на новый современный уровень концепции Кювье, Дарвина,
Вернадского.
Практика современной научно-исследовательской деятельности
выдвигает новые задачи в понимании эволюционных процессов, поэтому формируется некий слой знаний, не имеющий статуса отдельной науки, но составляющий важный компонент культуры мышления современного ученого. Этот слой знания является как бы промежуточным между философией, диалектикой как общей теорией
развития и конкретно-научными эволюционными концепциями,
отражающими специфические закономерности эволюции живых
организмов, химических систем, земной коры, планет и звезд.
Можно, видимо, говорить о нескольких взаимосвязанных и соподчиненных понятиях эволюции в рамках естественно-научной
картины мира. Наиболее общим из них и применимым практически в пределах всей доступной исследованию области природы, не-
1
2
Вернадский В. И. Биосфера и неосфера. М., 2012.
Он же. Указ. соч.
101
живой и живой, следует считать понятие эволюции как необратимого изменения структуры природных объектов.
Информационная концепция развития
Понятие развития неживой и живой природы рассматривается
как необратимое направленное изменение структуры объектов природы, поскольку структура отражает уровень организации материи.
Изменение структуры сложной системы в процессе ее взаимодействия с окружающей средой – это проявление свойства открытости как роста возможностей выхода к новому. С другой стороны,
изменение структуры сложной системы обеспечивает расширение
жизненных условий, связанное с усложнением организации и повышением жизнедеятельности, то есть приобретением приспособлений более общего значения, позволяющих установить связи
с новыми сторонами внешней среды.
Взаимосвязь структуры и функции в живой природе
Рассматривая структуру и функцию, исследователи отдают
предпочтение первичности в изменении функции. Однако наиболее правильно рассматривать диалектическую взаимосвязь и взаимообусловленность их изменений в процессе эволюции (изменение
среды требует изменения функции; а она, в свою очередь, влияет на
изменение структуры).
Растительное и животное царство дает множество убедительных
примеров такой взаимообусловленности. Так, выход растений на
сушу ознаменовался приобретением комплекса морфофизиологических новшеств, защитных покровов, проводящей системы, дифференциацией тела на органы и т. д. Благодаря этим изменениям,
прежде всего, было достигнуто уменьшение потери воды от испарения и усиление ее движения по растению. Здесь трудно сказать,
что чему предшествовало, морфологические или физиологические
изменения. В то же время очевидно, что «заказ» на уменьшение отрицательных последствий недостатка воды повлек за собой отбор
растений на развитие защитных покровов и проводящей системы
в наземных условиях.
В данном случае речь идет о процессе самоорганизации, где можно выделить причину и следствие, указать связи их с внешней средой: внешняя среда изменяет функцию, функция изменяет структуру. По мере усложнения внутренней организации функциональные
102
возможности организмов усиливаются. Функциональные особенности изменяются несколько быстрее, чем структурные. Одним из примеров влияния функциональных преобразований на структуру растения могут служить листья и преобразование структуры черешка
изменением его функции: у листа после длительной самостоятельной жизни в укорененном состоянии перестраиваются исторически
сложившиеся функции; при этом черенок приобретает функции стебля, усиливается его проводящая и механическая активность.
Структура и функция – неотъемлемые свойства живой природы,
они связаны в онто- и филогенезе. Любой орган обладает множественностью функций. Если из множеств функций, например, корня растений (проведение веществ или их запасение, образование
придаточных почек, прикрепление, синтез и т. п.) одна окажется
главной, то строение его в филогенезе изменится сообразно новой
функции. С другой стороны, проявление любой функции растений
одного и того же вида меняется количественно, причем различия
часто наследственно обусловлены. На этой основе может происходить отбор по степени выражения данного свойства. Например,
у одних растений по такому принципу усилилась присасывающая
функция корней (паразиты), у других – опорные функции.
Именно в структуре биологически активного вещества эволюция закодировала его способность выполнять строго определенную
биологическую функцию.
Изучение динамики структур
Для изучения процесса развития необходимо знать характер изменения структур во времени, их динамические параметры. Надо
также уметь вскрывать закономерности взаимосвязи между структурой и проявляемой системой функцией.
До недавнего времени естествознание и другие науки могли обходиться без целостного, системного подхода к своим объектам изучения, без учета коллективных эффектов и исследования процессов образования устойчивых структур и самоорганизации. В настоящее время проблемы самоорганизации, изучаемые в синергетике,
приобретают актуальный характер во многих науках, начиная от
физики и кончая экологией.
Вопрос об оптимальной упорядоченности и организации особенно остро стоит при исследованиях глобальных проблем – энергетических, экологических, многих других, требующих привлечения
огромных ресурсов.
103
Философско-методологический анализ проблем глобального эволюционизма неизбежно приводит к постановке фундаментального
вопроса: существуют ли законы эволюционного процесса, представляющие собой определенную конкретизацию диалектической концепции развития и в то же время общие для всех структурных уровней природной действительности? Хотя эта проблема в настоящее
время еще далека от решения, все же есть определенные основания
допускать существование законов и закономерностей прогрессивного развития в природе, охватывающих все основные этапы – космогонический, геологический, биологический, наряду со специфическими законами и закономерностями, присущими каждому из них.
Это могут быть, во-первых, частнонаучные законы или закономерности, которые возможно экстраполировать на целостные процессы эволюции природной действительности (скажем, закон возрастания энтропии или определенные «биоаналогии», имеющие
достаточно общее значение).
Во-вторых, идея глобального эволюционизма получает поддержку со стороны общенаучных концепций. Так, начавшаяся
в последние годы разработка генетических аспектов общей теории
систем позволяет предполагать, что некоторые сформулированные
в ее рамках закономерности могут обладать весьма широкой сферой
применимости, в частности, охватывать определенные черты эволюции всей исследуемой природной действительности. Изучению
процессов эволюции неживой и живой природы, а также прогресса
общества может содействовать дальнейшая разработка концепции
самоорганизации.
Наконец, в-третьих, возможно предположить, что существуют
такие типы достаточно общих эволюционных законов и закономерностей, которые будут выявлены на основе комплексного анализа процессов развития в масштабах всей системы наук о природе.
Пока, конечно, преждевременно обсуждать вопрос, будут ли законы, сформулированные первоначально в рамках общенаучной
картины мира, включаться далее в такую форму организации теоретического знания, какой является теория (система теорий), или
в иную, до сих пор мало исследованную форму междисциплинарного и общенаучного знания – учения (примером которой может
служить учение В. И. Вернадского о биосфере), или же входить и
в состав систем теорий, и в состав учений разной степени общности.
Во всяком случае, очевидно, что потребности как теоретического,
так и мировоззренческого плана будут стимулировать дальнейшее
обоснование идеи глобального эволюционизма.
104
Информационная концепция развития систем любой природы,
в основе которой лежат категории информатики – информация,
энтропия, информационные процессы и их связь с эволюционными процессами, по-видимому, может рассматриваться как одна из
естественно-научных конкретизаций общей теории развития.
Происхождение жизни на Земле
Сущность понимания жизни уходит своими корнями в вечный
философский спор о материи и сознании (духе) и даже превосходит
его, так как жизнь есть всеединство и рождается лишь во всеединстве
первого и второго. В различные исторические периоды существовали
разнообразные трактовки жизни, абсолютизирующие те или иные
особенности живого и жизни вообще, – подходы от механистического
и виталистического до кибернетического и информационного.
Концепции происхождения жизни
В целом можно выделить шесть концепций, объясняющих происхождение жизни:
– креационизм – сотворение жизни Богом;
– концепция панспермии – внесение жизни из космоса;
– концепция стационарного состояния – идея вечности жизни;
– концепция многократного самозарождения живого из неживого;
– случайное однократное зарождение жизни;
– закономерное происхождение жизни путем биохимической
эволюции.
С точки зрения экодинамической модели развития Земли, жизнь –
это временная (в масштабах Вселенной) форма обмена веществ и энергии, сглаживающая физико-химические противоречия эволюции
внутренних, внешних и общепланетарных геосфер планеты. В этом
смысле возможно, что жизнь на других планетах существует совершенно в другом виде: жизнь при сверхвысоких температурах (плазма), аммиачная жизнь, электромагнитная и т. д. Для нас вышеприведенное определение жизни важно и приемлемо, так как позволяет
понять, какие абиотические (небиологические, физико-химические)
условия позволили появиться жизни на планете Земля. Прежде всего, отметим уникальные особенности Земли: расположение относительно Солнца, размеры, наличие сильного магнитного поля.
Ранняя Земля (начало процесса образования жизни – примерно 4,6 млрд лет назад) была относительно холодным телом с разре105
женной восстановительной атмосферой, состоящей из смеси метана, аммиака, паров воды при общем давлении не более 10 мм рт. ст.
Температура поверхности не превышала минус 50 °С, то есть литосфера была покрыта слоем льда. Поток солнечного излучения, особенно его ультрафиолетовая часть, а также космические излучения
приводили к ионизации атмосферы, и она находилась в так называемом состоянии холодной плазмы. В этом состоянии сосуществуют
ионизированные атомы, ионы и электроны, однако их энергии достаточно малы. Подобную холодную плазму мы наблюдаем в газоразрядных трубках, лампах дневного света, бактерицидных лампах.
Именно этот ионизированный газ и был основным источником энергии для начала химической эволюции органического вещества.
Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектоническую
деятельность. При этом очень важно, что масса планеты была не
слишком большой, так как энергия атомного распада природных
радиоактивных веществ могла привести к перегреву планеты или
радиоактивному загрязнению среды, не совместимому с жизнью.
Выделение газов уплотнило атмосферу, которая удерживалась
Землей, что не могло бы случиться, если бы она была слишком маленькой. Ее нижние слои перестали быть доступными для ионизирующего ультрафиолетового излучения и высокоэнергетических
космических частиц. Повысилась температура поверхности планеты и образовались первичные водоемы.
В дальнейшем термический режим за счет взаимодействия геосферных оболочек почти кругового движения Земли вокруг Солнца
и относительно равномерного излучения Солнца стабилизировался
в благоприятном диапазоне для физико-химической эволюционной
самоорганизации поверхностного вещества планеты. В частности,
это позволило воде как наиболее универсальному растворителю
существовать в жидкофазном состоянии, что обеспечивало проявление ее главных свойств. Наличие воды в двухфазном состоянии
(жидкая и парообразная) привело к тому, что разность электрических потенциалов между поверхностью Земли и облаками была такова, что молнии по энергетике превышали современные в тысячи
раз. В дополнение к этому наблюдались интенсивные электромагнитные явления, вызванные взаимодействием геосферных оболочек (в основном ядра и мантии). Все эти и некоторые другие абиотические факторы среды привели к так называемому абиогенному
синтезу. Теория происхождения первых живых существ из неживой материи была выдвинута Ф. Порлюгером, Дж. Холдейном,
Р. Бейтнером, но особенно детально она разработана советским био106
химиком академиком А. И. Опариным в его книге «Возникновение
жизни» (1936).
Теория А. И. Опарина
С повышением молекулярного веса отдельные органические вещества концентрировались у дна водоемов и на поверхности раздела других сред. В условиях повышенной концентрации процессы
синтеза могли преобладать над распадом, что привело к постоянному существованию первичных полимеров, например полипептидов
и полинуклеотидов. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и в конце концов воды океана стали «бульоном», преимущественно из макромолекул на основе углеводородных цепочек. Органические молекулы имеют большую молекулярную массу и сложную пространственную конфигурацию. Они
окружены водной оболочкой и объединяются, образуя высокомолекулярные комплексы – коацерваты, или коацерватные капли.
Например, как показали эксперименты, в процессе размораживания липиды претерпевают самосборку, образуя в водоеме стабильные микросферы диаметром от 10 до 50 мкм (коацерваты).
Крупные коацерваты обладали способностью поглощать различные,
более мелкие вещества, растворенные в водах первичного океана (протопитание). В результате этого внутреннее строение коацервата изменялось, что вело или к его распаду по достижении критической массы,
или к накоплению веществ за счет образования устойчивых структур
(например, белки линейного строения способны сворачиваться в клубок или глобулу). Это уже протоаналоги роста (усложнение структуры)
и размножения (распад на части). Академик Б. С. Соколов по этому поводу сказал, что путь, который прошел органический мир от бактерии
до нас с вами, более прост, чем путь, который связал сложные, но предбиологические молекулы с биологической эволюцией.
