Концепция биохимической эволюции

Вот это увлеченное внимание к молекулярным основам жизни, напоминаю в 20 век идет дифференциация науки, послужил толчком для того, чтобы прямо оттолкнувшись от этого субстратного поведения в 20 годах 20 века Опарин выдвинул 4 концепцию, объясняющую концепцию жизни, концепцию биохимической эволюции.

Хочу заметить, что в русских источниках эта концепция приписывается только Опарину, но в западной литературе там пишут про концепцию Опарина-Холдейна. До сих пор не понятно есть ли место плагиат. В 20 годы 20 века, руководствуясь субстратным подходом к жизни, Опарин создал концепцию, согласно которой жизнь есть закономерный результат всей эволюции во вселенной. То есть вся совокупность физических и химических процессов ведет к обоснованию обособленных термо-динамических молекулярных систем. Построена его гипотеза была только на основе теоретических соображений. Никаких экспериментальных попыток до 50-х годов не было.

Основные положения концепции:

• Жизнь есть закономерный результат эволюции материи

• Все необходимое для возникновения жизни уже имелось на земле. Если стоять на позициях происхождения планет солнечной системы из холодного газопылевого облака, то тогда солнцу и планетам 4,6-4,7 миллиарда лет и соответственно по мере остывания земли образовалась земная кора. Первоначально атмосфера земли была не окислительная, а восстановительная. Опарин во многом применил принцип историзма. Он предположил, что условия, в которых жизнь существует сейчас кардинально отличаются от условий, в которых жизнь возникла. Жизнь, однажды возникнув, преобразовала все физико-химические процессы например тем, что кислород, который сделал атмосферу окислительной является следствием деятельности растений. Вот этот принцип историзма и позволил Опарину дать объяснение как могла возникнуть жизнь из неживого - его концепция абиогенеза. Он требовал рассматривать жизнь как возникающие из неживого вещества.

• Представление о том, что происхождение жизни нельзя объяснить, если Вы мыслите на уровне молекулярном, а не на уровне целостности. Когда из школы вспоминают Опарина, то вспоминают понятие консерванта - от латинского сгусток, куча. Дело в том, что для перехода химической эволюции к биологической Опарин требовал говорить об особых микроструктура. Белки, которые могут возникнуть абиогенно могут окружать себя молекулами воды, так что вокруг них образуется пленка. Весь мировой океан мог выглядеть как эмульсия и разные части мирового океана могли иметь разный химический состав.

Это любопытный пример того, как методология может опережать фактуальное знание.

Лекция 8. 03.04.21. Группа 3

Завершаем предыдущую тему (сущность жизни и проблемы происхождения жизни). Сегодня мы поговорим о четвертой концепции - концепции биохимической эволюции, которая в течение 20-21 века представителями естествознания рассматривается как совокупность в разной степени обоснованных концепций, которые все вместе дают непротиворечивую концепцию того, как зарождалась жизнь на Земле. Напомню, что эту концепцию в 20-х года 20-го века, основываясь чисто на теоретических знаниях, разработал наш отечественный биохимик Опарин. Он прямо опирался на субстратный подход, то есть решал проблему происхождения жизни как проблему происхождения белкового субстрата. И он считал, что зарождение жизни на земле является закономерным результатом развития всей материи во Вселенной.

Мы остановимся на методологических и естественно-научных моментах этой концепции. Основные тезисы:

жизнь на Земле есть закономерный результат закономерного развития всей материи:

согласно Опарину все необходимые для возникновения жизни биологически значимые органические соединения могли возникнуть в абиогенных условиях. Напоминаю, концепция абиогенеза - утверждение о том, что живое возникает от неживого. Но если концепция самопроизвольного зарождения жизни от неживого к живому трактует как процесс быстрый, спонтанный под действием каких-то специальных факторов (у Аристотеля свет и тд), то концепция эволюционизма предполагает, что на основе общих физико химических закономерностей в течение огромного периода времени могла возникнуть жизнь.

Мы говорили о концепции зарождения планет в Солнечной системе, которая на сегодняшний день наиболее популярна - гипотеза академика Гайданского. Согласно этой гипотезе 4,6 миллиарда лет назад сформировались планеты Солнечной системы и вот уже в 21 веке пытаются соединить концепцию зарождения жизни и концепцию происхождения Земли, показать как в единстве физико химических процессов сформировались не только планеты, но и сформировалась наша жизнь.

Согласно самой распространенной концепции происхождения планет Солнечной системы на первых этапах формирования Земли:

• тяжелые элементы перемещались к ее центру, более легкие оставались на поверхности,

• вероятно температура изначально была высокой (от 4 до 8 тысяч градусов),

• на планете происходила вулканическая деятельность (были подвижки коры и сжатие, вызванное охлаждением),

• происходило образование неровностей на поверхности Земли.

И на фоне этих процессов легкие элементы (водород, гелий, азот) уходили из атмосферы из-за недостаточности гравитационного поля, а простые соединения (вода, аммиак, метан) удерживались. Атмосфера состояла в основном из свободного водорода и это важный момент в концепции Опарина. Он считает, что та кислородная атмосфера, которую мы сейчас наблюдаем, есть результат жизнедеятельности растений. То есть жизнь возникая, изменила условия, в которых она возникла. Соответственно восстановительный характер первичной атмосферы Земли это кардинальное отличие условий, в которых жизнь возникала. Забегая вперед скажу, что в опытах по абиогенному синтезу, которые проводились с 50-х годов 20-го века в условиях присутствия кислорода был затруднен процесс формирования органических соединений. Кислород оказывает окислительное воздействие на белки. То, что атмосфера Земли изначально не содержала кислорода, по Опарину было одним из условий формирования жизни. Опарин доказывал, что возникновение жизни произошло абиогенным путем (без участия живого) на основания физико химических процессов.

Условия для возникновения жизни по Опарину:

Также важен вопрос о соотношении части и целого (3 на слайде). Опарин применил историзм, не ставя знак равенства между атмосферой, в которой жизнь возникала и атмосферой, в которой жизнь развивается. А вот принцип соотношения части и целого он применил для того, чтобы объяснить, что происхождение жизни нельзя рассматривать только на молекулярном уровне. Жизнь необходимо анализировать с точки зрения особых целостных образований. Вспомним термин “коацервация”. Опарин полагал, руководствуясь субстратных подходом, что решающая роль при превращении неживого в живое принадлежит белкам. Для перехода от химической эволюции к биологической, тем самым, необходимо образование особой целостности, потому что никакая целесообразность не прослеживается, если мы фиксируем живое на молекулярном уровне.

Дело в том, что белки обладают способностью создавать вокруг себя оболочку из липидов и когда первичный океан стал превращаться в особого рода эмульсию, когда формировались органические соединения и вокруг них выстраивались эти липидные оболочки, стали появляться те самые целостности, которые Опарин назвал коацерватами. Соответственно, они могли обладать разными химическим составом, поскольку в разных частях первичного океана может быть разный состав химических элементов. И эти целостности могли избирательно что-то пропускать внутрь и совершать другие процессы, характерные для живого. Эти процессы поставляли сырье для первичного отбора. То есть Опарин предположил, что для отбора на стабильность не нужно провозглашать какую-то цель. Достаточно того, что все, что возникает вокруг нас обладает стабильностью в строго определенных условиях среды. Поэтому первичные организмы по Опарину могли возникать в результате вот этого первичного отбора на стабильность.

Любые концепции, которые пытаются ответить на вопрос, как возникла жизнь, делают акцент либо на случайность, либо на необходимость. Особенность биохимической концепции состоит в том, что она позволяет указать на одновременную роль и случайности, и необходимости.

Как правило, критики Опарина считают, что его концепция это апологетика случайности. Известный астрофизик Хойл употребил такое выражение: вероятность, с которой жизнь возникнет по концепции биохимической эволюции, такая же как ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, приведет к сборке боинга 747. Еще есть такое: вероятность такая, как же если посадить обезьяну за пишущую машинку, что она напишет сонет Шекспира без ошибок. Но в этих двух выражениях есть и опровержение их собственное. Например, Шекспир не изобретал правила английской грамматики, он даже не изобретал сюжеты. Также и в проблеме происхождения жизни - законы физики и химии заново не создавались (они уже существовали). Соответственно, проход отбора на стабильность это необходимость, а вот что конкретно отбиралось - это уже случайность.

Заслуга Опарина в том, что он снял противоречие, зафиксировал проблему даже при постулировании изначально независимой эволюции белков. Но даже современные ученые сталкиваются с теми же проблемами - что выбрать: представление о некой цели или абсолютизацию роли случая?

С возникновением жизни в мир пришла новая форма стабильности. Пример стабильности: известно, что клетки, из которых состоит наш организм, обновляются. Известно, что верхний слой кожи полностью обновляется каждый месяц, тромбоциты живут всего 10 дней.

Типичная гемоглобиновая молекула состоит из 570 аминокислот. Внешне это напоминает браслет, от которого отходят тонкие боковые цепочки. Эта структура для того, чтобы молекулы гемоглобина выполняли свою функцию, должна повториться в организме в неизменном виде очень много раз. Ежесекундно распадаются и синтезируются 4 на 10^14 молекул.

Этот пример из книги Ричарда Докинза “Эгоистичный ген” позволяет проиллюстрировать тезис о том, что живое отличается стабильностью при динамизме. Это тоже очень важный элемент диалектики.

Ещё один пример. В начале 20 века многие газеты и журналы в том числе российские перепечатали заметку из американской прессы “Человек стоит порядка двух долларов”. Эта была цена железа, которое можно извлечь из организма человека, который весит 70 килограмм.

Слайд:

В организме человека, весящего 70 кг, содержится

• 45,5 кг кислорода,

• 12,6 кг углерода,

• 7 кг водорода,

• 2,1 кг азота,

• 1,4 кг кальция,

• 700 грамм фосфора,

• около 700 г - всех остальных элементов вместе взятых (в основном кальция, серы, натрия, хлора, магния, железа и цинка).

Но этот теоретический подсчет вряд ли кто-то захочет проводить на практике. Да, сегодня отдельные органы и ткани человека имеют стоимость. В следующем семестре мы будем говорить о проблемах трансплантологии. В этой теме этот пример нам важен в другом аспекте. Концепция биохимической эволюции не предполагает, что все элементы сразу случайно складываются в тот или иной биологический объект. Даже если мы знаем, какие элементы слагают тело человека, происхождение жизни не следует рассматривать, как случайное соединение на молекулярном уровне.

Действительно, нет нужды придумывать направленность и предопределенность. Если группа атомов в присутствии какого-либо источника энергии образует стабильную группу, то эта стабильность имеет тенденцию сохраняться. Т.е. именно эта структура будет эволюционировать. А нечто нестабильное сразу разрушиться и не станет основанием для эволюции.

Отсюда, конечно, не следует вывод о том, что такие сложные объекты, как, например, человеческие организмы можно объяснить только на основании физико-химических свойств. Напоминаю, что свойства целостности фиксируют особенности, не сводимые к свойствам элементов (этому будет посвящена наша следующая тема; это системный подход).

Альтернативные концепции делают акцент скорее на психологических особенностях, затрудняющих восприятие сложного взаимодействия между случайностью и необходимостью.

Напомню, что концепция Опарина возникла как сугубо теоретическая конструкция, а опыты по абиогенному синтезу жизни начались только в 20-х годах 20 века.

Перед вами иллюстрация самого известного опыта середины 20 века (1953) американских ученых под руководством Стенли Миллера, который в лабораторных условиях смоделировал первичную землю и наблюдал естественный синтез органических кислот (в т.ч. таким аминокислот, как глицин, аланин, аспарагиновая кислота), являющихся материалами для создания белковых молекул. Конечно, в этом опыте из реактивной среды не синтезируется живой объект. Но идея того, что, в принципе, можно доказать возможность абиогенного синтеза органических соединений, была доказана в опытах.

Слайд,

• С 1957 года регулярно проводятся международные симпозиумы по проблеме происхождения жизни, издаются специальные журналы по эволюционной биохимии и проблеме происхождения жизни.

• В 1970 году образовалось Международное общество по изучению происхождения жизни.

• В 1977 году учреждена Международная золотая медаль им. А.И. Опарина за важнейшие работы в области происхождения жизни.

Соответственно, после этих опытов начались исследования по изучению моделей предбиологических структур, сопоставление моделей с микроископаемыми старше 3 млрд лет в глубоких осадочных породах. На слайде вы видите, как развивалось исследование этой проблемы.

Гипотеза Опарина завоевала большое признание, но оставила нерешенным целый ряд проблем, связанных с переходом от сложных органических соединений к простым живым организмам. В западных источников эта концепция называется “гипотезой Опарина-Холдейна”. Английский биохимик и генетик Джон Холдейн в 1929 году выдвинул “генетическую теорию о происхождении живого”. До сих пор историки науки спорят имел ли место плагиат.

Слайд:

Общность взглядов:

• утверждение о том, что все необходимые для возникновения жизни, биологически значимые органические соединения могут образовываться в абиогенных условиях;

• представление об использовании в предбиологических эволюционных процессах энергии не окисления, а брожения.

Различие:

• у Холдейна «живыми или полуживыми объектами» назывались большие молекулы, способные к созданию своих копий, а у Опарина - целостные системы (коацерваты). Основное содержание концепции Опарина - пути становления и эволюции обмена, а Холдейна - эволюция генетического механизма.

Опарин подходил к решению проблемы происхождения жизни в рамках субстратного подхода скорее как биохимик: если мы объясним происхождение белка, то мы объясним происхождение жизни.

Холдейн рассуждал скорее как генетик: главное функциональное отличие живого - это функция самовоспроизведения. Для него решить проблему происхождения жизни - это найти механизм эволюции генетического аппарата.

Действительно, известно, что белки и нуклеиновые кислоты выполняют в живом строго определенные функции. И, казалось бы, путь решающих экспериментов в 20 веке ясен: в опытах типа опыта Миллера получили белки (они там легче синтезируются), нужно получить отдельные нуклеиновые кислоты и посмотреть, как они собираются вместе в единый целостный организм. И вот здесь возник вопрос: что из составляющих древнее? Ряд исследователей (в первую очередь генетики) считают, что без передачи информации в виде инструкции, записанной в генах, не может быть никакой жизни, потому что не могут быть синтезированы белки.