Следующий важный шаг предбиологической эволюции – объединение способности полинуклеотидов к самовоспроизведению
с возможностью полипептидов ускорять течение химических реакций, так как удвоение молекул ДНК эффективнее осуществляется
при участии белков, обладающих каталитической активностью.
Однако стабильность «удачных» комбинаций аминокислот в полипептидах может обеспечиваться только при сохранении информации о них в нуклеиновых кислотах. Связь нуклеиновых кислот
и белковых молекул в конце концов привела к возникновению генетического кода, то есть такой организации молекул ДНК, в ко107
торой последовательность нуклеотидов стала служить информацией для построения конкретной последовательности аминокислот
в белках.
Такая последовательность молекулярной эволюции поддерживается далеко не всеми. Дело в том, что для саморепродукции
нуклеиновых кислот – основы генетического кода – необходимы
ферментные белки, а для синтеза белков – нуклеиновые кислоты.
Первенство происхождения тех или других отражено в концепциях голобиоза и генобиоза.
Дальнейшая прогрессивная эволюция предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных процессов и
пространственном разделении различных синтетических и энергетических процессов внутри коацервата. Более прочную изоляцию
внутренней среды от внешних воздействий по сравнению с той, которую обеспечивала водная оболочка, могла осуществить лишь биологическая мембрана. Вокруг коацерватов, богатых органическими
соединениями, возникли слои липидов, отделивших коацерваты от
окружающей водной среды. В процессе эволюции липиды вошли
в состав наружной мембраны, значительно повысившей жизнеспособность и устойчивость организмов. Появление мембраны, отделяющей содержимое коацервата от окружающей среды и обладающей
способностью к избирательной проницаемости, предопределило
направление дальнейшей химической эволюции по пути развития
все более совершенных саморегулирующихся систем вплоть до возникновения первых клеток. По версии С. Н. Виноградского, уже
на первых этапах жизни «первобытная биосфера изначально была
представлена богатым функциональным разнообразием и наличием
биоценозов».
Подводя итоги, отметим, что первичные организмы, возникшие на Земле более 4 млрд лет назад, обладали следующими свойствами:
– они были гетеротрофными организмами, то есть питались готовыми органическими соединениями, накопленными на этапе
космической эволюции Земли;
– они были прокариотами – организмами, лишенными оформленного ядра;
– они были анаэробными организмами, использующими в качестве источника энергии дрожжевое брожение;
– они появились в виде первичной биосферы, состоящей из биоценозов, включающих различные виды одноклеточных организмов;
– они долгое время существовали только в водах первичного океана.
108
Альтернативные теории происхождения жизни
Далеко не все согласны с подобной моделью появления жизни
на Земле. Распространены и теории внеземного происхождения
жизни (теории панспермии, стационарного состояния). Наиболее
ярым сторонником этой идеи был В. И. Вернадский. Он отмечал
космический характер жизни, веря в ее вечность и, возможно, даже
считая ее первопричиной развития мира. Он ввел понятие «живого
вещества», которое в отличие от косного всегда оптически активно.
Именно «живое вещество» является носителем и создателем свободной энергии в таком масштабе, что она охватывает всю биосферу и определяет в основном всю ее историю. «Материя непрерывно
перемешивается: одни ее части уходят в солнца, а другие выходят
из них. Всякой капле вещества, где бы она ни находилась, неизбежно придет очередь жить»1,– писал К. Э. Циолковский (1857–1935).
Космическое явление жизни в его теории постоянно распространяется и меняется, не ограничиваясь пределами Земли.
Контрольные вопросы
1. Понятие развития в биологии.
2. Эволюционный и революционный пути развития живого.
3. Структура и функция живой материи.
4. Динамика структур живого.
5. Теории происхождения жизни.
6. Происхождение жизни по А. Опарину.
7. Свойства первых живых организмов.
8. Теория панспермии.
9. Креационистская теория эволюции.
Литература к главе 11
Воронцов Н. Н. Развитие эволюционных идей в биологии. М., 1999.
Тимофеев-Ресовский Н. В., Воронцов Н. Н., Яблоков А. В. Краткий
очерк теории эволюции. М., 1977.
1
Циолковский К. Э. Вне земли. М., 1958.
109
Глава 12
СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ГЕНЕТИКИ
Генетика (от греч. genesis – происхождение) – это наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах
управления ими. Основы современной генетики были заложены Г.
Менделем (1822–1884) – монахом-августинцем, жившим в Брюнне
(ныне Брно).
Законы Менделя
Примерно в 1856 г. Мендель начал проводить опыты с различными сортами гороха, чтобы выяснить, какие индивидуальные
признаки организма передаются по наследству. Доминирование
одного признака над другим – это обычное, но не универсальное явление. В некоторых случаях встречается неполное доминирование.
Бывают такие случаи, когда в потомстве проявляются признаки
обоих родителей. Такая ситуация называется кодоминированием.
Например, у людей с группой крови АВ одинаково выражены признаки и особенности группы как А, так и В, унаследованные ими от
обоих родителей.
В 1866 г. Мендель открыл законы дискретной наследственности,
выражающие распределение в потомстве наследственных факторов,
названных впоследствии генами. Для объяснения результатов своих
экспериментов Мендель предложил гипотезу: альтернативные признаки определяются факторами – генами, которые передаются по
наследству. Каждый фактор может находиться в одной из альтернативных форм, ответственных за то или иное проявление признака.
Эксперименты Менделя определяли наследование альтернативных
проявлений одного и того же признака. Что происходит, когда одновременно рассматривают два альтернативных признака?
Мендель сформулировал следующие законы:
1. Закон единообразия гибридов первого поколения.
2. Закон независимого расщепления гибридов второго поколения,
согласно которому гены, определяющие различные признаки, наследуются независимо друг от друга (впоследствии оказалось, что этот
закон справедлив только в отношении генов, находящихся в разных
хромосомах). Мендель заранее предусмотрел две возможности:
– признаки, наследуемые от одного родителя, передаются совместно;
– признаки передаются потомству независимо один от другого.
110
Законы наследования, открытые Менделем, лежат в основе передачи наследственных признаков всего живого (растений, животных и человека). Они позволили сформулировать хромосомную теорию наследственности, согласно которой преемственность свойств
в ряду поколений определяется преемственностью их хромосом,
находящихся в ядре клеток и заключающих в себе всю генетическую информацию.
История развития генетики
В 1909 г. В. Иогансон (1857–1927) ввел важное разграничение
между фенотипом и генотипом. Фенотип – это совокупность всех
внешних наблюдаемых нами признаков организма: морфологических, физиологических, биохимических, гистологических, анатомических, поведенческих и т. п. Генотипом называется передающаяся по наследству генетическая основа всех этих признаков (генетическая конституция особи). Генотип – это совокупность всех
генов одного организма. Генотип – это не механическая сумма генов, это система взаимодействующих генов. На протяжении жизни
организма его фенотип может изменяться, однако генотип остается
неизменным.
В 1902 г. два исследователя – У. С. Саттон (1877–1916) в США
и Т. Боверн (1862–1915) в Германии – независимо друг от друга
высказали предположение, что гены находятся в хромосомах. Эта
концепция получила название хромосомной теории наследственности. Две хромосомы, образующие одну пару, называются гомологическими, принадлежащие к разным парам – негомогенными.
По современным данным науки, хромосомы ядерного вещества
представляют собой гигантские полимерные молекулы, состоящие из нитей нуклеиновых кислот и небольшого количества белка. Каждая пара хромосом имеет определенный набор генов, контролирующих появление того или иного признака. Гены являются
носителями наследственности. Их существование, расположение
в хромосомах определяются посредством изучения распределения
признаков в потомстве от скрещивания особей с альтернативными
проявлениями этих признаков.
В 1910-х гг. Т. Х. Морган (1866–1945) создал научную школу генетиков. Работы Моргана и его школы (Г. Дж. Меллер, А. Г. Стертевант и др.) обосновали хромосомную теорию наследственности.
Установление закономерности расположения генов в хромосомах
способствовало выяснению цитологических механизмов законов
111
Менделя и разработке теоретических основ теории естественного
отбора. Изучение явлений наследственности на клеточном уровне
позволило установить взаимосвязь между менделевскими законами наследования и распределением хромосом в процессе клеточного деления и созревания половых клеток. Это был фактически
второй этап развития генетики. В 1933 г. Морган был удостоен
Нобелевской премии за эти разработки.
В 1920–1930-е гг. важную роль в развитии генетики сыграли работы Н. И. Вавилова, Н. К. Кольцова, А. С. Серебровского и других
ученых. Становление этой науки в нашей стране пережило сложный период. Долгое время генетика отвергалась официальной наукой. «Менделизм-морганизм» был провозглашен лжеучением,
последователи его преследовались. Затем наступило время, когда
генетику наконец-то признали, приняв основные положения одного из самых удивительных учений, продвигающих вперед человеческую цивилизацию.
В 1940-х – начале 1950-х гг. была выяснена химическая природа гена. Гены представляют собой участки молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты – высокополимерного природного соединения, содержащегося в ядрах клеток живых организмов.
ДНК – носитель генетической информации. Расшифровка структуры ДНК и механизма ее самоудвоения позволила установить,
что все разнообразие живого мира кодируется на нитях ДНК, посредством чего записывается информация о последовательности
аминокислот в белке. Всего известно 20 аминокислот, различные
вариации из которых и определяют все разнообразие белков в живой материи.
Одним из наиболее важных открытий было установление
в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком модели пространственной структуры ДНК – двойной спирали: молекулы ДНК имеют двухнитчатую структуру и обе параллельно идущие нити свернуты спиралью.
Это открытие было тщательно проверено, подтверждено (молекулы
ДНК ученые сумели увидеть в мощные электронные микроскопы
с увеличением в 150–200 тысяч раз в отличие от хромосом, строение которых можно рассмотреть в обычный микроскоп) и позволило объяснить многие свойства ДНК и биологические функции.
В 1962 г. за эти исследования им была присуждена Нобелевская
премия.
Генетика включает ряд отраслей, в том числе по объектам исследования: генетика микроорганизмов, генетика растений, генетика животных, генетика человека. Показав, что наследственность
112
и изменчивость основываются на преемственности и видоизменении сложных внутриклеточных структур, генетика внесла важный вклад в познание картины мира и доказательство взаимосвязи
физико-химических и биологических форм организации материи.
Генетика имеет большое значение для медицины, тесно связана
с эволюционным учением, цитологией, молекулярной биологией,
селекцией. С развитием новых методов и техники исследований
стало возможным расшифровать генетический код, выделить этапы биосинтеза белков, экспериментально изучать макроэволюцию,
создать генную инженерию.
Механизм наследственности и гены
Наследственность, с точки зрения генетики, проявляется в точной передаче специфического для каждого организма типа его развития, преемственности признаков и свойств от родителей к потомству. Клетки организма не несут в себе «готовые» признаки, а лишь
задатки их развития. Признак, обусловленный некоторым геном,
может у организма и не развиться: все зависит от условий внешней
среды.
У организмов одного вида одинаковые гены расположены
в строго определенных участках – локусах – гомологических хромосом. В половых клетках при гаплоидном наборе хромосом за
развитие определенного признака ответственен один ген. В оплодотворенной (или соматической) клетке при диплоидном наборе
имеются уже два гена, отвечающие за один признак (аллельные
гены). Их обозначают АА, ВВ и т.д. Гены взаимодействуют и оказывают влияние друг на друга, поэтому генотип определяется как
система взаимодействующих генов (аллельных и неаллельных).
Несколько генов могут действовать на один признак и обратно:
один ген может влиять на многие признаки. Так, у человека нарушение гена, ответственного за формирование соединительной
ткани, приводит к ненормальному развитию пальцев, сопровождающемуся еще и нарушением в строении хрусталика и развитием порока сердца.
За счет мутации одного гена может быть блокирован любой этап
биосинтеза белков, поскольку синтезируется иной фермент, прерывающий цепь установившихся метаболических превращений.