Слайд:

Молекулярные основы жизни

Структура ДНК

Давайте вспомним, как устроена жизнь на молекулярном уровне с точки зрения механизма наследственности. Вы видите двойную спираль ДНК, отдельные звенья каждой цепи ДНК (нуклеотиды). ДНК образуется тогда, когда каждому нуклеотиду одной цепи соответствует строго определенный нуклеотид другой цепи. Аденин всегда связывается с тимином, гуанин - с цитозином. По такому принципу строится ДНК любого организма.

ДНК определяет структуру всех белков, из которых строится организм. Эта универсальность генетического кода очень важна. Каждой из двадцати аминокислот соответствует вполне определенная последовательность трех нуклеотидов цепи. В этом смысле всё живое на Земле едино.

Слайд:

Загадки генетического кода…

НАПОЛЕОНКОСИЛТРАВУПОЛЯКИПЕЛИСОЛОВЬЯМИ

• Каким образом возник универсальный генетический код?

• Почему были выбраны такие правила кодирования и почему они сохранились на протяжении трех миллионов лет?

• Сколько еще альтернативных кодов существует?

• Почему в каноническом коде аминокислот 20 – не больше и не меньше?

• Почему одни из аминокислот кодируются 6 кодонами, а другие - одним или двумя?

• Появятся ли в ходе эволюции канонического кода другие аминокислоты?

И вот в этом вопрос: как возник генетический код с уникальными свойствами?

Посмотрите на список вопросов, на которые сегодня пытаются ответить ученые. Дело в том, что уникальность кода связана с тем, что в нем нет четко обозначенных границ. Т.е. границы можно установить произвольно, как в тексте наверху (выделено капслоком на слайде).

Для живого слова код и кодирование имеют буквальный смысл. Потому что если сравнивать нуклеотидную последовательность с предложением, в котором содержится информация о кодируемых белках, то словами служат кодоны (т.е. вот эти тройки нуклеотидов), каждый из которых кодируют одну аминокислоту из 20 возможных или сигнал стоп. Вот когда происходит транскрипция гена, на нем, как на матрице, синтезируются сначала РНК-версия транскрипции. РНК состоит из тех же нуклеотидов, что и ДНК. Т.е. клеточная трансляция сначала считывает эту РНК, последовательно переводя информацию с языка нуклеотидов на язык аминокислот.

Это было установлено ещё в 60-е годы 20 века. Генетическое послание можно прочесть только, переведя его на другой язык, используя одну систему знаков и другую систему знаков, устанавливая соответствие между ними.

Так вот, генетический код одинаков во всем биологическом мире, но как возник такой код, в котором возможно установить такие правила кодирования, которые будут связаны не только с точностью воспроизведения информации, но и с вариантами.

Посмотрите на этот слайд. Стандартные генетический код присущ всем живым организм, но на сегодняшний день известны варианты. Принцип кодирования не меняется. Но вот, например, на слайде вы видите гриб кандида, у которого один из кодонов считывается не как лицин, а кодируется серин. Или аналогичный пример с митохондриями пекарских дрожжей. Для чего существуют такие уклоняющиеся варианты?

Т.е. по мере открытий генетиков становится ясно, что генетический код - не застывшая конструкция. Это блестящая работа природы по минимизации случайностей. Потому что любая кодирующая система должна противостоять ошибкам.

Слайд:

Загадки генетического кода…

Снег совсем сошел.

Анег аоаем аошел.

Знег зовзем зошел.

Стратегия генетического кодирования строится таким образом, чтобы последствия ошибок были минимальны. Кодоны с двумя одинаковыми нуклеотидами предпочтительно кодируют аминокислоты с идентичным свойством к воде (способностью к растворению или стремлением избегать водного окружения).

Посмотрите на три предложения. Во втором и третьем предложении присутствуют разного рода ошибки. Если мы заменим какую-нибудь согласную на гласную, например, “с” на “а”, то смысл фразы понять труднее, чем если заменим согласную на согласную.

Стратегия кодирования должна строиться примерно так же. В системах кодирования происходят ошибки. Например, на уровне генов происходят мутации. Иногда бывают ошибки при синтезе белков, когда с матричной РНК связывается транспортная РНК, нагруженная не той аминокислотой. И если ошибка незначительная, например, совпадают две из трех позиций, то интересно, что происходит формирование аминокислоты с близкими к нужной аминокислоте исходными свойствами с точки зрения взаимодействия с водой. Это в итоге не сильно отражается на строении белков.

У сторонников минимизации последствий ошибок, как движущей силы эволюции есть оппоненты. Например, сегодня разрабатывается биоинформатика, в рамках которой ученые пытаются рассчитать: а вообще могли ли в ходе эволюции возникнуть какие-то другие варианты генетических кодов? Является известный нам генетический код оптимальным?

И вот оказывается, что всего 3% из потенциально возможных искусственно сконструированных генетических кодов будут обладать теми же сопоставимыми с естественно возникшим генетическим кодом свойствами, т.е. поддерживать стабильность и минимизировать ошибки. Отсюда делается вывод, что канонический генетический код - не просто продукт эволюции, но и орудие ускорения эволюции. Эти свойства естественно возникшего генетического кода дают больше, чем просто контроль за нарушениями. В организме, у которого минимум ошибок, конечно, возникают преимущества. Масштабные изменения снижают приспособленность.

Известно, что только нуклеиновые кислоты оказались способны в точности хранить наследственную информацию и с помощью белков-ферментов запускать механизм считывания информации для синтезирования белков. Поэтому, конечно, возвращая к концепции Опарина-Холдейна, логично связывать с этим генетическим аппаратом ключевые свойства живого.

Слайд:

Современное понимание сущности живого

Процесс воспроизводства состоит из 3 частей:

• репликация – самая главная часть – удвоение молекулы ДНК, ее самокопирование, последующее деление на две с идентичной ДНК (ДНК разделяется на 2 цепи, из нуклеотидов, свободно плавающих в клетке, вдоль каждой цепи формируется вторая)

• транскрипция – перенос кода ДНК на иРНК

• трансляция - синтез белка на основе и РНК в рибосомах из аминокислот, доставляемых РНК.

Напоминание вам из школьного курса биологии: как в клетке протекает процесс считывания генетической информации.

Т.е. ДНК содержит чертежи всех белков, включая ферменты. РНК собирает ферменты, часть из которых ускоряет репликацию ДНК. Ферменты - это белки. Ферменты невозможно собрать без чертежей, инструкций белков, записанных в ДНК. А ДНК не в состоянии самопроизвольно воспроизводиться без ферментов. Вы видите, как удивительно похоже на сакраментальное: что было первым - яйцо или курица?

Слайд:

Белки или нуклеиновые кислоты первичны?

• Голобиоз — методологический подход, утверждающий первичность структур, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментных белков.

• Генобиоз – методологический подход, утверждающий первичность молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода

Поэтому здесь на слайде названы две концепции.

Если ещё недавно основной фокус исследования ученых был на молекулы ДНК, то начиная с 80-х годов 20 века фокус сместился на исследования РНК. Потому что оказалось, что РНК обладает свойством автокаталитической репликации. РНК может брать на себя функции ферментов, т.е. без белков, без ферментов молекула РНК способна обеспечить достаточно быстрое образование собственной копии. И возникла идея “Мира РНК”. Сейчас известно более ста вариантов вот таких РНК с ферментными свойствами.

Поэтому вопрос усложнился. Не просто: белки или нуклеиновые кислоты первичны, а какой вид нуклеиновых кислот первичен: РНК или ДНК?

До сих пор не ясно, как можно лабораторно проверить возможность естественного происхождения слаженной работы белков и нуклеиновых кислот. Тогда, чтобы понять пути возникновения жизни, пошли принципиально другим путем.

Концепция понимания биохимической эволюции рассматривала возникновение жизни актуалистически. Опарин актуально – мы знаем, что белки присутствуют в составе любых организмов, и тогда мы посмотрим на происхождение белков и тем самым решим проблему происхождения жизни, то есть оттолкнемся от актуального знания о составе живых объектов. Химики предложили на время забыть все, что мы знаем о организмах, ведь Опарин не предложил описание цепочки химических реакций, которые могут привести к жизни. Поэтому химики предложили отказаться от актуалистического подхода и идти естественно-историческим путем, то есть пытаться воспроизвести ход эволюции до возникновения живого и, вы видите первый подход, обозначенный на слайде, это один из двух подходов, который реализовался в 20 веке как развитие концепции биохимической эволюции, в частности, его представитель Руденко – это естественно-исторический подход.

Слайд - Современные подходы к проблеме происхождения жизни

1.Естественноисторический подход с позиций эволюционного катализа (концепция Руденко А.П.);

2.Теоретический подход к проблеме с позиций неравновесной термодинамики, молекулярной биологии и теории информации (Пригожин И., Эйген М., Чернавский Д.С.).

Различие в трактовке первичного в возникновении биологического организма:

1. Химические субстратные процессы;

2. Взаимодействие (в какого типа движении проявляется жизнь).

Слайд - Теоретический подход с позиций неравновесной термодинамики

М. Эйген: существование молекулярного хаоса, без функциональной организации разнообразных химических систем.

Возникновение самоорганизующихся предбиологических систем ставится в причинно- следственную связь с существованием неравновесности и соответствующих нелинейных регуляторных связей на молекулярном уровне, при этом используется понятийный аппарат термодинамики открытых систем.

Второй подход, который в 20 веке оказался важным для решения вопроса о происхождении жизни, это другая совсем методология, это попытка вписать частную проблему, как возникает жизнь, в более общий процесс описания того, как вообще происходит эволюция – от возникновения галактик, Солнечной системы, возникновения известных нам форм неживой, дальше - живой природы, дальше – социальной формы и разума. Тогда частная естественно-научная концепция окажется частью более глобального построения. И рамки для такого глобального построения задает современная синергетика, неравновесная термодинамика, о которой будем говорить в рамках следующей темы, поэтому без того, чтобы первоначально пояснить вот эти общие принципы синергетики, Е.В. второй подход детально описать не сможет, поэтому сейчас мы обозначим только вот эти две ветви, по которой концепция биохимической эволюции развивается.

Слайд - Естественноисторический подход

с позиций эволюционного катализа

Основная идея - самоорганизация существует, развивается во времени и пространстве не в виде структуры, а в виде процесса.

Реакционная среда выступает основным претендентом на роль промежуточного звена между живым и неживым. Его главная черта - отсутствие жесткой структуры.

Ограниченность: выделен только химический аспект, не объяснен экологический аспект.

Первая позиции позволяет открыть некоторое промежуточное звено между неживыми объектами и живыми объектами, это так называемые элементарные открытые автокаталические системы. Это идея о том, что жизнь может возникать не в виде структуры, а в виде функции, когда, например, выделяется некая активная среда, в которой продукты первой реакции становятся катализаторами для второй, а продукты второй – катализаторами для третьей и так постепенно формируется цепочка, когда возникает некая реактивная зона, в которую извне возникают необходимые для реакции вещества. И эта зона выделяется из окружающей среды и существует ровно до тех пор, пока есть продукты для того, чтобы протекали реакции. Соответственно, этот подход делает акцент на химизм процесса, пытается восстановить вот эту цепочку химических реакций, но ведь жизнь – это не только химические процессы, это результаты взаимодействия неких целостных объектов (вспоминаем коацерват Опарина) с окружающей средой. Это, конечно, изменение согласовского (?) методического основания подхода, но, опираясь только на вероятностные статистические подходы химии, объяснить возникновение жизни трудно, крайне невероятно, что эти процессы уложатся в те самые миллиарды лет существования Земли.

Второй подход – позиция вписывания частной проблемы происхождения жизни в рамки более глобальных объяснений, делает акцент на информационные свойства живого, использует теорию информации, применяя ее к биологическим системам, строит модели открытых систем. Открытая система – та система, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией, живое без такого обмена не существует. Эта концепция позволяет четко сформулировать нерешенные проблемы, популярность этого подхода в 21 веке связана с тем, что представление о самоорганизации позволяет создать универсальные, объяснительные модели для объектов самой разной природы – неживой, социальной, технических устройств. Мы об этом говорим в рамках следующей темы.

Слайд - Современное понимание проблемы происхождения жизни

Сложность исследования возможных путей перехода от предбиологических систем к простейшим биологическим живым системам связана с отсутствием объекта исследования и невозможностью его существования на Земле в настоящее время.

Как современная наука пытается преодолеть указанные сложности? Приведите пример

Сложность исследования возможных путей перехода от неживого к живому связана с отсутствием объекта исследования на Земле в настоящее время, то есть однажды возникнув жизнь отрицает условия, в которых она возникла. Организмы являются продуктами последовательных во времени событий, их последовательно-временной характер как раз и проявляется в том, что предшественники ныне живущих организмов не существуют сегодня, и значит, с ними нельзя экспериментировать. Поэтому какой путь естествознания? Пытаться восстановить с помощью моделей цепочку тех процессов, которые на Земле могли вести к возникновению жизни и сопоставлять эти модели с некоторыми материальными свидетельствами. Соответственно, успехи в самых разных областях естествознания оставляют до сих пор открытым вопрос, что такое жизнь и вопрос о происхождении жизни. И некоторые исследователи даже сейчас высказывают идею о том, что на современных критериях научности, связанных с доказанностью, с экспериментальным подтверждением, вообще невозможно решить проблему происхождения жизни.

Слайд - Современное понимание сущности живого

Исходя из биохимии: понимание жизни как процесса активного и целесообразного поддержания специфической материальной структуры, формой проявления которой является сама эта активность.

Исходя из генетики: понимание жизни как формы существования дезоксирибонуклеиновых кислот, задача расшифровки механизмов взаимодействия двух важнейших классов биополимеров - белков и нуклеиновых кислот.

Исходя из кибернетики: определение жизни как формы существования информации и кодируемых ею структур, которая обеспечивает воспроизводство этой информации в подходящих условиях среды.

Отмечу, что уже сформировались три направления, три вектора, которые должны быть объединены, если мы хотим определить жизнь.