Выяснено, что широта фенотипического проявления гена зависит
от времени его вступления в процессе онтогенеза (индивидуального развития организма): на ранних этапах измененный ген может
113
привести к уродству и даже смерти особи, а на поздних – служить
элементарным материалом естественного отбора.
Формы генетической изменчивости
С генетических позиций разрешена принципиальная трудность
теории Дарвина: почему накапливаются признаки, если мутации
«разбавляются» в каждом последующем поколении. Объяснение
исходит из того, что гены – недробящиеся единицы наследственности (их можно назвать «квантами» наследования), поэтому распыления признаков не происходит: они лишь распределяются и могут
проявиться фенотипически в подходящих условиях в каком-то из
последующих поколений.
Естественный отбор подхватывает только полезные признаки. Иначе «штамповались» бы идентичные организмы, ведущие
к застою (стагнации) и в конечном итоге к прекращению жизни.
В 1970-е гг. появилась гипотеза «молчащих генов», то есть не
участвующих непосредственно в развитии и росте конкретного
организма. Информационные «возможности» ядерного вещества
клетки неисчерпаемы. Подсчитано, что у человека в полинуклеотидах ДНК может быть зашифрована информация для синтеза 5
млн белков. Работающая часть ДНК находится под строгим контролем естественного отбора. Но 99 % ДНК человека составляют
«молчащие» гены! Накопление мутаций в молчащих участках не
контролируется естественным отбором и может проявиться через
многие поколения. Недаром у генетиков в ходу афоризм: «Первая
птица вылетела из яйца динозавра». Молчащие участки ДНК
нельзя считать балластом: они потенциально разрешают или запрещают определенные комбинации аминокислот, что дает основания к их функциональному проявлению на уровне целостного
организма.
Мутации и их виды
Как понимает генетика изменчивость? В свете современных
научных данных можно утверждать, что основную роль в наследственной изменчивости играют мутации. Мутации, с генетической
точки зрения, – изменения структуры генов или структуры и числа
хромосом в кареотипе данной особи. Непрерывный мутационный
процесс (мутагенез) создает многие варианты генов и составляет
богатый резерв наследственного изменения. Согласно современной
114
синтетической теории эволюции, требованиям элементарного эволюционного материала удовлетворяют мутации различного рода.
По уровню возникновения различают:
1) точечные мутации, возникающие в ходе замены одного или
нескольких нуклеотидов в гене, влекущие за собой изменения
в строении белков, а значит, – и в процессе биосинтеза;
2) хромосомные мутации, связанные со структурными перестройками (утратой и удвоением участков хромосомы, присоединением оторвавшегося участка к негомологичной хромосоме и др.);
3) геномные мутации, вызванные изменением отдельных хромосом или их наборов – кариотипов.
По характеру проявления мутации могут быть:
– доминантными – вредные мутации этого типа приводят к гибели организма;
– рецессивными – большинство из них в гетерозиготном организме фенотипически не проявляется.
Мутации, появившиеся в половых клетках, «работают» в следующих поколениях. Мутации в соматических клетках влияют
на развитие данного организма, но не передаются по наследству.
Правда, при бесполом размножении соматические мутации передаются потомству, что используется, например, при выведении новых сортов плодовых культур.
Общие свойства мутационной изменчивости
Мутации отличаются внезапностью и скачкообразностью возникновения, передаются из поколения в поколение, ненаправленны, случайны и потому непредсказуемы.
В результате действия внешней среды мутировать может любой локус, изменяя как малые, так и жизненно важные признаки.
Поэтому различают мутации вредные, полезные, доминантные, рецессивные;
– одни и те же мутации могут возникать повторно, возвращая
ген в исходное состояние («обратные мутации»).
Чтобы мутации действительно служили материалом эволюции,
необходимы следующие условия:
– достаточная частота возникновения мутаций;
– четкость в проявлении мутантных признаков разного содержания;
– биологическая значимость этих признаков;
– генетические различия между природными рангами живого.
115
С генетических позиций расшифрованы также комбинативная
и модификационная изменчивость. Комбинативная изменчивость
обусловлена перегруппировкой наследственной информации при
размножении организмов. Главными механизмами здесь являются: кроссинговер (обмен при мейозе участками между гомологичными хромосомами), нерасхождение гомологичных хромосом или
хроматид при делении, а также огромное число комбинаций генов и
хромосом при оплодотворении (у человека число комбинаций генов
составляет 1023 вариантов). Половой процесс не только обеспечивает широкий набор задатков, комбинирующийся из генетической
информации обоих родителей. Он способствует широкому распространению внутри вида любого гена, имеющего приспособительное
значение. Объясняется это свойством наследования признаков, сцепленных с полом. Так, в кариотипе человека 46 хромосом, пол ребенка определяется в момент оплодотворения Y-хромосомой отца (женская гамета – XX, мужская – XY). Мальчик получает Х-хромосому
от матери, но эта хромосома содержит не только ген пола, но и другие гены. В их числе – ген, определяющий свертываемость крови
(Н-ген). Его рецессивный аллель (h) вызывает наследственную болезнь крови – гемофилию. В этой же хромосоме находятся гены, обусловливающие слепоту к зеленому и красному цвету (дальтонизм),
форму и объем зубов, синтез ряда ферментов и др. При сцеплении
с полом за счет комбинативной изменчивости может проявиться и
рецессивный ген, даже содержащийся в генотипе в единственном
числе. Это возможно при попадании его в гетерогаметный организм
(XY), где он способен проявиться фенотипически, то есть во внешних
признаках – биохимических, гистологических, анатомических и др.
Нарушение генного баланса (например, наличие трех хромосом
вместо двух из-за нерасхождения гомологичных хромосом) также
может иметь серьезные последствия. Доказано, что присутствие
у человека трех хромосом 21-й пары вызывает болезнь Дауна.
Нерасхождение половых хромосом (XXY, XXYY, XXX и др.) ведет к аномалиям в строении тела. Обратим внимание, что кариотип
(набор хромосом некоторой группы организмов) стал критерием
вида. На уровне их исследования были обнаружены виды-двойники – внешне похожие, но с разными кариотипами.
Модафикационная (фенотипическая) изменчивость обусловлена влиянием на проявления генов окружающей среды. На развитие
признака существенно влияют регуляторные системы организма,
его внутренняя среда, факторы внешней среды. Все они могут изменить фенотип – морфологические и физиологические свойства
116
особи. В широких пределах, к примеру, варьируются такие признаки, как размеры листьев, жировые запасы организма или волосяной покров тела и др.
Генетические закономерности в эволюции популяций
Их изучает популяционная генетика. Популяция в качестве
элементарной единицы эволюции должна удовлетворять определенным требованиям:
1) численность ее должна быть велика, чтобы обеспечить скрещивание особей с разными генотипами;
2) физически существовать в природе достаточно долго (много
поколений);
3) должен отсутствовать отбор по отношению к определенным генам;
4) не должно возникать новых мутаций;
5) не должна происходить миграция особей из соседних родственных популяций с иными генотипами.
Тогда из поколения в поколение при свободном скрещивании относительные частоты генов не меняются (закон Харда-Вайнберга).
В природе таких идеальных условий для популяций нет. Действует
непрерывно естественный отбор, и происходят мутации. Реально,
равновесие генов в популяции нарушается. Накапливается большое количество внешне не проявляющихся (рецессивных) наследственных изменений.
Впервые в 1926 г. генетическое разнообразие природных популяций растений и животных установил С. С. Четвериков (1880–
1959). Хромосомы с рецессивными генами при делении клеток и
в процессе размножения постепенно распространяются среди популяций. С достижением высокой концентрации мутаций становится
вероятным вариант скрещивания, при котором эти мутации проявляются фенотипически и попадают под прямой контроль естественного отбора. Таким образом, богатый резерв наследственной
изменчивости мобилизуется через естественный отбор с изменением условий существования популяций. Каждая популяция как бы
таит в своих недрах возможности для быстрого изменения в соответствии с направлением естественного отбора.
Генетика позволила конкретизировать роль эволюционных
факторов и виды естественного отбора. Согласно постулатам синтетической теории эволюции эти факторы должны удовлетворять
определенным требованиям:
1) быть поставщиками элементарного эволюционного материала;
117
2) создавать различные внутрипопуляционные барьеры, расчленяющие исходную популяцию на две или несколько ветвей;
3) вызывать адаптивные изменения – обязательное условие осуществления эволюционного процесса.
Мутационный процесс как первый фактор не способен оказывать направляющее действие на эволюцию без второго эволюционного фактора – «волн жизни». Эволюционная их роль двояка: они
приводят к изменению частот генов в популяции, что приводит
к снижению наследственной изменчивости, а также к уменьшению разнообразия генотипов, содержащихся в популяции. Тем самым изменяется направленность и интенсивность действия отбора.
Значение третьего эволюционного фактора – изоляции – состоит
в том, что она нарушает свободное скрещивание и закрепляет возникающие различия в наборах и численностях генотипов изолированных ветвей популяции. Помимо пространственно-географической изоляции действует и биологическая (или репродукционная),
насчитывающая пять форм: поведенческую; экологическую; сезонную или временную; морфологическую; генетическую. Они могут
взаимно комбинироваться, и в итоге возможна трансформация отдельных ветвей первичной популяции в самостоятельные виды.
Четвертым и главным элементарным эволюционным фактором является естественный отбор. Генетическую сущность его можно представить как «неслучайное сохранение в популяции определенных
генотипов и избирательное их участие в передаче генов следующему
поколению». Еще раз подчеркнем, естественный отбор действует не
на отдельный фенотипический признак (то есть отдельный ген), а на
сам фенотип, который сформировался в результате взаимодействия
с конкретным генотипом, имеющим определенную норму реакции.
Степень воздействия естественного отбора на популяцию называется «интенсивностью давления». Он может быть направлен на отдельные особи (индивидуальный отбор) или их группировки (групповой
отбор). В разных условиях среды действуют разные формы отбора:
– движущий, прямой отбор действует, когда под влиянием среды
возникают полезные наследственные изменения. В этом случае «давление отбора» будет направлено в определенную сторону, что приведет к постепенному изменению фенотипа, смене нормы реакции
в полезном направлении. В популяции возникают новые генотипы
с селективными свойствами, создающие новую направленность («вектор») отбора. Под контролем движущего отбора генофонд популяции
изменяется как единое целое. Движущая форма отбора играет основную эволюционную роль в развитии полезных приспособлений;
118
– в случае стабилизирующего отбора как бы охраняется от давления любой фенотипической изменчивости определенный фенотип, ставший устойчивым, оптимальным в данных условиях. Он
действует у видов, живущих в относительно постоянных условиях
долгое время. При этом сохраняются мутации, ведущие к меньшей
изменчивости данного признака, его норма реакции сужается. Под
действием стабилизирующего отбора в случае территориального
барьера на основе исходной популяции могут возникнуть видыдвойники (аллотропическое видообразование);
– роль дизруптивного отбора сводится к возникновению внутри популяции разных форм. В условиях устойчивого различия
условий внешней среды аллотропические популяции за счет дизруптивного отбора приобретают фенотипические и генотипические
различия приспособительного значения. Снижение вероятности
скрещивания между ними усиливает их расхождение вплоть до образования новых видов.
Все виды отбора в природе связаны друг с другом. Движущий отбор преобразует виды в меняющихся условиях окружающей среды.
Стабилизирующий – закрепляет полезные формы в достаточно постоянных условиях среды. Дизруптивный – формирует из первоначально однородной популяции разные виды в случае их строгой изоляции.
Контрольные вопросы
1. История генетики.
2. Отрасли генетики.
3. Химическая природа гена. ДНК.
4. Генетический механизм изменчивости.
5. Генетические мутации.
6. Виды мутаций.
7. Свойства мутационной изменчивости.
8. Механизмы мутаций.
9. Генетика и эволюция.
Литература к главе 12
Патрушев Л. И. Искусственные генетические системы. М.:
Наука, 2004.
Сингер М., Берг П. Гены и геномы. М., 1998.
Тарантул В. З. Геном человека. Энциклопедия, написанная четырьмя буквами. М.: Языки славянской культуры, 2003.