Первый вектор идет из биохимии – это идея изучить состав живого, исходя из данных биохимии. Активно использовался в конце 30-40-х годов 20 века, когда сформировалось представление о том, что жизнь есть процесс активного и целесообразного поддержания специфической структуры. Главным механизмом такого поддержания структуры является постоянный обмен веществ и соответственно энергии с окружающей средой, а главным носителем структуры является белок.

Второй вектор – исходя из генетики, потому что функция самовоспроизведения уникально отражает живые объекты. На первых этапах исследования генов казалось, что это белки, но вопреки ожиданиям уже в конце 40-х годов 20 века было выяснено, что гены не белки, это представители именно другого класса биополимеров – нуклеиновых кислот, и появился соблазн определить жизнь как форму существования нуклеиновых кислот. Но жизнь не может быть свойством тел, жизнь может быть только свойством системы, где в качестве элементов выступают разные биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты. Для того, чтобы объяснить взаимодействие между ними, обратились к информационным свойствам жизни и возник третий вектор – информация, которую нужно учесть для описания того, что такое жизнь, кибернетика, о ней разговор в рамках следующей темы.

Кибер от греческого – управляю, тот, кто управляет; киборг – того же самого корня.

Кибернетика – наука об управлении на базе информации; то, что живое – уникальная информационная система, где есть кодирование, способы считывания и управления информацией – это факт. И возник новый соблазн определить жизнь как форму существования информации и кодирующих ее структур.

Но жизнь должна определяться через указание на ключевые выводы всех трех этих направлений: без нуклеиновых кислот невозможно образование белков; без наличия белков невозможна специфическая активность нуклеиновых кислот, поэтому большинство исследователей на сегодня считают, что жизнь возникла тогда, когда возникла система, объединяющая белки, нуклеиновые кислоты и обменивающаяся с окружающей средой веществом, энергией, информацией, обладая способностью к самовоспроизведению, авторегуляции и эволюции.

И таким образом, сформировалось представление отличия живого от неживого по трем основным направлениям (где можно провести границу):

Современное понимание сущности живого

В вещественном плане: в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения – биополимеры.

Первая граница – по веществу. В состав живого всегда входят биополимеры двух классов: белки, нуклеиновые кислоты – макромолекулярные органические соединения. Структурным носителем всех материальных свойств является белок, молекулы белков обычно содержат несколько сот аминокислот, могут иметь разную структуру. Именно набором белков определяется сходство и различие организмов. В каждой клетке, например, у нас синтезируется порядка 10000 разных белков. Если, например, сравнивать млекопитающих с птицами, то общих белков, а значит, и общих генов будет 15-45%. А если мы сравним человека с нашим ближайшим родственником с точки зрения генетики – шимпанзе, то сходство будет составлять 97-98%. То есть мы различаемся 2-3 белками из сотни.

Биополимеры обладают удивительным свойством - вращать плоскость поляризации света в одно из двух направлений – вправо или влево.

Не во всех школах упоминают об этом уникальном свойстве биополимеров, о свойстве хиральность

Свойство хиральности (англ. chirality, от греч. chéir — рука)— свойство объекта (индивидуальных молекул и их соединений) быть несовместимыми со своим отображением в идеально плоском зеркале.

Способность поворачивать поляризованный свет обусловлена тем, что углерод (С) может образовывать четыре связи, то есть трехмерные тетраэдры, и один атом углерода, даже связанный с одинаковыми атомами, может создавать разные молекулы, стереоизомеры, они по-разному образованы в пространстве. Если мы отразим одну руку в зеркале, то у нас будет две руки, идентичные друг другу. И в мире животных аналоги правой и левой руки, вот эти молекулы – зеркальные антиподы или стереоизомеры, еще называют их оптическими изомерами.

Живой природе присуща абсолютная хиральная чистота: белки содержат только «левые» (L) аминокислоты, а нуклеиновые кислоты - только «правые» (D) сахара.

Для определения хиральности сквозь раствор с молекулами пропускают поляризованный свет и отмечают вращение – если влево (обозначают буковкой L), если вправо (отмечают буковкой D). Вот эта способность биополимеров существовать в двух антиподных формах известна в науке именно под термином «хиральность». И в живой природе это важно, присуща абсолютно хиральная чистота, от слова «чисто». Это значит, что белки содержат только левые аминокислоты, а нуклеиновые кислоты содержат только правые сахара. Из-за трехмерного строения они не взаимозаменяемые, мы же не можем перчатку для правой руки натянуть на левую руку, но мы можем понюхать хиральность: посмотрите на изображение апельсина и лимона. Наши обонятельные рецепторы – белки, они построены из левых изомеров аминокислот, и за запахи апельсинов и лимонов отвечают молекулы изомеры, они разные, так же как запахи мяты и тмина.

Если смешаны левые и правые варианты, то такую смесь химики называют рацемической. Вся неживая природа может формировать только рацемические смеси биополимеров, а живая природа абсолютно хирально чиста, это значит, что на определенном этапе эволюции произошло разрушение симметрии. И одна из загадок проблемы происхождения жизни до сих пор – что повлияло на то, что в состав жизни вошли только стереоизомеры определенной формы? Если хирально чистые смеси оставить предоставленными самим себе, рано или поздно возникнет рацемическая смесь - это один из методов определения датировки палеонтологических останков, когда живое умирает, то хиральная асимметрия жизни тяготеет к рацемической смеси. Так можно точно датировать, когда жил тот живой объект, вещество которого анализируется. Как можно объяснить абсолютную хиральную чистоту?

Об этом знал еще Пастер, и именно на этом основании он отрицал, что жизнь может возникнуть абиогенно, он говорил, что это крайне невероятно. И Пастер настаивал на том, что абиогенно могут образовываться только рацемические смеси. И если бы в состав жизни вошли только левые либо только правые стереоизомеры, а мы видим, что в разные биополимеры вошли разные стереоизомеры, это одна из загадок жизни. Есть концепция, которая объясняется за счет поляризующего воздействия лунного, солнечного света, приливов и отливов, но все опыты на эту тему показывают возможные тенденции, но не то объясняют, как возникает абсолютно хиральная чистота. Почему об этом важно знать?

Многие синтетические фармацевтические соединения обладают хиральностью. Оптические изомеры не отличаются друг от друга по многим показателям – температура кипения, плавления, спектры, но они отличаются по биологическим свойствам. Поэтому, например, в фармацевтической промышленности крайне важно соблюдать хиральную чистоту, идентифицировать зеркальные формы можно, но на них долгое время не обращали внимания. Не обращали внимания до трагического случая, который затронул много семей в разных европейских странах.

Пример на слайде: В 1954 году одна из немецких фармацевтических компаний разработала противосудорожный аппарат – талидомид. Разослала образцы нового лекарства врачам Германии, Швейцарии для клинической проверки. Оказалось, что противосудорожное действие против судорог не сильное, но люди, которые принимали этот препарат, перестали испытывать проблемы с расстройствами сна. Люди моментально погружались в здоровую и совершенно естественную дремоту при этом особенно хороший эффект был у беременных женщин. Были проведены опыты на животных и препарат был в 56-ом году выпущен в Германии, потом в 58-ом в Великобритании и в общем он оказался выпущен в 46-ти странах под разными наименованиями. Талидомид очень быстро стал лидером продаж среди снотворных и седативных препаратов не только в Германии, но и по всей европе. Его рекламировали как чудодейственное средство и против расстройств сна и против кашля, и против простуды, и против головной боли. В то время исследования на беременных женщинах с точки зрения воздействия на плод не проводилось. На самом деле подобные исследования для многих препаратов до сих пор не проводятся по этическим соображениям. Возвращаясь к нашему случаю, опасные таблетки начали активно продаваться и порядка 12-ти тысяч детей в разных странах родились с врожденным уродством. Они родились без конечностей, с дефектами глаз, мимической мускулатуры, с неправильно сформированными внутренними органами и прочими страшными тяжелейшими патологиями. Когда была выявлена связь между всеми этими женщинами и талидомидом, было проведено тщательное расследование, и только через 17 лет удалось показать, что в состав этого препарата вошло то хиральное соединение, которое не было разделено на зеркальные антиподы. И оказалось, что левый антипод вызывает эти страшные уродства, а правый совершенно безвредный.

Хиральность обязательно предполагает наличие двух зеркальных антиподов. Они химически по составу идентичны, а биологическое действие у них разное.

К 2005 году в живых осталось около 3,5 тыс. детей от матерей, которые принимали талидомид. Всем пострадавшим фармацевтическая компания выплатила компенсацию только к 2005 году. Позже выяснилась еще более страшная вещь. Оказалось, что эти уродства могут передаваться по наследству. Исследования показали, что рождаются дети с такими же уродствами, как и дети родившиеся во время первой волны. Талидомид продолжает использоваться, так как он очень эффективен при онкологии. Он подавляет рост сосудов питающих онкологическую опухоль, но для широкого спектра применения талидомид сегодня запрещен.

В качестве примера того, что даже позиция одного человека может повлиять, может служить история американского доктора Келси, которая работала в управлении по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств, и когда в конце 50-х в эту организацию поступили предложения компаний поставлять на фармацевтический рынок талидомид, она проанализировала документы, и обратила внимание на то, что этот препарат не тестировался на беременных. Она настояла на недопущении продажи этого препарата в США и ее за это президент наградил за выдающуюся гражданскую службу.

Итак, первое отличие живого от неживого - по веществу.

Второе отличие, живого от неживого: по структуре.

Живое от неживого отличается клеточным строением. Слово клетка с латинского переводится как комнатка. Все живые организмы либо одноклеточные, либо многоклеточные. Клетка - это самая мелкая биологическая система, но при этом самая важная. В ней происходят все биологические процессы и характеризуют жизнь. Клетки очень разные, их еще называют атомы жизни, они бывают разные по размеру и составу. Например столбик из 500 клеток крови составляет только 1 миллилитр.На таком уровне и нужно все исследовать.

Третья граница между живым и неживым - это по функциям.

В функциональном плане для живых организмов характерно воспроизводство самих себя. Мы уже говорили, что за это отвечает ДНК. Если ДНК одной клетки вытянуть в длину, то будет 1 метр 74 сантиметра. Если взять цепочки из ДНК одного человека, то можно протянуть линию через всю солнечную систему. ДНК - это набор из которого в типографии вселенной печатаются белки, то есть жизнь.

Разграничение живого от неживого имеет определенные трудности, и эти трудности связаны со статусом вируса. Вирус - инфекционных агент, который паразитирует на клетке. Сначала их просто считали токсичными веществами, затем одной из форм жизни. (в некоторых старых учебниках мы все еще можете найти формулировку “вирус - внеклеточная форма жизни), с современной точки зрения вирусы - особые объекты, которые не принадлежат ни к живому, ни к неживому. В 1935 году удалось впервые выделить вирус табачной мозаики, оказалось, что вирусы состоят из сложных биохимических компонентов, и не обладают необходимым для живой системы циклом обмена веществ. У него есть нуклеиновая кислота, либо ДНК, либо РНК, соответственно, но белки, необходимые для передачи информации у него просто не образуются. В сердцевине вируса содержится нуклеиновая кислота, небольшое количество ДНК или РНК. Снаружи находится белковый чехол, защищающий нуклеиновую кислоту от воздействия внешней среды. Вирус меньше клетки. Все вирусы для самовоспроизводства используют структуру инфицированной клетки, поэтому они такого маленького размера. Они внедряются в клетку и заставляют ее работать как ксерокс, то есть воспроизводить не те белки информация о которых записана в клетку, а те белки, информация о которых записана в структуру вируса. Это активно используется в биотехнологии, когда на вирус навешивают нужную информацию и заставляют проникать в клетки.

Ретровирусы.

Это вирусы геном которых представляет из себя структуру РНК, но попав в клетку вирус на своей РНК строит ДНК копию и после этого ДНК копия вируса встраивается в геном клетки и воспроизводит уже РНК. Получается, что вирус захватывает фрагменты генетического материала клетки хозяина. Переходя к другой клетке, он уже содержит материалы прошлой. Так возникает ряд онкологических заболеваний. Вирусная природа рака через действие ретровируса уже считается сегодня доказанной, но в отношении не всех типов рака. Поскольку вирус постоянно меняется, переходя от клетки к клетке, появляется трудность его идентифицировать. Поэтому ВИЧ идентифицируется не напрямую, а по наличию антител. Именно это свойство побуждает ученых не искать способы для разрушения инфицированных клеток, а для предотвращения попадания вируса в клетку. Предотвратить заражение новых клеток, законсервировать уже зараженные.

На базе этих свойств можно вывести определение жизни.

Проблема возникновения жизни уникальна тем, что она решается только в совокупности эмпирических и теоретических знаний, в связке с вопросом о сущности жизни. Становится все более очевидно, что загадку жизни не решить, заглядывая лишь внутрь ее структуры. Ее невозможно понять без уровня методологического обобщения, на уровне философских допущений.

Лекция 9. 10.04.21. Тема 5 Системный подход в современной науке. Самоорганизация в живой и неживой природе. Группа 3

Напоминаю, что в Новое Время любимый образ природы это образ часов. Поскольку у часов есть часовщик, природа трактовалась как созданная Богом, но при творении Бог заложил в природу законы, которые может открыть человек.

Формула: целое = (а1 + а2 + … а…). Трактовать мир как механизм это значит утверждать, что для познания целого достаточно знать элементы и связи между ними. То есть в целом не предполагалось существование каких-то свойств, не сводимых к свойствам элементов.

Успешное развитие физики на базе механики, которое руководствовалось этой формулой, вдохновило ученых на то, чтобы любые явления окружающей действительности трактовать в рамках этой формулы. Так мыслили биологи, экономисты и историки. Такой подход носит название “механицизм”.

Но для биологии использование формулы механицизма было невозможным, потому что жизнь демонстрировала удивительные черты целесообразности строения и функционирования. Тогда для изучения живого стала использоваться другая формула: целое = (а1 + а2 + … а…) + X. Эта формула говорит о том, что физико-химические закономерности (то, что в скобках) это части живого и связи между ними и они важны, но главное это то, что за скобками - то, что придает целесообразность физико-химическим процессам живого. В истории культуры это фактор Х.

Витализм - учение, объясняющее жизненные явления действием присутствующего в организмах особого нематериального начала: "жизненной силы", "души" или "энтелехии". (лат. Виталис – жизненный). Витализм не давал возможности трактовать сущность живого в рамках естествознания, потому что эта витальная сила объявлялась либо связанной с божественным творением природы, либо объявлялась не познаваемой.

Напоминаю, что всякие разъяснения в понятиях «целей» называются телеологическими (от греческого telos - конец, цель). Однако, напомню, что цели бывают очень разные. Например, если мы наблюдаем сезонные перелеты птиц, мы можем объяснить это двояко: либо указывая на филогенез происхождения данного вида, в ходе которого образовалась такого рода привычка, либо мы можем указать на действующие причины - смена времени суток, погоды, сезона.

Когда мы говорим про живое, без вопроса о цели практически не обойтись. Это касается всех ситуация, когда наука пытается исследовать поведение людей. И поскольку биология не могла обойтись без вопроса о цели, то существовали 2 крайности - механицизм и витализм. Однако к 10-м годам 20-го века стало ясно, что мы сможем объяснить свойства, в том числе, с помощью ответа на вопрос “почему”, если изначально до начала исследования будем к любому предмету относиться как к системе. В 20-е годы один из основоположников системного подхода - Людвиг фон Берталанфи выдвинул определение, что такое система.

Система - комплекс взаимодействующих элементов. И в ходе взаимодействия возникают свойства, не сводимые к свойствам отдельных элементов. В живом организме объединение отдельных элементов сильно заметна. Сегодня наука изучает системы, в которых отдельные элементы тоже рассматриваются как отдельные системы (подсистемы) и соответственно системный подход охватывает все предметные области науки.

Использовать системный подход - последовательно отвечать на вопросы:

1. выявление элементов (институты, явления);

2. выявление связей между элементами (могут быть структурные и функциональные);

3. выявление эффекта целостности;

4. исследование механизмов взаимодействия системы и среды (нужно показать, что имеем дело именно с системой, а не с суммой каких-либо предметов);

5. рассмотрение системы как динамичной, развивающейся целостности (показать, что система динамична). Здесь возникают трудности в связи с тем, что большинство систем являются открытыми и их динамика зависит от всех воздействующих факторов.

В системном подходе возник тренд - изначально задачей его было нахождение методологии для описания природных объектов, а сегодня системный подход используется во всех дисциплинах - и естественных, и социальных.

Например, Н. Луман говорит, что системой надо называть то, что способно отделить себя от внешней среды и воспроизводить границу, отделяющую систему от этой среды. Он говорит, что общество - это самореферентная (не только воспроизводит себя, но способна и описывать себя), самовоспроизводящаяся система. Элементами социальной системы в таком понимании будут не люди, не институты, не нормы, а коммуникации. Он говорит, что социальная система оперативно закрыта, то есть общество может функционировать только воспроизводя свои границы. Поскольку система всегда взаимодействует со средой, то по Луману постоянно идет процесс разложения системы и поэтому внутренние процессы системы направлены на то, чтобы компенсировать негативные воздействия реальности.

Этот пример хорошо показывает, что системный подход и соответствующий понятийный аппарат и методология из сферы естествознания широко распространяются на социальные науки. Очень важно, что этот подход дает исследователям свободу на выделение всех элементов, на уровне которые рассматривается структура. То есть в зависимости от оптики ваших задач системный подход позволяет создать многомерные представления о системе, фиксируя разные уровни элементов.

В естествознании для того, чтобы зафиксировать переход взглядов исследователя, используется определение “структурные уровни материи”. Важно, что каждый структурный уровень обладает определенными законами.

• Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо класса и характеризуются особым типом взаимодействия между составляющими их элементами.

• Закономерности новых уровней специфичны, не сводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли. Структурное многообразие, то есть системность, является способом существования материи.

Например, структурные уровни организации материи:

Неорганическая природа :

• микроэлементарный (уровень элементарных частиц и полевых взаимодействий)

• ядерный

• атомарный

• молекулярный

• уровень макроскопических тел различной величины

• планеты

• звездно-планетные комплексы

• галактики

• метагалактики

Такая система дает исследователям возможность при исследовании замкнуться на определенном уровне и изучать именно его.

Это детальное описание систем позволяет перейти науке к ответу на вопрос “а как можно объяснить самопроизвольное по естественным законам воспроизведение из простого чего-то сложного”. И вот для того, чтобы это сделать, нужно поговорить о роли пространства и времени в естествознании.

Две концепции, касаемо пространства и времени: Демокрита-Ньютона и Аристотеля-Лейбница.

1. Субстанциональная концепция. Тут в корне лежит термин “субстанция”. Например, Демокрит трактовал пространство, как самостоятельную сущность, независимую от материи. Пространство - есть вместилище вещей, а время - вместилище событий.

Субстанциональная концепция просуществовала более двух тысячелетий и то, что в классической науке сделал Ньютон, подразумевало, что пространство однородно и смещает всю материю, а время это чистая длительность. По Ньютону пространство и время - объективные данные, которые ни от чего не зависят.

Пространство и время - нечто самостоятельно существующее наряду с материей, как ее пустые вместилища. Пространство – чистая протяженность, время - чистая длительность, в которые как бы «погружены», «помещены» материальные объекты. Если все исчезнет, пространство и время останутся. При этом считалось также, что время представляет собой самостоятельную сущность, не связанную с материей и пространством.

Концепции, которые опровергали данную, стали складываться только к концу 19-го века с возникновением в физике электромагнитной теории. Тут стало необходимо отбросить мысли и пустом пространстве. Окончательно преодолена субстанциональная концепция в ходе развития науки в 20-м веке, когда в ходе развития геометрии возникли неевклидовы геометрии.

Слайд 13

Неевклидова геометрия.

Геометрия Лобачевского

Геометрия Лобачевского основана на тех же основных посылках, что и евклидова геометрия, за исключением аксиомы о параллельных, которая заменяется на аксиому о параллельных Лобачевского.

В геометрии Евклида: через точку, не лежащую на данной прямой, проходит только одна прямая, лежащая с данной прямой в одной плоскости и не пересекающая её.

В геометрии Лобачевского: через точку, не лежащую на данной прямой, проходят по крайней мере две прямые, лежащие с данной прямой в одной плоскости и не пересекающие её.

Есть ещё геометрия Римана на сфере. На основных постулатах Евклида базировалось школьное представление об устройстве пространства. Исторически геометрия была связана с решением практических задач (например, задач в области землемерия).

Когда появились альтернативные варианты геометрии, в которых не выполняют евклидовые закономерности (например, Лобачевский показал, что можно построить непротиворечивую геометрию, когда через заданную точку будет проходить несколько параллельных данной прямых), стали проверять по какой геометрии выстроен мир, в котором мы живем. Что такое прямая в физическом смысле?

Здесь вспомнили о второй концепции пространства и времени: атрибутивной (реляционной).

Слайд 14

Атрибутивная (реляционная) концепция

Пространство и время не особые субстанциальные сущности, а формы существования материальных объектов, пространство и время есть отношения вещей и событий. Пространство выражает сосуществование объектов. Время - последовательность их состояний. С исчезновением вещей и событий исчезнут и пространство, и время.

(Аристотель - Г. Лейбниц)

Истоки этой концепции восходят к Античности, в частности Аристотель отрицал существование пустоты. Согласно Аристотелю пространство неоднородно и конечно. Пространство - система естественных мест, которые занимают естественные тела. Аристотель утверждал, что во времени и пространстве всегда есть различные состояния, которые мы распознаем.

Представления, аналогичные взглядам Аристотеля, развивали уже в Новое время Лейбниц и Декарт. По их утверждениям, не существует ни однородной пустоты, ни чистой длительности. Т.е. пространство - это порядок расположения тел, а время - это порядок последовательно сменяющих друг друга событий. Пространство и время в этой концепции - не субстанции, это атрибуты, свойства материальных тел и материальных процессов. Пространство и время зависят от свойств материальных тел и процессов, отсюда второе название - реляционная концепция.

Слайд 15

Пространство и время как порождения человеческого начала

И. Кант: пространство и время есть формы человеческой чувственности.

Дж. Беркли, Э. Мах: пространство и время — это формы упорядоченных рядов ощущений.

К. Пирсон: пространство и время не имеют реального существования, а являются лишь субъективным способом восприятия вещи.

А. Богданов: пространство и время -продукты организующей и гармонизирующей человеческой мысли.

Прежде чем идти дальше замечу, что существует подход к пространству и времени, который вообще ставит под сомнение объективность существования пространства и времени. Это философский подход, идеалистическая линия в истории философии, когда пространство и время трактуются в рамках субъективной идеалистической традиции: пространство и время имеют психологический источник своего происхождения.

Так, Кант трактует пространство и время, как формы человеческой чувственности, т.е. формы созерцания, с помощью которых познающий субъект организует впечатление о мире в определенной образ. Это не наше тема, просто для того, чтобы вы имели системное представление о том, как можно трактовать эти понятия)))

Слайд 16

Относительность свойств пространства и времени

В начале XX в. была создана теория относительности, которая заставила пересмотреть традиционные воззрения на пространство и время.

Теория относительности включает в себя две связанные теории:

специальную теорию относительности (СТО), основные идеи которой были сформулированы А. Эйнштейном в 1905 г.,

общую теорию относительности (ОТО), работу над которой А. Эйнштейн закончил в 1916 г.

Мы возвращаемся в естествознание. С Античности существует две разных трактовки:

1. субстанциональная,

2. атрибутивная.

Когда в XX веке стали отказываться от классических представлениях об идеале науки (отказ от наглядности, формирование неклассической науки, пересмотр принципа объективности), когда стала формироваться теория относительности, то оказалось, что она описывает явление именно релятивистски. Т.е. явления, которые зависят от движения со скоростями близкими к скорости света в вакууме. Эти скорости как раз и принято называть релятивистскими. Т.е., в соответствии с теорией относительности, существует предельная скорость передачи любых взаимодействий и сигналов, и это предельная скорость - скорость света в вакууме.

И если есть предельная скорость, то это означает изменение привычных представлений о пространстве и времени, которые основаны на повседневном опыте. Дело в том, что в нашей повседневной жизни мы не имеем дело с движениями на таких скоростях и не наблюдаем релятивистского сокращения размеров тел, относительности одновременности событий.

Слайд 17

Относительность свойств пространства и времени

Общая теория относительности объединила временное измерение с тремя измерениями пространства, включила действие гравитации, утверждая, что геометрические свойства пространства и времени тесно связаны с наличием и расположением массивных тел, зависят от характера наблюдаемых процессов и состояния наблюдателя.

И, соответственно, теория относительности стала толковать, например, тяготение как причину искривления пространства, в результате которого свет распространяется не по прямым, а по изогнутым линиям.

Мы уже обсуждали с вами отказ от наглядности. Ещё раз поясню, о чем идет речь с помощью иллюстрации на этом слайде. Посмотрите на изображение. Представьте толстый слой резины, на который нанесены перпендикулярные линии, и на этот толстый слой резины уложен свинцовый шар. Вы видите, как изгибается поверхность, как изгибаются линии, которые до этого были прямыми. Это аналог того, что вблизи тел большой массы континуум становится искривленным, неевклидовым. Это означает, что в трехмерном пространстве геометрия может быть неевклидовой вблизи тел большой массы. И наполняющие Вселенную вещество и энергия искривляют, деформируют пространство.

Чтобы эта картинка была полной, мы должны представить трехмерное пространство, а не плоский лист резины, но это сложно визуализировать. И мы снова возвращаемся к тому, что в XX веке становится невозможным наглядность фундаментальных положений, из которых выстраивается физическая картина мира.

Объекты в искривленном пространственно-временном континууме стремятся двигаться по прямым линиям, но поскольку само пространство искривлено, их пути выглядят изогнутыми. Если тело находится вблизи сильного источника гравитации, то его движение изменяется.

В ньютоновской модели, где время и пространство не зависимы от всего остального, можно спросить: а что делал бог до того, как создал Вселенную? Интересно, что Августин Блаженный отвечал на это вопрос: перед тем, как бог создал небеса и землю, он ничего не делал.

А в общей теории относительности пространство и время не существуют без материальных процессов. Поэтому пока Вселенной не возникло, из материальных объектов не было ни пространства, ни времени. Т.е., с позиции науки XX-XIX века, нельзя спрашивать о том, что случилось до возникновения нашего мира, потому что само время возникло тогда, когда возник наш мир, когда возникли материальные объекты этого мира.

С теорией относительности наука окончательно отказалась от субстанциальной концепции и приняла атрибутивную (реляционную) концепцию.

Слайд 18

Понятия «пространство» и «время» в естествознании

Пространство и время.

Общие характеристики:

1. Существуют независимо от сознания людей и познания ими объективной реальности.

2. Универсальные, всеобщие формы бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, существующих вне пространства и вне времени.

Слайд 19

Свойства пространства

Пространство - это совокупность отношений, выражающих координацию сосуществующих объектов, их расположение друг относительно друга и относительную величину (расстояние и ориентация).

• Однородность;

• Изотропность;

• Трехмерность.

Слайд 20

Свойства времени

Время - совокупность отношений, выражающих координацию сменяющих друг друга состояний (явлений), их последовательность и длительность

• Однонаправленность;

• Необратимость;

• Одномерность;

• Непрерывность и связанность.

Большинство авторов считает, что пространство и время одинаковы во всех частях Вселенной. Это основание для того, чтобы выстроить единую картину мира на основании фактов и законов, познанных на Земле. И обычно свойства пространства и времени описываются применительно к физическим процессам. Вы видите общие свойства пространства и времени (слайд 18) и различающиеся характеристики пространства (слайд 19) и времени (слайд 20).

Слайд 21

Проблема «биологического времени»

Проблема биологического времени была поставлена К. Бэром, основоположником эмбриологии.

Научно обоснованная идея о биологическом времени принадлежит В.И. Вернадскому.