119
Глава 13
ТЕОРИИ БИО И НООСФЕРЫ, ГЕЛИОБИОЛОГИЯ
И ЭВОЛЮЦИОННАЯ ТЕОРИЯ БОЛЕЗНИ
Термин «биосфера» введен в научный оборот в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом. Он этим термином обозначал сферу обитания организмов. Однако эта концепция не сыграла заметной роли в развитии научной мысли до тех пор, пока в 1926 г. не были
опубликованы лекции русского минералога В. И. Вернадского.
Именно он стал основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое и легло в основу современного учения о биосфере. Первопричиной существования биосферы
и происходящих в ней биогеохимических процессов Вернадский
считал астрономическое положение нашей планеты и в первую
очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике. Пространственное расположение Земли определяет климат на
планете, а последний, в свою очередь, – жизненные циклы всех существующих на ней организмов. До появления работ Вернадского
роль живых организмов на Земле представлялась ученым очень
скромной. Действительно, казалось бы, какое может быть сравнение последствий их жизнедеятельности с мощью внутренних сил
планеты, вздымающих и стирающих высочайшие горы, разверзающих океанские пучины, перемещающих континенты.
Биосфера и биосферная теория В. И. Вернадского
В. И. Вернадский доказал, что как бы слаб ни был каждый организм в отдельности, все они, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологический фактор, играющий существенную роль в жизни нашей планеты. В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны и
взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую
систему (то есть подвижную, изменчивую во времени и пространстве). В современном понимании биосфера – это не среда жизни, а
глобальная система, в которой в неразрывной связи существуют,
с одной стороны, инертное вещество в твердой, жидкой и газовой
фазах, а с другой – разнообразные формы жизни и их метаболиты.
Вернадский показал, что химическое состояние наружной коры
нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами, с деятельностью которых связан планетарный процесс – миграция химических элементов в биосфере.
120
Совокупная деятельность живых организмов в биосфере проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.
Границы биосферы
Горизонтальных границ у биосферы нет, речь следует вести
только о ее вертикальных границах. Биосфера – область жизнедеятельности на Земле, охватывающая нижнюю часть атмосферы,
гидросферу и верхнюю часть литосферы. Верхняя граница, по всей
видимости, определяется губительным действием солнечной радиации. В состав биосферы включается вся гидросфера. О нижнем,
литосферном пределе биосферы законченного представления пока
нет. В большинстве работ указывается, что нижний предел на континентах составляет в среднем 2–3 км. Под океанами литосферный
предел биосферы, вероятно, распространяется на 0,5–1,0 км ниже
дна. Однако существует обоснованное предположение, что заселенным микроорганизмами может оказаться только слой донных
осадков толщиной 200–250 м. Надежно установлено, что микрофлора обитает в донных осадках толщиной от 5 см (Черное море)
до 114 м (Каспийское море). О более глубоком проникновении жизни в литосферу достоверной информации нет. Ниже литосферной
границы биосферы лежит «область былых биосфер», под которой
Вернадский понимал оболочку Земли, в геологическом прошлом
подвергшуюся воздействию жизни. Каменный уголь, нефть, известняк, мел и другие породы осадочного происхождения – свидетели существования жизни в «былых биосферах».
Вещество биосферы
По Вернадскому, вещество биосферы разнородно по своему физико-химическому составу, а именно:
– живое вещество как совокупность живых организмов;
– биогенное вещество – непрерывный биогенный поток атомов
живого вещества в косное вещество биосферы и обратно (рождаемое и перерабатываемое живыми организмами);
– косное вещество – образуемое без участия живых организмов
(атмосфера, газы и вода, выделяемые при извержениях вулканов,
горные породы и пр.);
– биокосное вещество – косное вещество, преобразованное живыми организмами (почва, кора выветривания, поверхностные воды);
– радиоактивное вещество;
121
– рассеянные атомы вещества земного и космического происхождения;
– вещество космического происхождения в форме метеоритов,
космической пыли и др.
В строении биосферы важное значение для развития живого вещества имеют следующие элементы:
– живое вещество;
– почвенный покров (педосфера);
– ландшафтно-экологические системы, включающие живые организмы и среду их обитания;
– кора выветривания – зона разрушения и преобразования горных пород;
– древняя биосфера (палеобиосфера) – комплекс горных пород,
рельефа и других ландшафтных компонентов, залегающих ниже
современной биосферы и погребенных под ее новейшими образованиями: горные породы, рудные и нерудные минералы и др.;
– многочисленные минералы верхней части земной коры и биосферы: глины, известняки, бокситы и др.;
– природные воды осадочной оболочки;
– органические и органоминеральные соединения: уголь, графит, гумусовые вещества, нефть, природные газы;
– минеральные ресурсы биосферы и земной коры, распространенные в форме свободных элементов: меди, серебра, золота, платины и т. д.
Из вышесказанного следует, что биосфера является результатом сложнейшего механизма геологического и биологического развития косного и биогенного вещества. С одной стороны, это среда
жизни, а с другой – результат жизнедеятельности.
Живое вещество – это совокупность всех живых организмов.
При всем разнообразии размеров, морфологии и физиологии живых организмов, общим для них всех условием существования является обмен веществ со средой обитания. Хотя живые организмы
составляют ничтожную часть массы наружных оболочек Земли,
суммарный эффект их геохимической деятельности с учетом фактора времени имеет важное планетарное значение. Индивидуальный
организм смертен, но жизнь в форме продолжающихся поколений
бесконечна. Поэтому постоянно существующая планетарная совокупность организмов с позиций геохимии может рассматриваться
как особая форма материи – живое вещество.
Живому веществу присуща высокая скорость протекания химических реакций по сравнению с веществом неживым, где похожие
122
процессы идут в тысячи раз медленнее. Главной чертой живого вещества является его биохимическая динамичность. Каждый организм и вся совокупность живых организмов находятся в постоянном
геохимическом взаимодействии с веществом окружающей среды.
Живое вещество в биосфере выполняет две основные функции: энергетическую и средообразующую. Чтобы биосфера могла существовать и
развиваться, ей необходима энергия, собственных источников которой
она не имеет. Она может потреблять энергию только от внешних источников. Таким главным источником для биосферы является Солнце.
Средообразующая роль живого вещества в биосфере имеет химическое
проявление и выражается в соответствующих биогеохимических функциях, которые свидетельствуют об участии живых организмов в химических процессах изменения вещественного состава биосферы. Живое
вещество выполняет следующие биогеохимические функции:
– газовая;
– концентрационная;
– окислительно-восстановительная;
– биохимическая;
– биогеохимическая, связанная с деятельностью человека.
Саморегуляция биосферы
Биосферу Земли можно рассматривать как сложную систему, обладающую способностью к саморегуляции. Вернадский говорил в этом
смысле об «организованности биосферы». Одно из наиболее характерных проявлений организованности биосферы Вернадский видел в наличии озонового слоя, находящегося за пределами биосферы и поглощающего губительные для жизни ультрафиолетовые лучи. Этот слой
есть наиболее яркое проявление саморегуляции биосферы Земли как
кибернетической системы. Состав газовой оболочки нашей планеты
полностью регулируется жизнедеятельностью живых организмов.
Другой пример способности к саморегуляции представляет собой мировой океан. Реки земли ежегодно выносят в океан около 1,5 млн т различных солей, а солевой состав океанической воды существенно не меняется. Почему? Организмы используют эти соли для построения своих
скелетов, а после их отмирания соли в связанном состоянии осаждаются
на дно. Так стабилизируется состав океанических вод. Этот механизм
действует в биосфере уже многие миллионы лет.
Таким образом, саморегуляция биосферы Земли обеспечивается
живыми организмами. Это позволяет считать биосферу централизованной саморегулирующейся системой.
123
Учение В. И. Вернадского о ноосфере
Центральной темой учения о ноосфере является единство биосферы
и человечества. Вернадский в своих работах раскрывает корни этого
единства, значение организованности биосферы в развитии человечества. Это позволяет понять место и роль исторического развития человечества в эволюции биосферы, закономерности ее перехода в ноосферу.
Одной из ключевых идей, лежащих в основе теории Вернадского о ноосфере, является то, что человек не является самодостаточным живым существом, живущим отдельно по своим законам, он сосуществует внутри
природы и является частью ее. Это единство обусловлено, прежде всего,
функциональной неразрывностью окружающей среды и человека, которую пытался показать Вернадский как биогеохимик. Человечество
само по себе есть природное явление и естественно, что влияние биосферы сказывается не только на среде жизни, но и на образе мысли.
Но не только природа оказывает влияние на человека, существует
и обратная связь. Причем она не поверхностная, отражающая физическое влияние человека на окружающую среду, она гораздо глубже.
Это доказывает тот факт, что в последнее время заметно активизировались планетарные геологические силы. «...Мы все больше и ярче
видим в действии окружающие нас геологические силы. Это совпало,
едва ли случайно, с проникновением в научное сознание убеждения о
геологическом значении Homo Sapiens, с выявлением нового состояния
биосферы – ноосферы – и является одной из форм ее выражения. Оно
связано, конечно, прежде всего с уточнением естественной научной работы и мысли в пределах биосферы, где живое вещество играет основную роль»1. Так, в последнее время резко меняется отражение живых
существ на окружающей природе. Благодаря этому процесс эволюции
переносится в область минералов. Резко меняются почвы, воды и воздух, то есть эволюция видов сама превратилась в геологический процесс, так как в процессе эволюции появилась новая геологическая сила.
Вернадский писал: «Эволюция видов переходит в эволюцию биосферы».
Исходя из взглядов ученого:
1) человек, как он наблюдается в природе, как и все живые организмы, как всякое живое вещество, есть определенная функция
биосферы, в определенном ее пространстве-времени;
2) человек во всех его проявлениях представляет собой часть
биосферы;
1
124
Вернадский В. И. Указ. соч. С. 414.
3) прорыв научной мысли подготовлен всем прошлым биосферы
и имеет эволюционные корни.
Ноосфера – это биосфера, переработанная научной мыслью, подготавливающейся всем прошлым планеты, а не кратковременное
и переходящее геологическое явление. Вернадский неоднократно
отмечал, что цивилизация «культурного человечества» – поскольку она является формой организации новой геологической силы,
создавшейся в биосфере, – не может прерваться и уничтожиться,
так как это есть большое природное явление, отвечающее исторически, вернее, геологически сложившейся организованности биосферы. Образуя ноосферу, она всеми корнями связывается с этой
земной оболочкой, чего раньше в истории человечества в скольконибудь сравнимой мере не было.
Особое место Вернадский отводит науке XX столетия. Именно
в это время наблюдается ее небывалый расцвет, своего рода взрыв
научного творчества. Наука становится вселенской, мировой наукой, охватывающей всю планету.
История всей научной мысли – суть история создания в биосфере
новой геологической силы – научной мысли, ранее отсутствующей.
И этот процесс не случаен, он закономерен как всякое природное
явление. Биосфера XX столетия превращается в ноосферу, создаваемую прежде всего ростом науки, научного понимания и основанного на ней социального труда человечества. Необходимо подчеркнуть
неразрывную связь создания ноосферы с ростом научной мысли,
являющейся первой необходимой предпосылкой этого создания.
Ноосфера может создаваться только при этом условии.
Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. Научное творчество человека – сила, изменяющая биосферу.
2. Это изменение биосферы – неизбежный процесс, сопровождающий научный рост.
3. Но это изменение биосферы – стихийный природный процесс,
происходящий независимо от человеческой воли.
4. Вхождение в биосферу нового фактора ее изменения – человеческого разума есть природный процесс перехода биосферы в ноосферу.
5. Постоянно совершенствуясь, наука может продвинуться все
дальше в изучении окружающей среды.
Возникновение геохимии и биогеохимии отвечало потребностям
целостного, синтетического рассмотрения явлений организованности
биосферы, взаимосвязей живого и косного вещества. Эти науки имеют
также первостепенное значение для исследования единства биосферы
и человечества. Тем самым геохимия и биогеохимия соединяют науки
125
о природе с науками о человеке. Центром такой интегрированной науки, по мнению Вернадского, является учение о биосфере.