Отличия биологического и физического времени:

1. биологическое время нерегулярно, поскольку нерегулярны изменения, лежащие в его основе.

2. при сведении биологического времени к физическому утрачивается представление о специфике биологических систем.

3. масштабы времени существенно изменчивы масштабов времени в психофизическом восприятии его течения человеком.

Отмечу, что есть авторы, которые считают, что для описания специфики живых объектов вышеперечисленных общих свойств пространства и времени недостаточно. Уже более 100 лет назад, когда формировались основы эмбриологии и затем возникла концепция биологического времени Владимира Ивановича Вернадского, стали появляться аргументы, что в живых системах процессы происходят иначе, чем в неживых системах. Они упорядочены в пространстве и времени, они нерегулярны, потому что нерегулярны, потому что нерегулярность лежит в основе адаптации (ваше сердце должно обеспечивать и ту ситуацию, когда вы находитесь в покое, и ту, когда вы догоняете автобус). Живое может существовать только если биологические процессы организованы нерегулярным образом.

Слайд 22

Специфика пространственно-временной организации живого

Хронобиология - междисциплинарная наука, включающая методы и представления других естественнонаучных дисциплин (молекулярной биологии, генетики, биофизики, биохимии, морфологии и др.)

Основная задача хронобиологии - выяснение роли фактора времени в существовании и развитии биологических систем.

Очень много фактов указывает на то, что психологическое переживание меняет восприятие времени. Часто воспоминания людей, оказавшихся в смертельной опасности, фиксируют то, что время для них как бы замедляется. Для анализа специфики временной организации живых систем (включая человека) в XX веке возникает особая междисциплинарная область знаний - хронобиология. Напоминаю, что междисциплинарность - это особенность науки как XX, так и XIX века.

Хронобиология - это точка роста и формирования новых социальных технологий на базе научных знаний. Хронобиология легко идентифицируется как междисциплинарная наука по её названию.

Слайд 23

Специфика пространственно-временной организации живого

Фазовые изменения - в живой системе последовательная смена стадии какого-либо биологического процесса.

Эти изменения характеризуют как нормальное течение процессов в организме, так и реакцию на воздействия.

Ритмические изменения – в живой системе колебательный процесс, приводящий к воспроизведению биологического явления или состояния биологической системы через приблизительно равные промежутки времени.

Ключевые выводы хронобиологии связаны, во-первых, с выделением типов временных процессов в живом. Мы держим в голове ключевой вопрос, на который должен ответить системный подход: как естественных путем из простого возникает что-то сложное. Здесь хронобиология осуществляет это объяснение применительно к живым системам.

Если мы посмотрим на любой процесс в живой системе, мы должны сравнить, как минимум, две точки, разделенные временным интервалом. Напоминаю, что мы хотим описать развитие самой живой системы, поэтому мы не можем подходить к измерению собственно биологических процессов с внешними физическими часам. Мы должны найти в организме то, что меняется за интервал времени.

Биология фиксирует разного рода изменения. Существуют фазовые изменения: через определенные промежутки времени происходит необратимая смена стадий. Например, старение организма - это процесс, процесс, который можно затормозить. Но идея взломать старость методологически неточная, потому что старение - это процесс комплексный, системный, и искать какую-то панацею в виде отдельно взятой таблетки просто наивно.

Второй тип изменений: биологические ритмы. В отличие от повтора, который есть в неживой природе, любое ритмическое изменение представляет из себя внешний повтор общей структуры процесса, но по сути процесс всегда отличается. Я привела вам пример с биологическим ритмом биения сердца. Биологические ритмы изучаются более узкой дисциплиной - биоритмологией.

Ритмические изменения в живом на сегодняшний день рассматриваются с точки зрения адаптации. Есть ритмы неживой природы (смена дня и ночи, смена климатических сезонов). Живое быстро изменить структуру морфофизиологической организации под изменение окружающей среды не может. Но живое не может позволить себе полностью зависеть от окружающей среды. Биологические ритмы становятся средством адаптации. Возникает новое содержание в остающейся прежней структуре, и это обеспечивает необратимость процесса развития. Т.е. организация пространственных процессов живого во времени, когда развитие разделяется на отдельные отрезки-кванты обеспечивает непрерывность развития и дискретность.

Эта квантованность изменений, которые происходят в живой системе имеет прямое отношение к проблеме единиц биологического времени. На уровне изменения каких точно элементов мы будем фиксировать развитие живого.

На сегодняшний день только, например, в человеческом организме выделено порядка 500 морфофизиологических параметров, которые имеют биологические ритмы (причем разной продолжительности). Пока организм молод и здоров, ритм отдельного процесса синхронизируется в рамках целого. Ритм, которому подчиняется целостный организм, называется циркадным. Это суточный ритм смены периодов сна и бодрствования. Когда человек стареет, он может легко уснуть там, где, казалось бы, уснуть невозможно, и не засыпает, когда логично лечь спать. Т.е. возникает десинхроноз. И вот одна из причин старения - возникающие рассогласования в биологических ритмах.

У биологических ритмов есть интересная особенность - они колеблются с разной частотой. Например, переживающая структура нервной ткани имеет ритмы потребления кислорода с периодами 1 минута, 2 часа, 24 часа, 5 суток. У мужчин, например, есть 12 с половиной дневный ритм роста бороды - от самого быстрого до самого медленного. Все эти ритмы нужны для того, чтобы организм сохранил свою целостность при меняющихся условиях среды.

Но это возможно только тогда, когда биоритмы лабильны, т.е. когда временная организация биологических процессов подстраивается под среду (обладает со средой обратной связью). Если система страдает внутренним дефектом временной организации, у неё мало шансов приспособится к жизни.

Слайд 24

Специфика пространственно-временной организации живого

• Свойство временной организации, позволяющее ей эволюционировать - лабильность ритмов, жесткая детерминация их параметров исключила бы возможность нового временного кодирования систем.

• Организм регулирует свои отношения с окружающей средой за счет эндогенной природы ритмов и «датчиков времени».

Исследования внутренней природы ритмов и их лабильности начались перед пилотируемыми полетами в космос. Жизнь космонавтов на орбите невозможно регулировать по земным суткам со сменой дня и ночи. Соответственно, возникли эксперименты относительно того, как же организовать жизнь космонавтов. Например, с помощью идеи дробных суток - человек 3 часа бодрствует, 1 час спит.

Добровольцев лишали возможности по любым социальным датчикам определить, что время прошло (нет смены света, пища всегда в доступе). Организм в этих условиях начинал жить по собственным часам.

Но участники этих экспериментов до конца жизни вспоминают, как тяжело им давались дробные сутки, потому что наши предки адаптированы к промежуткам времени, связанным со сменой дня и ночи неживой природы. Хотя ЕВ отмечает, что в ходе длительной эволюции, если мы говорим об эволюции живого в целом, а не только об эволюции семейства homo, продолжительность суток менялась, но проблема в том, что нет никаких материальных свидетельств адаптации организмов ко времени, потому что время – это та среда, в которой происходят пространственные изменения. И материальных свидетельств биоритмов просто не существует, например, в палеонтологии. И поэтому вопрос, как организм регулирует свои временные отношения с окружающей средой – вопрос для науки сложный.

Вот тот студент, про которого ЕВ сказала, чтобы получить справку о том, что его биоритмы жесткие и немобильные, оказался в этих специально созданных условиях без биологических датчиков времени, и организм начал жить по внутренним биологическим часам. Но поскольку в филогенезе вида homo sapiens мы адаптированы к продолжительности земных суток, внутренние часы, по которым начинают жить организмы без датчиков времени все равно привязаны к 24-часовому интервалу. 26, 22, но в среднем 24. И это свидетельство концепция эндогенных, то есть внутренней природы биологических ритмов. То есть мы не просто подчиняемся изменению внешней среды – у нас есть генетическая регуляция, регуляция с участием клеточных мембран.

Есть очень интересные кибернетические модели регуляции пространственной структуры живого. Даже у таких излюбленных генетиками объектов мух-дрозофил есть ритмы сна, бодрствования. И соответственно биологические ритмы обнаружены у разных биологических видов по отношению к разным факторам среды – не только к физическим (смена дня и ночи), но и химическим. У человека есть суточные ритмы ответа на, например, лекарственные фармацевтические воздействия. Поэтому у современных лекарств в аннотациях очень часто пишут – эффективен прием утром или вечером.

Слайд - Хронобиология - междисциплинарная наука, включающая методы и представления других естественнонаучных дисциплин (молекулярной биологии, генетики, биофизики, биохимии, морфологии и др.). Основная задача хронобиологии - выяснение роли фактора времени в существовании и развитии биологических систем.

Знания о закономерностях биологических процессов позволяют правильно профилактировать, диагностировать и лечить многие заболевания. Есть такое направление – хрономедицина. Свои биоритмы важно знать, чтобы организовать свою деятельность максимально эффективно.

В зависимости от того, на какую часть суток приходится пик активности в ритме сон-бодроствование, людей часто делят на жаворонков, сов, а промежуточный тип во французской традиции хронобиологии называются голуби.

Есть попытки разъяснить различия в чертах характера между совами и жаворонками, именно ссылаясь на особенность их временных процессов. Например, говорят о том, что сов не пугают конфликты, в острых ситуациях они больше волнуются. А излюбленная тема разговоров жаворонков – это жалобы на собственное пошатнувшееся здоровье.

Это классификация восходит к французской школе невропатологов, но классических сов и жаворонков нет. Часть с годами переходят из одной категории в другую, чаще совы превращаются в жаворонков, наоборот – очень мало. Часть приобретают смешанные черты. Меньше всего меняются бездельники, потому что им не надо приспосабливаться ни к какому внешнему ритму жизни.

Если вы знаете, кто вы – жаворонок или сова, по крайне к какому типу тяготеете, то вы без труда скажете, кто из кровных родственников обладает такими же особенностями. Сам факт совпадения не обязательно означает, что причина совпадения – генетика. Но недавно открытые гены, которые кодируют белки, участвующие в транскрипции ДНК, и гены отвечают за регулирование циркадных ритмов - наших биологических часов.

Но гены работают в связки со средой, то есть наши ритмы мобильны. И эта идея, что можно продлить жизнь человека, удлинив циркадный ритм, 24-часовой, тогда бы биологические сутки превышали бы астрономические, тоже сейчас находится в стадии экспериментальной проверки.

Слайд - Специфика пространственно-временной организации живого

Фазовые изменения - в живой системе последовательная смена стадии какого-либо биологического процесса.

Эти изменения характеризуют как нормальное течение процессов в организме, так и реакцию на воздействия.

Ритмические изменения – в живой системе колебательный процесс, приводящий к воспроизведению биологического явления или состояния биологической системы через равные времени.

Еще раз – мы говорим о пространстве и времени, чтобы понять, как с точки зрения современной науки в природе могут протекать процессы самопроизвольного усложнения.

Слайд - Специфика пространственно-временной организации живого

Свойство временной организации, позволяющее ей эволюционировать - лабильность ритмов, жесткая детерминация их параметров исключила бы возможность нового временного кодирования систем.

Организм регулирует свои отношения с окружающей средой за счет эндогенной природы ритмов и «датчиков времени».

И эта проблема является центральной проблемой 20 века для таких дисциплин как кибернетика.

Кибернетика связывается в своем начале с именем Норберта Винера, англо-американского ученого, который во время Второй Мировой войны пытался решить проблемы самонаведения артиллерийских систем, которые сбивали вражеские самолеты. И он понял, что система, которая могла бы предсказывать поведение другой системы, а самолет, во-первых, обладает самоограничениями по маневрам, внутри него находится летчик, который также свободен в выборе маневра, который он может осуществлять на самолете определенной марки, должна учитывать вот эти поправки на управление и высказал идею, что можно создать науку, которая выработала некий общий подход к процессам управления в системах самой разной природы. Он даже предположил, какой должна быть такая система, которая бы могла учитывать информационные процессы как основу управления.

Именно Винеру принадлежит идея, которая была реализована всем развитием электронно-вычислительной техники. Он сказал о том, что вычислительные устройства должны состоять из электронных ламп, а не из зубчатых механизмов. Так собственно возникла идея электро-механических реле для того, чтобы обеспечить быстрое действие. И еще одно требование, которое сформулировал Винер и которое было реализовано – использование не десятичной, а двоичной системы, по принципу 0, 1 = включено, выключено. И вот с этого момента началось развитие стратегической линии человечества на использовании машин, которые ранее были всецело зависящими от воли человека, а сейчас все больше приобретают способность самостоятельно решать все расширяющийся круг задач.

Слайд - Кибернетика – от греческого «искусство управления» - использование общего подхода к рассмотрению процессов управления в системах различной природы.

Рождение кибернетики принято связывать с именем Норберта Винера (1948 год книга «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине»).

Классическое представление о мире, состоящем из материи и энергии, уступило место представлению о мире, состоящем из трех составляющих: энергии, материи и информации.

Слайд - Информация – от латинского informatio разъяснение, ознакомление - обозначает меру организованности системы в противоположность понятию «энтропия» как меры неорганизованности.

Заслуга Винера в том, что после него, когда он показал принципиальное значение информации в процессах управления, картина классической науки, что мир состоит из вещества и энергии, сменилась представлениями о том, что мир состоит из вещества, энергии и информации.

Управление – информационный процесс. Все об этом знают – расхожее утверждение: «Кто владеет информацией, тот владеет миром». Посмотрите сколь разные определения информации использует наука. Вспомним, какое определение информации мы использовали на информатике. Информатика – раздел, выделившийся из кибернетики.

Докибернетическое понятие информации связывало информацию с совокупностью сведений, данных из знаний. И развитие кибернетики уточнило понятие информации и показало, что у информации множество свойств.

Слайд - Информация: подходы к определению

• информация как отраженное разнообразие,

• информация как устранение неопределенности (энтропии),

• информация как связь между управляющей и управляемыми системами

• информация как преобразование сообщений

• информация как единство содержания и формы,

• информация - это мера упорядоченности, организации системы в ее связях с окружающей средой

Единица измерения информации бит – сокращение от «Binary digIT».

Соответственно, преобразование информации, возможность ее передачи и возможность ее изменения как раз влияет на организацию системы, на то, как при объединении элементов в системе возникает нечто новое – организованность, согласованность поведения элементов в системе.