В современных условиях задачей первостепенной важности является возрождение идей биосферного естествознания, продолжение научной разработки проблем биогеохимии.
Футурология учения о ноосфере
Труды Вернадского позволяют показать условия, необходимые для
становления и существования ноосферы. Перечислим эти условия:
1. Заселение человеком всей планеты.
2. Резкое преобразование средств связи и обмена между странами.
3. Усиление связей, в том числе политических, между всеми
странами Земли.
4. Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере.
5. Расширение границ биосферы и выход в космос.
6. Открытие новых источников энергии.
7. Равенство людей всех рас и религий.
8. Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней
и внутренней политики.
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.
10. Продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни.
11. Разумное преобразование первичной природы Земли с целью
сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения.
12. Исключение войн из жизни общества.
Устремленность в будущее, таким образом, – характерная черта
ноосферного учения, которое в современных условиях необходимо
развивать со всех его сторон.
Гелиобиология А. Л. Чижевского
Солнце является основным источником энергии для жизни на
Земле, и огромное количество процессов на нашей планете связано
126
с его излучением. Космические факторы, влияющие на биогеохимические процессы и на климат Земли, определяются ее пространственным расположением относительно Солнца (наклон земной
оси к плоскости орбиты Земли), расстоянием Земли от Солнца,
условиями прохождения солнечных лучей и главным образом процессами, происходящими на Солнце, которые называют в целом
солнечной активностью. Поэтому изучение и установление природы солнечно-земных связей имеет огромное значение буквально
для всех процессов, протекающих на Земле.
Поскольку было установлено, что процессы на Солнце происходят циклически, то естественно было бы ожидать их проявление
в цикличности процессов на Земле. Такие связи были отмечены
различными учеными, и проявлялись они в изменении климата,
оледенениях, сезонных изменениях растительности, вспышках
болезней и т. д. Однако, только начиная с работ основателя гелиобиологии А. Л. Чижевского (1897–1964), впервые систематически
изучавшего влияние космических факторов на земные процессы
в широком диапазоне явлений, можно говорить о новом глобальном подходе к изучению эволюции Земли как в естественно-природном, так в социально-культурном развитии. В частности, он
установил зависимость между солнечной активностью и частотой различных эпидемий на Земле. Вспышки различных болезней очень точно соответствуют изменениям в активности Солнца.
Чижевскому удалось установить, что от активности Солнца зависит частота несчастных случаев, преступлений, внезапных смертей
и падежа скота, а также целый ряд других явлений: уровень озер,
грунтовых вод, сток рек, толщина донных отложений ила, количество льда в полярных морях, повторяемость засух, ураганов, ливней, годовые температуры.
Роль космических явлений в жизненных процессах
Чижевский определял жизнь как способность живого организма пропускать сквозь себя поток космической энергии, а биосферу
считал местом трансформации космической энергии, подчеркивая
тем самым, что жизнь – в значительной степени явление более космическое, чем земное. В своей работе «Земное эхо солнечных бурь»
он писал: «Эрруптивная деятельность на Солнце и биологические
явления на Земле суть соэффекты одной общей причины – великой
электромагнитной жизни Вселенной. Эта жизнь имеет пульс, свои
периоды и ритмы. Жизнь не является результатом случайной игры
127
только земных сил. Она создана воздействием творческой динамики Космоса на инертный материал Земли. Она живет динамикой
этих сил, и каждое биение органического пульса согласовано с биением космического сердца – этой грандиозной совокупности материальных объектов Вселенной. За огромный промежуток времени
воздействия космических сил на Землю утвердились определенные
циклы явлений, правильно и периодически повторяющиеся как
в пространстве, так и во времени. На Земле всюду находим циклические процессы, являющиеся результатом воздействия космических сил. В этом бесконечном числе циклических процессов сказывается биение общемирового пульса, великая динамика природы,
различные части которой созвучно и гармонично резонируют одна
с другой»1. В этих словах ясно и красиво выражена глубинная сущность связи Космоса и нашей Земли.
Влияние Солнца на социобиологические явления
Особый интерес представляет утверждение Чижевского, что
Солнце существенно влияет не только на биологические, но и на социальные процессы на Земле. Главная его идея – это связь исторических событий с солнечной активностью. Изучив историю 80 стран
и народов за 2500 лет, Чижевский показал, что с приближением к годам максимума солнцедеятельности количество исторических событий с участием масс увеличивается и достигает своей наибольшей
величины в эти годы. По Чижевскому, более или менее длительные
исторические события, продолжающиеся в течение нескольких лет и
получающие решительное проявление в эпоху максимума солнцедеятельности, а также сопутствующая этим событиям эволюция идеологий, массовых настроений и пр., протекают по всеобщему историческому циклу, претерпевая следующие ясно обнаруживаемые этапы:
– I – период минимальной возбудимости;
– II – период нарастания возбудимости;
– III – период максимальной возбудимости;
– IV – период падения возбудимости.
Эти четыре этапа, как указывал Чижевский, стремятся быть
вполне одновременными с соответствующими им эпохами солнцедеятельности: минимумом пятен, нарастанием максимума, максимумом и убыванием максимума с переходом в минимум.
1
128
Чижевский А. Л. Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль, 1976.
Такова идея функциональной связи общественной возбудимости (войн, революций, массовых движений) с солнечной активностью. Связь эта, если она есть, может быть только статистической,
то есть не соблюдаться во всех случаях. И это понятно, потому что
на любое социальное явление влияет множество факторов. Из них
мы обычно отдаем приоритет экономическим и политическим противоречиям – социальным двигателям исторического прогресса.
Тем не менее, если эта связь хотя бы в небольшом числе случаев
имеет место, она должна исследоваться и учитываться.
Необходимость этого важна еще и потому, что она, возможно,
ведет к доказательству гипотезы об универсальности явления цикличности всех земных и космических процессов. Таким образом,
периодичность солнечной активности является одним из важнейших факторов, влияющих на жизнь на Земле. Общая картина взаимосвязей внутри Солнечной системы настолько разнообразна, что
все ее составные элементы – само Солнце, планеты, Земля, околосолнечное и межпланетное пространства – необходимо рассматривать как целостную, но существенно неравновесную систему, в которой роль неустойчивостей и слабых воздействий как управляющих параметров сильно возрастает, и они могут приводить к значительным и непредсказуемым последствиям.
Теория эволюционной медицины
Представление о болезни как о результате случайного столкновения организма с повреждающим агентом предопределило то, что
способы лечения ищут эмпирически. Правильность такого подхода, казалось бы, подтверждается успехами практической медицины: давно нет эпидемий чумы и холеры, уносивших сотни тысяч
жизней; некоторые ранее неизлечимые болезни стали излечимы;
физические и химические методы анализа открыли новые возможности диагностики и лечения; успехи трансплантологии поражают
воображение. Вроде бы все в порядке, чего тут теоретизировать?
Но многое свидетельствует о том, что медицина сейчас пребывает
в состоянии кризиса. Даже в таком древнем разделе медицины,
как лечение ран, хирургия зашла в тупик, и сегодня в практику
вводят препараты, от которых отказались много лет назад. Врачи
вновь обращаются к рецептам тысячелетней давности, пытаясь
найти средства для более эффективного лечения. Успешно конкурируют с официальной медициной знахари, экстрасенсы и колдуны. Становится очевидным, что медицина исчерпала возможности
129
эмпирического развития и не сможет избежать пути, по которому
шли другие науки. Этот путь лежит через новую теорию. В медицине – через новую теорию болезни (С. С. Фейгельман).
Проблема болезни. Болезнь как эволюционный фактор
Несмотря на множество медицинских теорий, ни одна из них не
раскрывает биологической сущности болезней, то есть не отвечает на
вопрос «зачем природа сохранила такое свойство организмов – способность болеть?». Медики-эволюционисты считают, что болезнь – это
форма приспособления организма к повреждающим факторам среды
обитания. По их мнению, в процессе эволюции в организме развиваются механизмы адаптации к вредным воздействиям. Природа постоянно испытывает их на прочность, и если они оказываются слабы, то
организм погибает. Поэтому болезни – средство отбора наиболее приспособленных и двигатель биологического прогресса. Такой подход
оказался для медицины совершенно бесплодным, ведь получается,
что лечение болезней препятствует совершенствованию вида, а врач,
помогающий больному, обрекает на страдания его потомков.
Кроме того, эта точка зрения принижает возможности эволюции. Для восприятия воздействий окружающей среды, в том числе
и патогенных, у организма есть рецепторы. В некоторых случаях
это специфические молекулы, иногда – клетки, бывает – целые
органы. В ходе эволюции виду достаточно было бы потерять, например, рецепторы для взаимодействия с микробами, и инфекционные болезни не возникали бы. Организму не пришлось бы покупать часть здоровья ценой болезней, вырабатывая иммунитет, да
и сама иммунная система была бы не нужна. Неужели природа,
сумев создать живое из неживого и из простейшего живого – человека, не додумалась до такого очевидного решения, чтобы предотвратить страдания и массовую гибель своих созданий от инфекционных болезней? По-видимому, существует только один ответ на
этот вопрос: все рецепторы, присущие данному виду, необходимы
для нормального существования, а сами болезнетворные микробы
зачем-то нужны организму.
Принято считать, что болезнь – результат нападения микробов
на макроорганизм. Что им нужно? Тепло, питательная среда. Все
это они получают. Но парадокс в том, что, победив, то есть убив хозяина, победители погибают вместе с побежденным, – так как необходимые им условия поддерживает только живой организм. Зачем
им такая победа?
130
Итак, ни болезнь – борьба организма с микробами, в которой
много «агрессоров» гибнет, ни сама победа в этой борьбе микробам
не нужны. Макроорганизмам, и это каждый знает по себе, от болезней тоже одни мучения. Так зачем же нужны болезни? Зачем
эволюция закрепила в нашем генофонде способность реагировать
на микроорганизмы, трафаретные формы некоторых болезней, характерные клинические симптомы, схемы выздоровления?
Если оставить в стороне такие эмоциональные понятия, как
страдание, борьба, победа, то придется признать, что взаимодействие с болезнетворными микробами макроорганизмам необходимо. Иначе у них уже выработалась бы толерантность (безразличие) к ним, как она выработалась в наших организмах по отношению ко многим микробам, поражающим зверей, птиц, растения.
Отрицательные результаты взаимодействия, которые мы замечаем и называем болезнью, – только поверхностная, видимая часть
явления. Главная же – потребность организма в «микробных веществах».
Согласно концепции, которая находит все больше подтверждений, некоторые клеточные органеллы, например митохондрии,
возникли в результате симбиоза микробов с клеткой и их трансформации. Так это или нет, но клетке, по-видимому, нужны вещества
микробного происхождения (речь идет не об известных всем симбионтах, например из кишечника, а о возбудителях инфекционных
болезней). Те из веществ, которые не может синтезировать сам организм, подобно незаменимым аминокислотам и витаминам, ему
приходится добывать извне, приглашая микробов пожить за свой
счет. Как он мог бы это сделать?
Стимулирующая система борьбы с болезнью
Многие процессы в организме регулируются с помощью пары противоположно действующих механизмов. Таковы возбуждение и торможение нервных процессов, симпатическое и парасимпатическое управление вегетативными функциями – можно
привести много примеров. Вероятно, кроме иммунологических
механизмов, направленных на уничтожение микробов, есть и система, стимулирующая их размножение. Когда возникает необходимость в «микробных витаминах», эта система активизируется
и поддерживает репродукцию возбудителей, а иммунная система
следит, чтобы их не стало слишком много. Баланс нарушается – начинается болезнь. По-видимому, стимулирующая система, как и
131
иммунная, специфична. Она выясняет, какого именно вещества не
хватает, и способствует размножению соответствующего микроба.
Есть факты, подтверждающие, что стимулирующая система –
реальность. У здоровых людей сыворотка крови подавляет рост
многих патогенных микробов. Однако бывают случаи, когда сыворотка не только не бактерицидна, но и способствует размножению
микрофлоры. Именно в этих случаях можно попытаться биохимически определить те факторы, с помощью которых организм «вызывает микробов на себя». Итак, согласно изложенной гипотезе,
инфекционные болезни развиваются вовсе не из-за агрессивности
микробов. Инициирует взаимодействие с ними сам макроорганизм, а заболевание – результат несовершенства или поломки систем, регулирующих отношения индивидуума с микробом.