Кибернетика как наука об управлении имеет объектом изучения не любые системы, а только те, в которых есть процессы управления. И для этого у системы должны быть ключевые свойства.

Свойства информации:

• способность управлять процессами

• способность передаваться на расстоянии

• способность подвергаться переработке

• способность сохраняться в течение любых промежутков времени и изменяться во времени

• способность переходить из пассивной формы в активную

И рассматривая сложные динамические системы, кибернетика не изучает их полностью, детально. Кибернетика отвлекается от свойств, не связанных напрямую с процессами управления, то есть изучает объекты мира как кибернетические системы, моделирует, отказывается от неважного. Сосредотачивается только на тех сторонах функционирования систем, которые связаны с протеканием в системах процессов управления, то есть процессов сбора, обработки и хранения информации, а также ее использования для целей управления.

Соответственно, система может считаться управляемой, то есть кибернетической системой, независимо от того, является она по веществу живой, или технической, или неживой, или социальной. Особенность кибернетики в том, что это первая наука, предмет которой был сформирован не по веществу, а по функциям исследуемых систем.

Слайд - К основным задачам кибернетики относятся:

• установление фактов, общих для всех управляемых систем или по крайней мере для некоторых их совокупностей;

• выявление ограничений, свойственных управляемым системам, и установление их происхождения;

• нахождение общих законов, которым подчиняются управляемые системы;

• определение путей практического использования установленных фактов и найденных закономерностей

Структура кибернетических знаний:

Кибернетика пользуется методом аналогии, распространяя познанные на базе изучения одного объекта свойства на другие, то есть использует такую относительную точку зрения на систему.

Слайд - Бионика - использование моделей биологических процессов и механизмов в качестве прототипов для совершенствования существующих и создания новых технических устройств.

Вы видите два примера – патентования нового вида застежки-липучки после того, как под микроскопом было изучение строение такого растения как дурнишник, который распространяет свои семена, цепляясь, например, за шерсть животных.

Или устройство Эйфелевой башни, если посмотрим на нее снизу, повторяет структурные черты берцовой кости, на которую приходится самая существенная нагрузка человеческого тела. Особое строение элементов кости обусловливает одновременно и прочность, и легкость конструкции. То есть любая система представляет собой совокупность конкретных объектов, и кибернетику интересуют только такие свойства, которые связаны с управлением.

Слайд - Кибернетический подход отличается:

• относительностью точки зрения на систему;

• учетом влияния среды.

В чем относительность такого взгляда? Самолет может рассматриваться как кибернетическая система, если отрабатываются какие-то параметры управления, а может быть физической системой – если, например, отрабатываются параметры изгиба крыла для лучшего обтекания потока воздуха.

Слайд - В кибернетике отвлекаются от конкретных особенностей изучаемых систем, выделяют закономерности, общие для некоторого множества систем, и вводят понятие абстрактной кибернетической системы.

То есть кибернетические задачи – это задачи не всеобъемлющие. Там нет детализации. Поэтому применение понятие «кибернетическая система» к конкретному объекту зависит не только от свойств самого объекта, но и от целей исследования систем. Поэтому говорится о том, что любая изучаемая в теории управлении, кибернетике система является абстрактной кибернетической системой.

Слайд - Управление – это воздействие на объект, выбранное на основании имеющейся для этого информации из множества возможных воздействий, улучшающее его функционирование или развитие.

Принцип обратной связи в управлении:

если поведение системы усиливает внешнее воздействие, то мы имеем дело с положительной обратной связью, а если уменьшает, то с отрицательной обратной связью.

Важно, что в кибернетике управление – это не любое воздействие на объект, а только то воздействие, которое выбрано из нескольких возможных, а соответственно, чтобы сложилось представление о том, что есть несколько сценариев развития, об этом должна быть информация. И выбранный сценарий развития всегда связан с улучшением функционирования системы или увеличением длительности функционирования системы. Если в результате воздействия система разрушилась, то такое воздействие кибернетика не считает управлением.

Для того, чтобы в системе происходили процессы управления, обязательно система должна быть во взаимодействии с окружающей средой. Это взаимодействие называют обратной связью. И очень важно, какая это обратная связь. Есть положительная, есть отрицательная обратная связь.

Если поведение системы усиливает внешнее воздействие, то это положительная обратная связь.

Если поведение ослабляет – отрицательная обратная связь.

Например, наш организм перемещается по лестнице, мы оступились. Если мы предварительно не раскачали свой организм, он функционирует нормально, в автоматическом режиме управленческие сигналы будут посланы к мышцам для того, чтобы занять вертикальное положение. Источник сигнала будет связан с вестибулярным аппаратом. Наш организм – система с обратной связью. В этом примере тип обратной связи – отрицательный.

Организм не усиливает воздействие внешней среды, а пытается их ослабить. Кибернетическая система управляется именно за счет этой обратной связи. Поэтому свойством управляемости обладает не любой сложный объект, а только объект, находящийся во взаимодействии со средой, и объект, состоящий из множества неодинаковых, сложных элементов. Любое воздействие на поведение управляемой системы объекта управления направлено на то, чтобы изменить ее параметры. Не в любом направлении, а только в направлении, улучшающим функционирование или длительность ее существования.

Слайд - Кибернетика

• оказала влияние на содержание и методологию всех наук;

• интегрировала естественные, общественные и технические науки.

• создала из понятий частных наук структуры новых понятий, новый язык науки: информация, управление, обратная связь, система, модель, алгоритм и другие понятия обрели общенаучный статус.

Заслуга кибернетики в том, что в рамках кибернетического подхода был выдвинут понятийный аппарат, ставший фактически новым языком всех наук – и естественных, и общественных, и социальных наук. И конечно, очень сильное влияние техники. И сегодня наиболее обсуждаемая тема, связанная с развитием техники – проблематика искусственного интеллекта.

Когда мы слышим понятие «искусственный интеллект», то нужно различать контекст.

Есть два вида интеллекта:

И о сильном искусственном интеллекте говорят тогда, когда ставится задача полного моделирования и когнитивных, и эмоциональных процессов, присущих человеку, и, что очень важного – волевого компонента.

Есть очень сильные естественнонаучные, философские, технические аргументы против того, что сильный искусственный интеллект будет создан.

О сильном искусственном интеллекте чаще всего говорят в формате массовой культуры – идея восстания машин, признания человека, не достойным существования со стороны искусственного интеллекта – это все сценарии развития сильного искусственного интеллекта.

Когда ставится задача реального использования искусственного интеллекта, например, в образовании, в здравоохранении, в области права (например, для анализа текста статей с целью их классификации, типологизации, выявления противоречий, устранения противоречивых терминологических использований) – говорят о слабом искусственным интеллекте. Слабый не означает плохой или ограниченный. Слабый означает, что задачей ставится моделирование когнитивных процессов. Синоним слабого искусственного интеллекта – либо система искусственного интеллекта, либо технологии. В данном случае применительно к слабому искусственному интеллекту система и технологии искусственного интеллекта – синоним.

Слайд - технология ИИ прежде всего описывает программу (алгоритм), аппаратное воплощение не обязательно:

• предполагает способность анализировать окружающую среду

• система ИИ обладает некоторой степенью автономности в реализации алгоритма

• как правило, предполагает способность к самообучению

• наличие характеристик интеллектуальности («разумности», «рациональности», «возможности мыслить как человек» во всех или в определенных обстоятельствах).

На слайде (см.табл.) тезисы, которые описывают ключевые особенности систем или технологий слабого искусственного интеллекта. Обычно говорят просто «искусственный интеллект», «система искусственного интеллекта», «технология», при этом не добавляют, что подразумевают слабый искусственный интеллект.

Мы видим, что система искусственного интеллекта, прежде всего – это некая программа, это не обязательно алгоритм. Например, обучение нейросетей происходит на примерах без алгоритма, когда примеры не задают то, что, например, нужно анализировать, нейросеть сама определяется сравниваемые параметры, то есть под искусственным интеллектом не обязательно подразумевают аппаратное воплощение.

Любой ИИ связан со способностью анализировать окружающую среду, то есть фиксировать эти типы обратных связей, про которые мы с вами говорили. Всегда есть определенная степень свободы, относительно того алгоритма, который изначально может быть заложен.

Обязательно самообучение. Замечу, что именно по этому свойству выстраивается аналогия между естественным интеллектом и ИИ, однако на данный момент человечество не совсем понимает (и не факт что поймет) как именно работает мозг. Ведь каждый отдельно взятый нейрон обладает ограниченной способностью передавать информацию за счет электрохимических связей, но объединенные в сложную систему, они формируют нейросети и именно они дают эффект быстродействия (мозг способен невероятно быстро обрабатывать информацию), эффект целостности и это парадокс. Человечество вступило на путь создания ИИ, не понимая что такое естественный интеллект.

Наука, создавая кибернетические модели, на самом деле исследует сущность процессов на этих моделях. То есть не сначала исследовали объект, а потом создали модель, а сначала создают модель, и в процессе исследуют первичный объект. Все нейротехнологии - это одновременно и изучение мозга, и разработка технологий влияния на мозг.

Что касается характеристик, которые уподобляют ИИ человеку. Он должен мыслить рационально, как человек. Они отработаны совсем недавно, еще в начале ХХ-го века Аланом Тьюрингом. Он ставил вопрос о том, как же можно будет отличить ИИ от Естественного интеллекта, когда он будет создан. И Тьюринг создал методологию тестов Тьюринга, когда в ходе взаимодействия с компьютером, человек не знает кто находится по другую сторону экрана ИИ или человек, и если по определенным правилам за определенное время человек ошибется в идентификации своего собеседника, то эту систему нужно признать ИИ. Считается, что впервые тест Тьюринга был пройден в 2014 году системой, которая действовала от имени подростка (что было любопытной уловкой создателя, потому что можно было списать на это некоторые ошибки). После этого начался настоящий взрыв систем, которые отвечают требованиям теста Тьюринга.

В феврале этого года, в TikTok было выложено несколько видео, изображавшие знаменитого актера Тома Круза очень реально. Это изображение было создано при помощи современного уровня визуальных эффектов. Этот новый вид натурной информации, которая совпадает с исходником только по числовым параметрам пример того, как вообще могут измениться способы применения правовых норм, потому что человек может фиксироваться там, где он не находится в данный момент, находиться там, где его нет.

Многие прогнозы говорят о том, что мир движется в сторону разрушения границ между материальной и виртуальной реальностью. Эта проблематика цифровых аватаров, обращения с персональными данными, взаимодействия между цифровыми аватарами и субъектом. Например, создана модель вашего организма и над ней проводятся биологические эксперименты. Вам от этого никакого риска, но в ходе эксперимента получается информация, защищаемая патентами и приносящая прибыль ее владельцу. Эта отчужденная от вас информация начинает функционировать как товар особого рода. Этих проблем огромная множество и мы их в общем обозначим как проблемы регулирования ИИ с точки зрения права и этики.

Перечислим эти проблемы:

1. Во-первых, очень многие системы ИИ работают по принципу черного ящика и осуществляют так называемый цифровой страшный суд. Либо заложенные человеком алгоритмы охраняются как предмет коммерческой тайны, либо, если это нейросети без алгоритмов, разработчики не заинтересованы в том, чтоб они стали прозрачными. Например ИИ обрабатывает огромное количество информации и работает в качестве поддержки врачебного решения. он сверяет полученные данные с уже имеющимися и выдает рекомендацию по лечению. Однако принцип и условия на основании которых ИИ и предлагает человеку лечение не прозрачны. Еще один пример, многие ВУЗы используют ИИ для отбора студентов. Имеет ли право студент получивший отказ, потребовать объяснения его причин? В этом и состоит проблема черного ящика. Во-вторых, нейросети подвержены кибератакам. Например если происходит сращивание человеческого тела с нейросистемой (вспоминаем киберпанк и бионические протезы и стимуляторы), уже были случаи, когда кибератаки были просто опасны для людей, чья жизнь зависит от кибернетических устройств. В-третьих, могут возникать проблемы, связанные с некорректностью или неполнотой выборок на основе которых нейросеть принимает решение. Например если не выдержаны гендерные или этнические, или другие параметры, системой могут делаться неправильные выводы. Эксперты говорят о необходимости ввода понятия прозрачного ИИ, то есть разрабатывать системы, которые были бы понятны с точки зрения принципов деятельности для человека, и человек мог бы перепроверять в сомнительных случаях выводы ИИ. Однако тогда снова возникает проблема, которая уже была названа: проблема охраны алгоритмов создателями, для соблюдения коммерческой тайны, либо проблема того, что в некоторых видах ИИ не предполагается алгоритма вообще, а значит и прозрачности.

2. Еще одна проблема - это проблема субъектности. Если будет создан сильный ИИ, то на него может быть возложена ответственность - он станет субъектом права. Однако если есть ответственность, то есть и норма, а если есть норма, то есть и система контроля за ней, а в случае непрозрачного ИИ, это невозможно. Однако, перспектива сильного ИИ, очень туманна, а вот в отношении уже существующего слабого ИИ проблема ответственности стоит очень остро. Например врач рекомендовал назначение химиотерапии на основе рекомендации ИИ, однако система чего-то не учла и ошиблась (подобные случаи действительно происходили, и системы такие есть, например IBM Oncology). Возникает вопрос - Кто виноват? Если врач, то тогда будут противиться введению ИИ в качестве помощников врачей. Если наоборот, то всю ответственность будут пытаться спихнуть на ИИ, и при этом от ответственности уйдут некомпетентные люди. Есть модель, по которой к ответственности будут привлекаться организации, которые принимают решения о введении подобных систем. Еще одна проблема состоит в отсутствии единого определения - что такое искусственный интеллект. Даже в разрабатываемом техническом регламенте присутствует минимум 3 разных определения. В 2020-ом году ЮНЕСКО разработано этические рекомендации ИИ, что неразрывно связано с вопросом ответственности ИИ.

3. Третья проблема - это контроль за тем как внедряются и используются технологии ИИ. Например система образования. Она массовая, нацелена на несовершеннолетних. Использование ИИ в системе образования тесно связано с решением того насколько насколько он (то есть ИИ) , во-первых, безопасен, во-вторых, полезен. В связи с этим используется понятие “доверенный ИИ”. То есть насколько он действует в соответствии с законом, этикой, необходимое требование - надежность ИИ.

4. Еще одна проблема - это так называемая “липкость технологий. Достоверно установлено, что дети общаются с ИИ иначе чем с антропоморфными роботами. Они наделяют его свойствами субъекта. Возникает эффект, когда люди привязываются к ИИ сильнее чем к другим людям. Заменяют реальные социальные связи общением с антропоморфными системами. Это связано с тем, что разработчики часто не допускают негативного варианта эмоциональных отношений с ИИ.

(реклама документалки “робот - я люблю тебя?)

Лекция 10. 17.04.21. Тема 5. Группа 2

Сегодня мы поговорим о том, как современная наука объясняет самоорганизацию в природе. То есть самопроизвольный процесс перехода от простого к сложному. Мы поговорим о синергетике.

Для классической науки объектом изучения были закрытые системы, которые трактовались как не обменивающиеся с окружающей средой веществом энергией и информацией. Поведение таких систем рассматривалось в рамках классической термодинамики. Однако в природе практически нет систем, которые не обмениваются с окружающей средой веществом энергией или информацией, только некоторые системы можно так трактовать. Но именно для такого рода абстракций были сформулированы первое и второе начала термодинамики. Первое - это закон сохранения и превращения энергии: в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может принимать разные формы; Второй закон - возрастание энтропии: в замкнутой системе энтропия всегда возрастает, это означает, что система стремится перейти от состояния большей упорядоченности к состоянию меньшей упорядоченности. В состоянии термодинамического равновесия энтропия максимальна, то есть вся энергия перешла в простую тепловую форму. С помощью второго начала термодинамики можно описать широкий круг процессов и явлений, например обмен теплом между холодным и горячим телами. В этом случае происходит изменение от сложного к простому. Если распространить подобные взгляды, то наша вселенная должна будет погибнуть от тепловой смерти, так как будет возрастать энтропия, беспорядок и хаос. Со временем все виды энергии должны будут перейти в тепловую.

С позиции современной науки вселенную нельзя рассматривать как замкнутую изолированную систему. Дело в том, что экстраполировать второе начало термодинамики не позволяет то, что такие системы, которое оно описывает должны состоять и конечного числа элементов + во вселенной есть гравитационные поля. Вселенная достигла бы термодинамического равновесия, если бы она находилась в стационарных, не зависящих от времени условиях. Гравитационные поля выступают нестабильными элементами при протекании процессов во вселенной, поэтому тепловая смерть не случится во вселенной. Получается, что СЕ, описывая мир в классической системе, существенно упрощало положения вещей.

Познание природы идет через модель. Модель может упрощать что-либо сложное по принципу от общего к частному или же, наоборот, двигаться к упрощению от частного к общему, беря какие-то известные базовые модели и объединяя их, например, мы знаем как ведут себя животные и объясняем поведение человека таким же образом по аналогии. Модели могут существовать в совершенно разных формах: в виде рисунков, описаний, мыслимых образов. В 20 веке стало ясно, что если мы хотим выделить реальные свойства предметов нельзя это делать только упрощая, создавая модели.

Большинство систем являются открытыми, то есть могут существовать только в постоянном обмене веществом, энергией и информацией со средой. Постоянный приток этих вещей является обязательным условием поддержания неравновесных состояний системы. Мы остаемся живыми до тех пор, пока сопротивляемся нарастанию энтропии.

Кибернетика, стремясь выявить закономерности мира, делала свои выводы не локальными, а универсальными, общенаучными. Кибернетика описывает все системы в которых есть управление. Вот также и синергетика фиксирует все как общие свойства сложных. открытых, термодинамически неравновесных систем, т.е. свойства самоорганизации.

Под самоорганизацией понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы к более сложному состоянию. Синергетика - от греческого “совместный”; синергетика только обобщает данные разных наук, она играет роль метанауки. Ключевая задача синергетики: открыть общие закономерности возникновения сложных систем. Объектом синергетики могут быть не любые системы, а только системы открытые. Неравновесность порождает избирательное реагирование на внешние изменения среды. Неравновесность помогает системе не действовать реактивно. Система чувствительна к флуктуации, где флуктуация - это случайные отклонения физических величин от средних значений. Случайность может сильно влиять на состояние системы. Точка бифуркации - критическое состояние, переломная точка в развитии системы, момент, когда система после плавного эволюционного развития резко, скачкообразно переходит в качественно новое, более сложное состояние. Если система открытая, неравновесная, то такая система сама создает и поддерживает неравновесность в окружающей среде и тогда между системой и средой могут создаваться отношения положительной обратной связи, то есть система сама может влиять на среду таким образом, что в среде вырабатываются факторы, влияющие на систему.

Помните, в школе вы каждое, если это Россия, 1 сентября, в других странах, в другую дату, вы шли в новый класс. Конечно, каждый класс был сложнее, и по содержанию, и по форме коммуникации, но переход из класса в класс был эволюционный. Слишком экстремальные события должны были случиться, чтобы вы не перешли из одного класса в следующий. Но когда вы подошли к моменту окончания школы, и после 11 класса в следующий класс переходить нельзя. Перед вами возник спектр сценариев вашей дальнейшей жизни. Вы могли, например, если молодым людям ближе к 18, пойти служить в армию. Вы все могли бы пойти работать, вы могли бы создать семью, девочки выполнять, например, репродуктивные функции. Когда система подходит к точке бифуркации, у неё есть несколько сценариев развития, как несколько путей у Витязя на распутье. Но у всех возможных сценариев развития какие-то более вероятные. Мы об этом поговорим чуть дальше, но пока посмотрите на слайд, я приведу пример того, как ведут себя системы, которые находятся вблизи точки бифуркации, когда возможны множество сценариев дальнейшего развития. Вы видите пример, который связан с фин рынками. Финансовые фондовые рынки можно рассматривать, как пример сложной системы, которая искусственным образом специально поддерживается в крайне неравновесном состоянии. Организованные действия групп лиц, которые заинтересованы в проведении той или иной фин операции приводят к тому, тчо на неустойчивую систему фондового рынка оказывается постоянное воздействие, выводящее её из состояния равновесия. Малое такое шевеление управляющих факторов. Для чего? Если рынок стабилен, для достижения результата нужно приложить большие усилия. А когда система не стабильна, для поддержания цели, например, для скупки контрольного пакета акций, нужно поддерживать систему в состоянии, далёком от состояния равновесия. Тогда можно затратить малые средства, а получить большой результат.

Особенность неравновесных систем состоит в том, что если система находится в состоянии, когда она готова двигаться в разные стороны, можно добиться кард изменений малыми воздействиями. Но есть трудность – в соц системе определеить, что система приближается к точке бифрукации – сложная задача. Но если кто-то хочет управлять этими процессами, он заинтересован в том, чтобы система была неравновесна и нестабильна.

Пример бифуркации – демократические выборы. До того момента, пока не прошло голосование, на судьбу целой страны могут повлиять самые незначительные факторы. Кому-то кто-то не нравится, новая причёска и так далее. Но после того, как выборы состоялись, исправить что-либо гораздо сложнее. Вот выбора могут быть с разными сценариями, но как только они прошли, система перешла в новое состояние.

Нахождение в точки бифрукции для сложной системы связано с тем, что на неё действуют события, и они попадают в эти бифуркационные изменения.

Напоминаю, эти отклонения от средних значений. И в качестве примеры цитата Ильи Пригожина на салйде. Он говорит о революции 1917 года в России. Он говорит о том, что развитие в России, учитывая конец царского режима, могло пойти по разным сценариям. Потому что учитывая недальновидность царя, насилие ленина и пр., вот это микросочетание факторов обеспечило всю череду последующий событий.

Если вы прочтёте цитату на слайде, то поймёте, как Пригожин, один из основоположников синергического подхода, говорит о значимости малых событий.

Если система находится в состоянии бифуркации, то роль случайных факторов резко возрастатает. В переломный момент неизвестно, в каком направлении пойдёт развитие системы. Станет ли развитие более хаотичным или более структурированным. Перейдёт ли система на новый уровень организации или будет разрушаться. Вот точка бифуркации, это состояние, когда вселенная как бы колеблется, как бы выбирает путь дальнейшего развития.

А теперь вспомним пример, который я приводила с вашим окончанием школы и поступления. Итак, у вас после школы было множество сценариев. Все ли сценарии были для вас равновероятными? Если вы хорошо учились, если вы были настроены на продолжение академ линии своего развития? Варианты работы, ранней свадьбы или армии, выполнении долга в раннем возрасте, вы не рассматривали. Поэтому смотрите на слалйд – новое понятие.

Система в точке бифуркации испытыает состояние аттрактора, когда одни сценарии более вероятны, чем другие. Например, для вас был более вероятен сценарий продолжения учёбы. Но даже внутри этого сценария были варианты. Например, на какое направление поступать. Но даже если вы определились с вариантом, например, юриспруденцией, в какой вуз идти.

Вот в точке бифуркации эволюционный путь системы разветвляется. И от того, какой путь будет выбран, зависит множество случайностей. Вспомните свою историю. В какой вуз вы подавали документы, на какие направления подготовки. Вспомните, что повлияло, например, на выбор юридического факультета московского университета. Это может быть какой-то ролик в сети, случайное знакомство. Я знаю студентов, которые выбирали вуз, потому что они близко живут, им это удобно.

То есть у всех разные факторы. И вспомните, что вы испытали, когда увидели свою фамилию в списках зачисленных. Вы, как сложная система, перешли скачкообразно в новое состояние. Оно характеризуется новой сложность. Помните, говорили, из школы вылететь крайне сложно, а сессии в университете бывают два раза в год, и переход в это, кажется, более устойчивое состояние, он не однозначен. Во-первых назад возврата нет, но на ваше новое состояние могут повлиять множественные разнообразные факторы. Как вы будете учиться, какое направление специализации, профиль, вы выберете. Вы развиваетесь нелинейно. Чем сложнее система, тем сложнее её спрогнозировать.

-------

(дополню слайдами, когда она выложит презентацию)

Больше скорость молекул. Молекулы сталкиваются, при столкновении более быстрой и более медленной, отдаётся тепло от более нагретого слоя жидкости к более холодному. Понятно, что в верхних слоях меньше температура, менее интенсивное движение молекул и если этот градиент становится критическим при взгляде на жидкость сверху возникает визуальная фиксация движения в виде таких цилиндрических или шестигранных ячеек.

Ячейки Бинара. С позиции статистической механики это явление невероятное. Ячейки образуются, когда миллиарды молекул жидкости начинают двигаться согласованно. Впечатление, как будто каждая молекула знает, что ей делать. Пример диссипативности.

Синергетика обозначает совместное действие. На этом примере понятно, что не работают классические законы, это явление другого порядка. Нужен поток энергии извне для нагревания. Это пример открытой системы. Ячейка Бинара – вновь возникшая сложная структура.

Второй пример – химические часы. Реакция Белоусова-Жаботинского. Определенный раствор при достижении определенной концентрации начинает самопроизвольно менять цвет (см слайд) и формировать новые структуры. Возникает упорядоченность в пространстве и времени. Извне должен быть приток реактивных веществ и тогда реакция может продолжать сколь угодно долго.

Еще пример из физики. Самоорганизация в гидродинамике. Исследования вихрей, которые возникает при обтекании жидкостью движущихся объектов (автомобилей, самолетов, судов). Геометрия объекта важна для вихрей. Вихри имеют большое значение. Чем больше диаметр движущегося объекта, тем при меньшей скорости начинают формироваться вихри. Это нужно учитывать, если судов, самолетов или машин несколько.

Еще пример – как работает лазер. Лазер – твёрдый стержень, в который внедрены особого типа атомы. Стержень - среда, на концах установлены зеркала, в которой атомы возбуждаются извне. Каждый атом испускает цуги волн, зеркала на концах эти волны ловят, накладывают друг на друга и возникает мощных лазерный луч. Единый гигантский цуг волн. Микроскопические свойства лазера отличаются от его макроскопических свойств. Самоусложнение.

Формирование общественного мнения зависит от множества факторов, среди которых нужно учитывать нелинейность и психологию людей. Слайд – опыты Соломона Аша. Группа из 10 «испытуемых»: 1 человек испытуемый, 9 помощников. Сказать, отрезок х с какой длиной из представленных отрезков совпадает. Поскольку 9 человек были помощника, а 10 об это не знал, в первом опыте помощники давали правильный ответ, и испытуемый тоже. В последующих опытах помощники давали неправильный ответ. В 60 процентах случаев принимал неверную позицию помощников. Мнение людей вокруг нас влияет на нашу позицию, мы хотим проявлять конформность к мнению других.

Даже если свидетели не знают друг друга, их нужно изолировать, чтобы позиция одного не влияла на позицию другого. Если значимые для нас люди – то не согласиться еще сложнее.

В еще одном опыте, из 9 помощников один давал правильный ответ, остальные неправильные. Когда спрашивали испытуемого, всего в 6 процентах случаях человек поддержал большинство. Это говорит о том, что мы очень нуждаемся в поддержке. Если есть в окружении кто-то, кто нас поддерживает – нам это очень важно. Если группа референтно значима, то конформность увеличивается.

Например, если все говорят, что естествознание – дурацкий предмет, то мы не склонны проявлять собственную позицию и включать рациональный аргументы J)))))))))))

Примеры самоорганизации систем разной природы: ¡ рост кристаллов; ¡ формирование живого организма; ¡ образование форм растений и животных; ¡ динамика популяций; ¡ пространственно-временные структуры в электрической активности сердца и мозга; ¡ образование уличных пробок, ¡ развитие рыночной экономики, ¡ формирование культурных традиций и общественного мнения, ¡ демографические процессы.

Какие разные явления объяснимы с помощью синергетики (слайд с пробками).

Слайд – условия протекания процесса самоорганизации в системах. Чтобы система самоусложнялась, она должна быть:

1) Несимметричной

2) Открыта – обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

3) Неравновесная – состояние термодинамического неравновесия. Стремится удалиться от максимальной энтропии.