Отсюда не только следует теоретический вывод о закономерности
болезней и их связи с необходимыми процессами жизнедеятельности,
но и открываются новые возможности для медицинской практики.
Надо бы научиться наряду с активностью иммунитета измерять активность стимулирующей системы. Тогда можно будет прогнозировать риск заболеть той или иной инфекционной болезнью. Это позволило бы защищать человека целенаправленно, делать ему прививки
не «списком», а только те, что необходимы. Скольких осложнений,
следующих за тотальной вакцинацией, можно было бы избежать!
Если гипотеза верна, сами прививки могли бы стать ненужными. Активность стимулирующей системы можно было бы снизить,
снабжая организм необходимыми «микробными витаминами»
в виде аптечных препаратов. Можно представить себе и другие обнадеживающие перспективы. Но они так и останутся перспективами, пока гипотеза не проверена независимыми исследователями.
Контрольные вопросы
1. Понятие биосферы.
2. Границы биосферы Земли.
3. Неживое и живое вещество в концепции В. И. Вернадского.
4. Регуляция и саморегуляция биосферы.
5. Ноосфера и роль человека в биосферных процессах.
6. Гелиобиология А. Чижевского.
7. Роль Солнца в явлениях жизни на Земле.
8. Гелиосоциология.
9. Принципы эволюционной медицины.
10. Болезнь как стимулирующая система.
132
Литература к главе 13
Биосфера и ноосфера. М.: Айрис-пресс, 2012.
Марков А. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы. М.: Астрель, 2010.
Моисеев Н. Н. Человек и биосфера. М., 1990.
Сорокина Т. С. История медицины. М., 1994.
Чижевский А. Л. Земное эхо солнечных бурь. М., 1976.
133
Глава 14
ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭКОЛОГИИ И БИОЭТИКИ
Воздействие человека на биосферу
С позиций самоорганизации в развитии открытых неравновесных систем выделяется плавный (эволюционный) этап, на протяжении которого не происходит серьезных качественных изменений. Но в процессе его протекания возникают и накапливаются
противоречия, в конечном счете приводящие систему в крайне неустойчивое состояние. Долго пребывать в таком состоянии система
не может. Так, появление человека в биосфере стало началом новой
эры. На ранних стадиях развития цивилизации воздействие человека на биосферу было практически незаметным. Этот период и
был началом эволюционного развития биосферы в условиях новой
эры. Но постепенно человек своей деятельностью начал видоизменять флору и фауну планеты, изменять облик ее поверхности, иначе говоря, начал перестраивать биосферу.
Интенсивность воздействия на биосферу сельскохозяйственной,
а затем и промышленной деятельности людей особенно быстро нарастала в последние две сотни лет и достигла такого уровня, когда биосфера больше не могла сохраняться в своем прежнем состоянии. Обычно
существует несколько возможных для перехода системы устойчивых
точек бифуркации, и в условиях крайней неустойчивости развиваются
флюктуации. Одна из таких флюктуации может подтолкнуть систему
на конкретный путь перехода в новое состояние. Это будет случайный,
вероятностный переход. Но после того как переход произошел, назад
возврата нет, система начинает новый эволюционный этап, определяемый стартовыми условиями совершившегося перехода.
Экологический кризис и экологическая катастрофа
Итак, биосфера и человечество как ее составная часть вступили
в кризисный период своего развития. Кризис усугубляется многими неблагоприятными факторами. Так, впервые в своей истории
человечество стало обладателем мощнейших источников энергии и
токсичности – теперь за считанные минуты может быть уничтожено все живое на Земле. Лишь по счастливой случайности осознание
безумия использования подобных источников в традиционных способах решения межгосударственных конфликтов – в войнах появилось раньше, чем дело дошло до самоуничтожения.
134
За угрозой ядерного, радиационного или токсического уничтожения биосферы вырисовывается другая, не менее страшная угроза, называемая экологической катастрофой. В ее основе – стихийная деятельность людей, сопровождающаяся загрязнением среды
обитания, нарушением теплового баланса Земли и развитием так
называемого парникового эффекта. В ближайшей перспективе назревает истощение жизненно важных для человеческой цивилизации сырьевых источников планеты. К этому добавляются демографический взрыв – очень быстрый рост численности людей с тяжелыми для биосферы последствиями, а также другие неприятности,
о которых так много пишут.
Выход из надвигающегося экологического кризиса многие видят в радикальном изменении сознания людей, их нравственности,
в отказе от взгляда на природу как объект бездушной эксплуатации ее человеком. Активность стихийной деятельности человека
во многом зависит от этических норм его поведения.
В. И. Вернадский, как и ряд других крупных ученых, был оптимистом, верившим, что любые неприятности человечество преодолеет с честью и продолжит свое исторически предопределенное
движение вперед. Но среди возможных устойчивых состояний,
в которые биосфера как система сможет перейти в процессе самоорганизации, есть и такие, которые исключают жизнь на Земле
или исключают существование на ней человеческой цивилизации.
А так как механизм перехода управляется случайными факторами,
то вероятность таких неблагоприятных для человека вариантов достаточно высока. Например, по случайным причинам или преднамеренно может произойти самоуничтожение человечества в ядерном конфликте. Или к тем же результатам приведет неспособность
справиться с экологической катастрофой. Благоприятным выходом из состояния скачка станет образование ноосферы. Является
ли в действительности переходный процесс в точке бифуркации
независящим от воли человека, чисто случайным явлением? Нет
сомнений, что понадобятся такие ограничительные меры, как снижение потребления энергии, организация более экономного ведения промышленного производства, сокращение добычи и расходования важнейших полезных ископаемых. Необходимо изменить
отношение к животному и растительному миру планеты, осознать
демографические проблемы и сделать многое другое. Успешное решение всей совокупности возникших экологических и иных переходных проблем невозможно без научного предвидения результатов любой природопреобразующей и социальной деятельности
135
людей, а также без создания налаженной системы управления и
контроля при проведении в жизнь разрабатываемых мероприятий.
Можно выделить несколько основных проблем воздействия человека на природу:
Изменение климата
Климат меняется на наших глазах. И подтверждают это природные катастрофы, все чаще обрушивающиеся на Землю. По расчетам климатологов, средняя температура планеты в конце XXI в.
поднимется на три градуса. А выводы, сделанные при исследовании Гренландского ледяного щита, говорят о возможном повторении драматических колебаний в атмосфере – от жаркого климата
пустыни до холодов великого оледенения.
Погода последнего времени, кажется, ни у кого не оставила сомнения в том, что климат нашей планеты меняется. Тревожные
сообщения о небывалых наводнениях, разрушительных циклонах
и тайфунах. По сравнению с 60-ми гг. число бурь на планете увеличилось вчетверо, скорость ветра возросла, материальный ущерб,
приносимый стихиями, по меньшей мере удесятерился. Мировой
океан, преимущественно в тропических широтах, за последние
50 лет нагрелся в верхних слоях на 0,5 градуса. Например, течение Эль-Ниньо в восточной части Тихого океана стало теплее, а поскольку размеры этого течения огромны, оно оказывает влияние на
весь климат планеты. От его нагрева падают урожаи в Австралии,
возникают наводнения в Калифорнии и страдает от горячих муссонов Юго-Восточная Азия. Ученые считают, что на 95 % потепление
Земли вызвано деятельностью человека, а не природными процессами. Основные источники парникового эффекта – углекислота и
метан – выделяются промышленностью, транспортом и сельским
хозяйством.
Парниковый эффект
В результате многогранной деятельности человека в атмосфере возрастает содержание многих газов и газообразных примесей.
Некоторые из них (в основном диоксид углерода и водяной пар)
приводят к нагреванию поверхности Земли. Диоксид углерода и
водяной пар пропускают идущий к Земле солнечный свет, нагревающий ее поверхность, и экранируют длинноволновое тепловое излучение Земли. Так возникает парниковый эффект.
136
Нагревание атмосферы может привести к ощутимому потеплению и, как следствие, к наводнению от таяния полярных ледников
и превращению плодородных почв в пустыню. Такие прогнозы чаще всего связывают с диоксидом углерода, поглощающем солнечную энергию, хотя увеличение содержания в атмосфере других
примесей – моноксида и диоксида азота, метана и других – также
являются весьма ощутимо и приводит к потеплению.
Кислотные осадки
Кислотные осадки – один из ощутимых источников загрязнения окружающей среды. Кислотные соединения – преимущественно производные оксидов серы и азота. Они образуются естественным образом во время грозы, при извержении вулканов,
в результате жизнедеятельности бактерий. Но все же основной источник оксидов серы и азота – выбрасываемые газы автомобильного транспорта, теплоэлектростанций, различных плавильных
печей и т. п.
Систематические наблюдения показывают, что в некоторых
местах выпадают осадки, приближающиеся по кислотности
к столовому уксусу. Масштабы ущерба от кислотных осадков
остаются пока предметом дискуссий, но ясно, что они огромны.
Выявляются новые формы проявления таких осадков. Если вначале оценивался вред, приносимый кислотными дождями преимущественно озерным и речным экосистемам, то в дальнейшем
стали анализироваться и учитываться и такие последствия кислотных осадков, как повреждение зданий, мостов и других сооружений. Труднее всего оценить непосредственное влияние кислотных осадков на здоровье человека. Особенно большой вред наносится озерам, вода которых не содержит щелочных соединений,
способных нейтрализовать кислотные осадки. В результате образуются растворы ионов таких металлов, как алюминий и марганец, что влечет за собой подавление роста растений и водорослей,
а в некоторых случаях и сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Кислотные осадки приводят к значительному снижению плодородия почвы. В результате окисления почвы резко
снижается урожайность культурных растений. Нейтрализация
почвы требует существенных материальных и энергетических затрат. Сравнительно высокий уровень кислотных загрязнений дают электростанции, потребляющие уголь, содержащий серу большой концентрации.
137
Сохранение озонового слоя
Атмосфера Земли содержит одно- и двухатомные молекулы
кислорода О и О2 и еще один аллотроп – озон О3. Озон – светлосиний газ с характерным запахом – образуется в атмосфере при
ультрафиолетовом облучении и грозовых разрядах. Он сконцентрирован в основном над тропосферой, в атмосфере и наблюдается
от поверхности Земли до высот 80–90 км. Воздух в стратосфере –
безоблачной, сухой, холодной области – перемешивается очень
медленно по вертикали и относительно быстро по горизонтали.
Поэтому опасные вещества, однажды попавшие в стратосферу,
остаются в ней на долгие годы и легко распространяются вокруг
Земли, и тем самым загрязнение стратосферы приобретает глобальные масштабы.
Озон выполняет весьма важную роль естественного фильтра,
поглощающего губительное для всего живого коротковолновое
ультрафиолетовое излучение Солнца. Концентрация озона сравнительно небольшая. Если собрать озоновый слой в окружающую
земной шар тонкую оболочку при нормальном атмосферном давлении, то толщина ее составит всего около 3 мм. Распределение озона
в атмосфере зависит от сезона, активности Солнца, широты места,
техногенного воздействия и т. п. Локальные распределения озона
могут отличаться на порядок.
Разрушение озона осуществляется в результате цепной реакции, в которой одна примесная молекула может разрушить много
тысяч молекул озона прежде, чем попадет в более плотные слои атмосферы и достигнет поверхности Земли вместе с осадками.
Водные ресурсы и проблемы их сохранения
Необходимые для жизнедеятельности всего живого водные ресурсы – это соленая вода океанов, морей и пресная вода озер, рек
и подземных источников. Можно выделить несколько способов сохранения водных ресурсов:
– оптимальная комбинация химической и биологической чистки сточных вод;
– применение дополнительных средств очистки сточных вод, содержащих особо стойкие вещества;
– внедрение процесса озонирования;
– окисление загрязняющих веществ при высокой температуре и
высоком давлении;
138
– высокотемпературное сжигание отходов и обработка их адсорбентами и ионообменными смолами;
– циклическое применение воды при теплоотводе от различных
механизмов и агрегатов;
– возвращение в производственный цикл ценных веществ, например металлов, вызывающих загрязнение почвы и воды;
– создание быстроразлагающихся заменителей пестицидов, широко
применяемые как средство борьбы с болезнями и вредителями растений.