4) В системе должны быть флуктуации

5) Должна быть положительная обратная связь

6) Множество элементов

Предтече подхода о том, что система, состоящая из небольшого количества однообразных элементов развиваться не будет – позиция ученого Богданова (Малиновского). Один и крупнейших теоретиков революционной России, создатель станций переливания крови, учения тектология Богданова. Пострадал за то, что свои взгляды перенес в политику. Говорил, что попытка всех уравнять – путь к неустойчивости.

Синергетическая интерпретация мира – новый философский взгляд. В обобщенном мире синергетика показывает – хаос может быть конструктивен. Развитие происходит через неустойчивость. Нестабильность – скорее правило, чем исключение. Желать стабильности – не понимать сути процессов, которые происходят в сложных системах. То, что описывала классическая наука – линейность, закрытость – это модель, упрощение. Развитие большинства систем носит нелинейных характер.

Развитие осуществляется через случайный выбор из ряда возможностей под действием случайных факторов. Случайность встроена в механизм эволюции сложных систем. Варианты, которые не реализовались нельзя характеризовать как худшие по сравнение с темы, которые реализовались. То, что вы выбрали под воздействием случайных фактором, например, юрфак МГУ, не факт, что этот выбор лучший, просто ситуация необратима и в прошлое мы не вернемся. Чем сложнее система, тем сложнее предсказать судьбу индивида. Если родились бы 100 лет назад в деревне? Было бы намного меньше социальных ролей, чем у жителя современного мегаполиса. Больше степеней свободы. Чем сложнее общество, тем большее количество факторов влияет на его будущее. Микроизменения приводят к макропоследствиям. Диссипативность.

Слайд: Значение синергетики: ¡ исследует самоорганизующиеся процессы и тем самым способствует раскрытию единства и взаимосвязи между неживой и живой природой. ¡ дает возможность изучать процессы усложнения и эволюции материи с точки зрения ее самоорганизации на разных уровнях ее развития. ¡ философско-мировоззренческое значение: ее выводы и результаты служат естественнонаучным подтверждением самодвижения и внутренней активности материи

Синергетика показывает, что хаос и сложность – две стороны одного процесса. Если люди стремятся к порядку на одном уровне, это не означает, что везде будет порядок. Где-то может возникнуть хаос. Поэтому социум развивается как сложная система благодаря действиям людей, основанным на индивидуальном выборе. Не на алгоритме, а на выборе. Например, выбор вакцинации как ценностный выбор. Огромное количество ситуаций, где можно делать выбор. Когда мы делаем выбор, нам не даны условия. Сложная система – череда тонких и сложных взаимодействий. Система действует так, что отдельные действия отдельных элементов не нарушают целостность. Если кто-то сейчас отключится от лекции, она продолжится. В сложных социальных системах механизмы действуют так, что чтобы одни альтернативы делает предпочтительнее, чем другие. Сложные социальные системы далеки от равновесия. Их устойчивость возможна только в динамическом взаимодействии. Устойчивость канатоходца.

В начале следующего семестра будем говорить о том, что кроманьонец победил неандертальца в ходе эволюции в межвидовой борьбе. Если бы победили неандертальцы, то неандертальские антропологи сейчас убедительно бы доказывали, что победа была предопределена. Но мы – потомки кроманьонцев. Мы считаем, что кроманьонцы победили не случайно, потому что они пошли по пути развития социальных связей, а не поддержания значимости биологических факторов эволюции. Каждое событие в сложной системе всегда вызывается множественными причинами, среди которых даже случайные по отношению к магистральной линии развития факторы могут быть значимы. Если мы имеем дело с коллективными действиями людей, то каждый человек сталкивается со свободой выбора другого человека. Вместе с синергетикой в мир приходит понимание того, что есть единство закона. Органического и неорганического мира, природы и социума. Синергетика вырабатывает такие понятия, которые применимы к любым развивающимся системам. Нельзя представлять общество как машину, которая действует по объективным законам. Только как сложную синергетическую систему.

Со слайда:

Возникновение синергетики означает начало новой научной революции, так как она меняет стратегию научного познания и ведет к выработке принципиально новой картины мира человека и новой интерпретации фундаментальных принципов естествознания. Синергетика обращается к процессам самопроизвольного возникновения упорядоченности в открытых системах, анализирует роль неустойчивости, неравновесности в процессах усложнения систем

Лекция 11. 24.04.21. Группа 1. Тема 6. Концепция эволюционизма в современной науке.

В начале мы описали, что такое наука, как она развивалась исторически, какие характеристики современной науки. Мы говорили о концепции космологии и космогонии, концепции происхождения и сущности жизни, о системном подходе. Сегодня концепция эволюционизма. Концепцию эволюции в школе изучают все. Ж. Ману сказал: “Каждый думает, что понимает концепцию эволюции”. Наша задача-сверить то, как вы понимаете концепцию эволюционизма со взглядами современной науки. Концепция занимает особое место в ряду других научных концепций, потому что эволюционизм-это общий взгляд на любой объект современной науки. Любой объект для современной науки не только представляет систему, но и развивающуюся, эволюционирующую систему. Поэтому, сложившийся эволюционизм на сегодняшний день стал общенаучной методологией. Эволюционизм-спект в разной степени обоснованных концепций и очень влиятельное научное направление.

«Ничто в биологии не имеет смысла иначе как в свете эволюции»

Дэниел Деннет - американский философ и когнитивист, специалист в области философии сознания, философии науки и философии биологии.

«Дарвинская логика относится не только к генам. Все больше и больше самых разных мыслителей начинают отдавать ей должно. Эволюционная экономика, эволюционная этика, эволюционные подходы в социологии и даже в точных и в гуманитарных науках… Я воспринимаю это как философское открытие, и оно, несомненно, ошеломляет».

Денет описывает эволюционизм как научную эволюцию, как открытие, методология которого применима в разных дисциплинах.

Понятие "эволюция".

Эволюционная теория ныне не рассматривается как единое описание однозначного пути развития, который наукой познан до конца, скорее эволюционизм в современной науке – это спектр в различной степени обоснованных концепций.

Эволюция подразумевает всеобщее постепенное развитие, упорядоченное и последовательное. Эволюцию применительно к живому описывают как развитие сложных организмов из предсуществующих более простых. Термин эволюция может означать как сам процесс, так и результат.

Не только универсум, сама жизнь человека есть часть вселенной, поэтому в обыденной жизни у человека не всегда возникает желание порассуждать о проблемах эволюции. Время существование человечества очень мало. Когда люди начинают размышлять об эволюции, часто возникает чувство малой ценности человеческой жизни на фоне глобальных эволюционных масштабов. Лем в “Солярисе” хорошо показал, что когда человек выходит за пределы атмосферы, у него формируется особое чувство единения со всем сущим во всех областях пространства и времени.

Мироощущение человека, который воспринимает жизнь как протяженный во времени, но малый фрагмент всемирной истории единого эволюционного процесса будет отличаться от мироощущения человека, который не задумывается над этой проблемой. Изучая эволюцию мы не просто познаем развитие природы, мы пытаемся понять, что такое человек, каким будет будущий человек. Это вечные вопросы, которые выходят за пределы ограниченного во времени проживания здесь и сейчас.

Биология на рубеже 18-19 веков.

Вопрос о причинах и факторах эволюции волновал людей с глубокой древности. К 19 веку сформировались предпосылки, чтобы в науке сформировался научный эволюционистский подход. Биология на рубеже веков, развиваясь в рамках классической науки, собрала много фактов. Без классификации, факты обрушат любую науку. когда биология стала пытаться сформировать объяснение,оказалось, что ряд фактов противоположны друг другу. Был, зафиксирован, как факт сходства организмов, так и факт того, что живое представлено дискретными (различающимися) формами. То есть и различие и сходство-эмпирические факты. Биология перешла от уровня описания, к построению теорий. Все начинается с гипотезы, потом она подтверждается, становясь теорией.

Накопление биологических фактов поставило задачу классификации. В ходе поисков принципов классификации выявилось естественное единство живых организмов. Формируется понятие об идеальной классификации: отражающая полностью наличное единство живой природы, учитывает его специфику.

Биология воспользовалась гипотезой, известной с Античности. Для того, чтобы объяснить одновременно как эмпирический факт сходства, так и факт различия между организмами, биология воспользовалась Аристотелевским единым планом строения.

Основная суть гипотезы: природа трактовалась как единая в силу воплощения в материи единой формы живого, плана строения.

В ходе построения такой гипотезы, возникло несколько оригинальных идей, которые объясняли единство различных форм живого. Единство понималось как отхождение (топографическое или геометрическое) от некого единого плана.

• В основе развития природы лежал единый план, а изменения положения форм живого приводит к появлению нового биологического объекта.

• Но такое понимание развития как отхождение живой формы от единого плана сразу в готовом виде без конкретных изменений приводило к одностороннему пониманию взаимоотношений между организмами и средой. Среда в этой гипотезе трактовалась как то, что мешает реализоваться совершенству. А это приходило в противоречие с тем, как трактовали свои предметы другие естественные науки.

В новое время лидером наук была механика, которая описывала мир с позиции механизма: целое есть сумма элементов и связей между ними. Соответственно, идея единого плана строения, который был чем-то таинственным, непознаваемым, существенно ограничивала возможности биологии в познании сущности жизни, не давала возможность осознать роль фактора времени, ведь предполагалось, что живое сразу возникает в готовом виде.

Но самое главное, что при таком подходе начинала господствовать идея регрессивного развития природы: от идеального к менее совершенному. Но это не соответствовало тому, как в других областях науки получали подтверждение совершенно другие идеи, что природа развивается от простого к сложному. Ведь эти идеи получили подтверждение в механике Галилея, Декарта, Ньютона, это был такой мейнстрим классического естествознания. А биология из него выбивалась, поэтому в биологии возникла потребность в соответствии с кумулятивными накопительными тенденциями в развитии науки тоже попытаться помыслить живое как развивающееся от наименее сложной организации к более сложной.

• И в биологии возникла точка теоретического интереса: каков действительный механизм эволюции?

Эволюционизм обычно определяют как учение о развитии высших форм организации материи из низших форм естественным путем, т.е. без вмешательства потусторонних сил.

Но это определение не строгое. Латинское evolutio буквально означает не развитие вообще, а развертывание. Наука классическая отделяла вопрос о происхождении, отдавая его философии или теологии, и пыталась ответить только на вопрос о развитии. Почему существует природа? - это вопрос философии или теологии. А вот Как? - на этот вопрос классическая наука считала возможным ответить самостоятельно.

Поэтому, когда мы говорим об эволюционизме в биологии Нового времени, мы должны понимать, что эволюционизм тогда не ставил вопрос о происхождении, а только о разворачивании возникших форм. А вот как они возникли биология могла принимать ответ, даваемый теологами. Поэтому естествознание классического периода изучало не все развитие, а развитие за исключением моментов возникновения данного объекта изучения. Поэтому не ставился вопрос о возникновении Вселенной вообще, о возникновении жизни вообще.

Помните в 4 теме мы видели, что экспериментальное новоевропейское естествознание пыталось работать с отдельными биологическими объектами. И соответственно биология принимала идею того, что природа сотворена Богом. И признавая эту тварность мира, дальше идея развития природы укладывалась в три основных линии:

1. Признавалась неизменяемость биологических видов

2. Признавалась органическая целесообразность, т.е соответствие формы и функций как изначальное свойство природы, как результат творения. Почему все живые объекты целесообразно устроены? Потому что они сотворены Богом.

3. Признавалась идея преформизма - представления об индивидуальном развитии как развертывании, росте готовых, преобразованных частей зародыша. Это идея о том, что индивидуальное развитие есть просто рост, развертывание сложившихся фрагментов зародыша. Этот подход получил в Европе название шкатулярной теории, как в России есть традиция того, что матрешки укладываются одна в другую, так и в Европе было популярным складывать шкатулочки. Согласно преформизму как синониму шкатулярной теории каждый отдельно взятый живой организм только увеличивается в размерах, а все характеристики, свойства наперед заданы.

В рамках преформизма обращено внимание на

1. единство и непрерывность развития

2. протекание в интервалах определенного времени и пространства,

3. постепенность на отдельных участках.

Но преформизм не позволял объяснить как происходит формирование разнообразия форм живого, ведь разные живые объекты качественно отличаются друг от друга. А в рамках механицизма новое качество можно было трактовать только как разрыв постепенности, как отказ от постепенного и непрерывного развития.

Как тогда объяснить факт разнообразия живого? Такие сдвиги привели к тому, что к концу 18 - началу 19 века особенно на фоне осознания роли времени, на фоне обдумывания данных палеонтологии, стало первоочередной задачей внутри биологии сформировать собственную концепцию развития.

Биология не смогла воспользоваться теоретическими объяснениями развития, которые были в механике, я объяснила почему на примере преформизма. Не могла биология воспользоваться и другими развитыми концепциями развития, которые сложились, например в идеалистической философии, потому что классическая немецкая философия Канта и Гегеля позволяла трактовать развитие только применительно к особому миру, идеальному миру, миру общих понятий. И тогда биология, если бы эту концепцию приняла, лишилась бы права описывать сущность.

Соответственно, внутри биологии на рубеже 19 в. стали возникать попытки самостоятельно, не в связи с решениями других проблем, не в связи с развитием науки и естествознания в других разделах, сформировать собственное объяснение. Целый спектр таких позиций возник в начале 19 в. Обозначим некоторые.

Иоганн Вольфганг фон Гёте. Одна из оригинальных концепций развития живой природы принадлежала Гете. Гете известен как человек, который интересовался очень многими вещами, литературой, поэзией, философией, химией, ботаникой, зоологией, и он везде высказал оригинальные мысли. Гете интересно принял участие в дискуссиях относительно связи человека и обезьяны как поэт (у него есть поэма “Прометей”) и как натуралист (он написал отдельную анатомическую работу о межчелюстной кости у человека).

«Ни мифологии, ни легенд нельзя терпеть в науке. Предоставим их поэтам, которые призваны обрабатывать их на пользу и радость мира. Человек науки пусть ограничивается