Успешное решение проблемы сохранения окружающей среды
зависит не только от ученых, специально занимающихся данной
проблемой, но во многом и от всех людей, бережно относящихся
к природе, в том числе и к водным ресурсам.
Естественно-научные проблемы защиты окружающей среды
Нарушение естественного состояния окружающей среды, ведущее к деградации всего живого и представляющее угрозу здоровью
человека, – явление не новое: оно прослеживается с древнейших времен и стало заметно проявляться на самой начальной стадии урбанизации – с появлением небольших городов. Население земного шара
постоянно растет, продолжается стремительный рост городов – появляются города-гиганты – мегаполисы. Потребление различных
материальных ресурсов, товаров и энергии на душу населения непрерывно увеличивается. Рост населения, урбанизация, массовое
производство промышленной и сельскохозяйственной продукции –
все это неизбежно ведет к активному вторжению человека в окружающую среду. И в этой связи ее защита в настоящее время, как
никогда, чрезвычайно важна. Уже сейчас некоторые граждане разных стран вне зависимости от их профессиональной деятельности и
политических воззрений заявляют о готовности покупать более дорогие, но экологически чистые продукты, платить более высокие подоходные налоги ради оздоровления среды обитания.
Вне всяких сомнений защита окружающей среды должна быть
основана на естественно-научных, профессиональных знаниях, позволяющих вполне определить:
– потенциально опасные вещества, содержащиеся в воздухе, воде, почве и пище;
– причину их появления;
– способы полной или частичной защиты окружающей среды;
– степень опасности при длительном воздействии вредных веществ на живые организмы.
139
Успешное решение данной сложной задачи возможно только
с применением чувствительных приборов и современных методов
определения концентрации опасных веществ. Для выявления источников загрязнения и их анализа нужна совместная работа химиков-аналитиков, метеорологов, океанографов, вулканологов,
климатологов, биологов и гидрологов. Задача специалистов заключается не только в выявлении вредных веществ, но и в разработке
способов предотвращения их появления.
Вопрос о допустимой длительности воздействия вредных веществ
на живой организм решают врачи и другие специалисты. Они собирают информацию и готовят данные о степени риска, обусловленного наличием токсических веществ, например свинца в воздухе,
хлороформа в питьевой воде, радиоактивного стронция в молоке,
бензола в атмосфере производственных помещений и формальдегида в жилых домах и т. п. При этом важна объективная оценка риска
и издержек, связанных с наличием опасных веществ. Любое решение, в том числе и политическое, тех или иных вопросов сохранения
окружающей среды должно основываться на квалифицированной,
объективной и всесторонней естественно-научной экспертизе.
Биоэтика
Биоэтика – систематические исследования поведения человека
(не только врача) в области наук о жизни и здравоохранении в той
мере, в какой это поведение рассматривается в свете моральных
ценностей и принципов.
Биоэтика, как и медицинская этика, наука о законах, принципах и правилах регулирования профессионального поведения медицинского работника, которые в условиях новых медицинских
технологий позволяют не только использовать достижения научно-технического прогресса на благо человека, но и предупреждать
практикующего врача, ученого-медика о недопустимости нанесения вреда человеку, его потомству, окружающему нас миру, заставляя испытывать невольное «благоговение перед жизнью».
По мнению академика В. И. Покровского (1997), главным является то, что предметом биомедицинской этики являются в первую
очередь быстро накопляющиеся новые достижения, глубокое их
исследование и определение степени опасности в настоящем и будущем при их приложении к человечеству и обществу в целом.
Самая фундаментальная проблема биомедицинской этики состоит в том, что:
140
1. Охрана здоровья должна быть правом человека, а не привилегией
для ограниченного круга лиц, которые в состоянии себе это позволить.
2. Индивиды должны рассматриваться как равные в том, что
связано с их человеческими качествами – достоинством, свободой,
индивидуальностью.
Формирование биоэтики совпало не только с движением за альтернативную науку и технологию, но и осознанием опасностей рассмотрения человека как объекта наблюдения, экспериментирования и манипулирования.
Традиционно считалось, что первая цель медицины – защита
здоровья и жизни пациента. Однако нередко достижение этой цели сопровождалось отказом от свободы больного, а значит, и от его
личности. Пациент превращался в пассивного получателя блага,
в объект манипуляции.
Главная цель современной медицины – помощь благополучию
пациента, восстановление здоровья подчинено этой цели как один
из составляющих моментов. Уважение автономии индивида является одной из основополагающих ценностей цивилизованного образа жизни. Любой человек заинтересован в том, чтобы принимать
решения, влияющие на его жизнь, самостоятельно. Сегодня самоопределение индивида есть высшая ценность, и медицинское обслуживание не должно являться исключением.
Принципы биоэтики – соблюдение:
– автономии индивида,
– свободы воли и выбора,
– информированного согласия.
Под автономией понимается форма личной свободы, при которой
индивид совершает поступки в соответствии со свободно выбранным
им решением. Так, В. А. Тихоненко и Т. А. Покуленко выделяют
семь основных аспектов автономии:
– уважение личности пациента;
– оказание пациенту психологической поддержки в затруднительных ситуациях;
– предоставление ему необходимой информации (о состоянии
здоровья и предлагаемых медицинских мерах);
– возможность выбора альтернативных вариантов;
– самостоятельность пациента в принятии решений;
– возможность осуществления контроля за ходом исследования
и лечения (со стороны пациента);
– вовлеченность пациента в процесс оказания ему медицинской
помощи («терапевтическое сотрудничество»).
141
Этические (биоэтические) комитеты
Как известно, положения «Нюрнбергского кодекса» (1947), разработанного в ходе Международного Военного Трибунала, развивались и детализировались в различных международных и национальных документах и легли в основу работы комитетов по этике
исследования.
1. Так, Хельсинско-Токийской декларацией (ВМА,1975) впервые в международной практике зафиксировано понятие «специальный комитет» (1964–1975).
Раздел 1.2 Хельсинско-Токийской декларации гласит: «Программа и выполнение каждого экспериментального исследования
на человеке должны быть четко сформулированы в экспериментальном протоколе, который должен быть представлен специально
назначенному независимому комитету для рассмотрения замечаний и предложений».
Существующие в мире этические комитеты действуют на двух
уровнях:
– национальном;
– региональном (местном).
Основная практическая работа по этическому контролю медицинской науки и практики осуществляется, как правило, на региональном уровне.
Существуют две модели (типы) функционирования этических
комитетов:
– «американская» (североамериканская);
– «европейская» модель.
Для «американской» модели характерно наделение этических
комитетов «запретительными» полномочиями.
Для «европейской» модели характерно наделение этических комитетов «совещательно-консультативными» полномочиями.
2. В начале 70-х гг. ВМА законодательно зафиксировала требования к составу этического комитета.
В состав этического комитета должны входить не менее 5 человек, включая юриста и так называемого представителя общественности, что должно гарантировать оценку протокола предлагаемого
исследования, в том числе и сточки зрения его общественной значимости. Остальные члены комитета не должны являться представителями только того учреждения, на базе которого предполагается проводить исследование, и не должны быть также представителями одной профессии.
142
В основные функции этического комитета входит:
1) осуществление «диалога с общественностью, ее образование
в области проблем биоэтики»;
2) консультирование правительств и парламентов своих стран
по вопросам медицинской этики.
3. Согласно международным требованиям (Хельсинско-Токийской декларации и др.) каждый протокол научного исследования
должен пройти предварительную этическую экспертизу и получить одобрение соответствующего этического комитета. Цель данной экспертизы – обеспечить защиту прав, безопасности, благополучия и достоинства людей, участвующих в медико-биологических
исследованиях и экспериментах в качестве испытуемых.
Этические (биоэтические) комитеты являются механизмом этического контроля за проведением медико-биологических исследований на людях.
4. В России в качестве правовой базы для организации этических (биоэтических) комитетов (комиссий) выступает статья 16
«Основ законодательства Российской Федерации об охране здоровья граждан», провозглашающая «возможность» создания «комитетов (комиссий) по вопросам этики в области охраны здоровья
граждан». В этой статье констатируется, что целями создания и
деятельности данных комитетов являются «защита прав человека
и отдельных групп населения в области охраны здоровья граждан,
участие в разработке норм медицинской этики и решении вопросов, связанных с их нарушениями», а также «подготовка рекомендаций по приоритетным направлениям практической и научно-исследовательской деятельности».
Проблемы эвтаназии и трансплантации
Право на жизнь – это личное неотчуждаемое право человека. Он
может подвергать себя опасности, рисковать. Однако нигде не провозглашено о праве человека на смерть.
Эвтаназия – это удовлетворение просьбы больного об ускорении
его смерти каким-либо действиями или средствами, в том числе
прекращением искусственных мер по поддержанию жизни.
Ассистированный суицид с помощью врача (медицинского работника) – медицинский работник (врач) снабжает больного необходимыми лекарственными средствами.
Активная эвтаназия – для наступлении смерти используют какое-либо медикаментозное средство врачом.
143
Пассивная эвтаназия – медицинская помощь не оказывается.
В настоящие время законом запрещено медицинскому персоналу осуществлять эвтаназию.
В соответствии с УК РФ осуществление эвтаназии попадает под
действие части 1 ст. 105 «Убийство».
Пассивная эвтаназия может квалифицироваться как неоказание помощи больному (ст. 124 УК РФ).
Закон РФ «О трансплантации органов и (или) тканей человека» соответствует и следует основным принципам ВОЗ в области
трансплантологии. Статья 8 закона РФ посвящена обоснованию
презумпции согласия: «Изъятие органов и (или) тканей у трупа
не допускается, если учреждение здравоохранения на момент изъятия поставлено в известность о том, что при жизни данное лицо
либо его родственники или законный представитель заявили о своем несогласии на изъятие его органов и (или) тканей после смерти
для трансплантации реципиенту». По мнению авторов закона, данная форма предполагаемого согласия в настоящие время является
единственно верной при наличии напряженной социальной ситуации и невысоком уровне медицинского просвещения в России.
Медицинская (врачебная) деонтология
Это учение о принципах должного в медицинской (врачебной)
деятельности, о поведении, взаимоотношениях и действиях врача,
которые необходимы для правильной организации лечебного процесса, полного использования всех возможностей при оказании помощи больному.
Положения медицинской (врачебной) деонтологии (нормы, запреты,
критерии, оценки) предписываются врачу в императивном порядке.
Медицинская (врачебная) деонтология более емкое понятие, чем медицинская (врачебная) этика, так как она включает не только моральноэтические аспекты оказания медицинской помощи, но и действия, организацию работы, совершенствование знаний, навыков и т. д.
Медицинская (врачебная) деонтология едина для всех медицинских работников. Вместе с тем особенности профессиональной
деятельности врачей различных специальностей предполагают
различные подходы в реализации деонтологических положений.
Врачебная медицинская деонтология включает в себя следующие
разделы конкретных знаний:
– взаимоотношения врача (медицинского работника) с обществом и государством;
144
– принципы поведения, взаимоотношений и действий врача
(медицинского работника) по отношению к больному и окружающим его людям, в первую очередь к близким родственникам;
– взаимоотношения врачей между собой и с медицинскими работниками.
Модели врачевания
Существуют четыре модели врачевания.
1. Модель «технического» типа
Одно из следствий биологической революции – возникновение врачаученого. Научная традиция предписывала ученому «быть беспристрастным». Он должен был опираться на факты, избегая ценностных суждений, лишь после создания атомной бомбы и медицинских исследований
нацистов, когда за испытуемым не признавалось никаких прав (опыты,
проводимые над заключенными концентрационных лагерей), человечество осознало опасность подобной позиции. Ученый не может быть выше общечеловеческих ценностей. Врач в процессе принятия решения не
может избежать суждений морального и иного ценностного характера.
2. Модель сакрального типа
Основной моральный принцип, который выражает традицию
сакрального типа, гласит: «оказывая пациенту помощь, не нанеси
ему вреда».
Традиция врачевания предписывала приносить больному пользу и не наносить вреда. Ни один врач не может выполнить моральную обязанность приносить пользу и при этом полностью избежать
нанесения вреда.
Этот принцип существует в широком контексте и основывается
на правиле компетенции. Принцип «оказывая пациенту помощь,
не нанеси ему вреда» составляет только один элемент всего множества моральных обязанностей.
3. Модель коллегиального типа
Цель медицинской деятельности – ликвидация заболевания и
защита здоровья пациента. В модели коллегиального типа взаимное доверие играет решающую роль. Однако этнические, классовые, экономические и ценностные различия между людьми делают
принцип общих интересов, необходимых для модели коллегиального типа, труднореализуемым.
4. Модель контрактного типа
Модель социальных отношений которая более всего соответствует реальным условиям, а также принципам биоэтической исто145
рической модели, – это модель, основанная на контракте или соглашении.
Соглашение подразумевает соблюдение принципов свободы,
личного достоинства, честности, исполнение обещаний и справедливости.
Данная модель позволяет избежать отказа от морали со стороны
врача.
Парадигмы взаимоотношений врача и пациента:
– патерналистско-эзотерическая (патерналистская). Парадигма
носит авторитарный характер. Здесь единственное значимое лицо
в лечебном процессе – врач, его слово. Рекомендации, назначение –
закон для пациента. В данном взаимоотношении не соблюдается уважение к самостоятельности пациента, которая является одной из основополагающих ценностей цивилизованного образа жизни.
– медико-техническая. Здесь врач выступает в роли эксперта.
На основании клинических данных и экспериментально-лабораторных исследований он ставит окончательный диагноз, объясняя
больному все, что касается его заболевания, при этом совершенно
не затрагивает жизненных проблем больного.
– доверительная. Здесь врач выступает как доверенное лицо,
причем нередко не только одного больного, но и всей семьи. Это по
сути врач всей семьи. При доверительном взаимоотношении наилучшим образом работает модель совместного принятия врачом и
пациентом решения о лечении.
Контрольные вопросы
1. Медицинский аспект воздействия человека на биосферу.
2. Климатические изменения на Земле.
3. Негативные изменения в атмосфере.
4. Проблема сохранения водных ресурсов.
5. Пути решения экологического кризиса.
6. Определения и основные правила биоэтики.
7. История создания этических и биоэтических комитетов.
8. Этические проблемы медицины: эвтаназия, трансплантация,
клонирование человека, евгеника.
9. Проблемы медицинской деонтологии.
Литература к главе 14
Биоэтика: проблемы и перспективы. М., 1992.
146
Пути интеграции биологического и социогуманитарного знания. М., 1984.
Реймерс Н. Ф. Экология. Теории, законы, правила, принципы и
гипотезы. М., 1994.
Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. М., 1987.
Фоули Р. Еще один неповторимый вид. Экологические аспекты
эволюции человека. М., 1990.
147
Литература
Горбачев, В. В. Концепции современного естествознания: учеб.
пособие. М.: ОНИКС, 2008.
Дубнищева, Т. Я. Концепции современного естествознания:
учеб. пособие для вузов. М.: Академия, 2009.
Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания: учеб. пособие для вузов. М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1998.
Кожевников, Н. М. Концепции современного естествознания:
учеб. пособие. СПб.: Лань, 2009.
Найдыш В. М. Концепции современного естествознания. М.:
Альфа-М, ИНФРА-М., 2004.
Потев Н. И. Концепции современного естествознания. СПб.:
Питер, 1999.
Суханов, А. Д. Концепции современного естествознания: учеб.
М.: Агар, 2000.
148
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.............................................................................
Глава 1. Место естественных наук в системе научного знания...........
Опыт и познание....................................................................
Рациональное и иррациональное познание................................
Определения научного знания ................................................
Наука, религия и нравственность............................................
Фундаментальные науки........................................................
Прикладные науки................................................................
Научная культура. Гуманитарные и естественные науки ............
Единство научного знания......................................................
Современное естествознание...................................................
Глава 2. Историческое развитие естествознания до XX в..................
Рациональные знания первобытного человека. Первобытная
медицина .............................................................................
Возникновение научных знаний. Первые цивилизации,
письменность, понятие личности ............................................
Философские основы науки Древней Греции. Науки о природе....
Возникновение медицины как научной дисциплины .................
Фундаментальные парадигмы естествознания. Развитие идеи
поиска универсальных принципов, синтеза универсальных
устойчивых категорий ...........................................................
Физика и космология Нового Времени.....................................
Развитие идеи изменчивости и необратимости, поиска
противоречивых динамических начал эволюции........................
Парадигма Дарвина как генеральная линия эволюционного
естествознания .....................................................................
Глава 3. Научная революция рубежа XIX–XX вв............................
Кризис механистической картины мира...................................
От термодинамики к статистической физике: изучение
необратимых систем ..............................................................
Статистическая термодинамика..............................................
Развитие представлений о пространстве и времени ....................
Теория электромагнитного поля .............................................
Открытие рентгеновских лучей, радиоактивности и структуры
атома...................................................................................
Кризис в физике на рубеже веков.............................................
Глава 4. Особенности современного естественно-научного
познания ..................................................................................
Характеристика науки...........................................................
Наука как социальный институт.............................................
Методы естественно-научного исследования .............................
Сравнение, анализ и синтез.....................................................
Абстрагирование, идеализация и обобщение.............................
3
5
5
6
7
7
8
9
9
10
10
12
12
12
14
16
17
17
19
20
22
22
22
24
24
25
26
27
29
29
29
30
31
31
149
Аналогия.............................................................................
Моделирование.....................................................................
Научное открытие.................................................................
Творческое воображение и интуиция........................................
Доказательство.....................................................................
Эксперимент в естественных науках и эмпирические
исследования........................................................................
Глава 5. Природа и ее уровни. Понятия материи, пространства,
времени, движения....................................................................
Естественно-научные концепты ..............................................
Сила и энергия......................................................................
Классическое время и пространство.........................................
Трехмерность пространства....................................................
Связь пространства и времени.................................................
Пространство-время Минковского...........................................
Проблема тяготения и гравитации...........................................
Искривление пространства-времени.........................................
Глава 6. Физическая картина мира. Теория относительности
и квантовая теория ....................................................................
Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности
(СТО)...................................................................................
Специальная теория относительности......................................
Принципы и понятия эйнштейновской теории
гравитации...........................................................................
Гипотеза квантов...................................................................
Постоянная Планка...............................................................
Идеи и понятия квантовой механики.......................................
Теория элементарных частиц..................................................
Проблема единства физики.....................................................
Новые виды взаимодействия...................................................
Супергравитация и перспективы современной физической
картины мира.......................................................................
Глава 7. Современенные представления о вселенной.......................
Открытие разбегания галактик...............................................
Теория Большого взрыва........................................................
Возраст Вселенной ................................................................
Современное понятие вакуума.................................................
Черные дыры........................................................................
Сингулярность и «схлопывание Вселенной»..............................
Цикличность Вселенной.........................................................
Смерть Вселенной..................................................................
Реликтовое излучение............................................................
«Будущая Вселенная»............................................................
Спорные вопросы теории Большого взрыва...............................
Большая бесконечная Вселенная.............................................
150
32
33
34
34
35
35
37
37
38
39
39
39
41
43
43
46
46
46
48
52
52
53
55
55
56
57
60
60
60
60
61
62
63
64
64
64
65
65
66
Глава 8. Современные химические концепции...............................
Понятия «химический элемент» и «химическое соединение»......
Понятие «химический элемент» и «химическое соединение»
с точки зрения современности.................................................
Учение о химических процессах..............................................
Основные концептуальные системы химии ...............................
Проблема химического элемента.............................................
Проблема химического соединения .........................................
Химическая структура вещества .............................................
Образование химических структур и химическая связь..............
Физическая сущность химического процесса ............................
Принципы управления химическим процессом .........................
Этапы химической эволюции .................................................
Проблема самоорганизации химических систем........................
Глава 9. Понятия о порядке, хаосе и организации природных
явлений....................................................................................
Порядок и беспорядок в мире природы.....................................
Понятие хаоса.......................................................................
Порядок, закон и система.......................................................
Идея синергетики как науки о самоорганизации........................
Закрытая и открытая системы.................................................
Энергия и энтропия в синергетической
концепции............................................................................
Глава 10. Живая и неживая природа. Особенности живой природы....
Единство химического состава и молекулярная
хиральность..........................................................................
Дискретность и сложная иерархическая структурная
организация .........................................................................
Обязательность жизни в сообществе (социальность)...................
Целостность и динамическое состояние внутренней среды
(гомеостаз)...........................................................................
Способность к саморегуляции (авторегуляции)..........................
Необратимость процессов.......................................................
Направленность биологических процессов на устойчивую
асимметричную гармонию......................................................
Антиэнтропийность или динамическая неравновесность
процессов.............................................................................
Статистичность процессов (индивидуализация организма)..........
Ритмичность процессов..........................................................
Многообразие и унификация...................................................
Самовоспроизведение.............................................................
Наследственность..................................................................
Эволюционное развитие.........................................................
Раздражимость.....................................................................
Приспособляемость. ..............................................................
68
68
68
68
70
71
71
73
73
75
77
78
78
80
80
80
81
81
85
86
88
88
88
89
89
90
90
91
91
92
92
93
93
94
95
95
96
151
Глава 11. Развитие живого на земле..............................................
Понятие развития..................................................................
Эволюция.............................................................................
Изменчивость и устойчивость органической жизни....................
Информационная концепция развития.....................................
Взаимосвязь структуры и функции
в живой природе....................................................................
Изучение динамики структур..................................................
Происхождение жизни на Земле .............................................
Концепции происхождения жизни...........................................
Теория А. И. Опарина............................................................
Альтернативные теории происхождения жизни.........................
Глава 12. Современные концепции генетики..................................
Законы Менделя....................................................................
История развития генетики....................................................
Механизм наследственности и гены.........................................
Формы генетической изменчивости. ........................................
Мутации и их виды................................................................
Общие свойства мутационной изменчивости..............................
Генетические закономерности в эволюции
популяций............................................................................
Глава 13. Теории био и ноосферы, гелиобиология и эволюционная
теоория болезни ........................................................................
Биосфера и биосферная теория В. И. Вернадского......................
Границы биосферы................................................................
Вещество биосферы................................................................
Саморегуляция биосферы.......................................................
Учение В. И. Вернадского о ноосфере.......................................
Футурология учения о ноосфере..............................................
Гелиобиология А. Л. Чижевского............................................
Роль космических явлений в жизненных процессах...................
Влияние Солнца на социобиологические явления. .....................
Теория эволюционной медицины.............................................
Проблема болезни. Болезнь как эволюционный
фактор.................................................................................
Стимулирующая система борьбы с болезнью.............................
Глава 14. Основы современной экологии
и биоэтики................................................................................
Воздействие человека на биосферу...........................................
Экологический кризис и экологическая катастрофа...................
Изменение климата...............................................................
Парниковый эффект..............................................................
Кислотные осадки.................................................................
Сохранение озонового слоя.....................................................
Водные ресурсы и проблемы их сохранения ..............................
152
98
98
99
100
102
102
103
105
105
107
109
110
110
111
113
114
114
115
117
120
120
121
121
123
124
126
126
127
128
129
130
131
134
134
134
136
136
137
138
138
Естественно-научные проблемы защиты окружающей
среды ..................................................................................
Биоэтика..............................................................................
Этические (биоэтические) комитеты ........................................
Проблемы эвтаназии и трансплантации....................................
Медицинская (врачебная) деонтология.....................................
Модели врачевания ...............................................................
139
140
142
143
144
145
Литература............................................................................... 148
153
Учебное издание
Авторы-составители:
Лосев Константин Викторович,
Михайлов Вадим Викторович,
Яковлев Алексей Викторович
КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Учебное пособие
Редактор Г. Д, Бакастова
Компьютерная верстка В. Н. Костиной
Сдано в набор 23.06.16. Подписано к печати 05.12.16. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 9. Уч.-изд. л. 9,6.
Тираж 50 экз. Заказ № 475.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 986 Кб
Теги
losev
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа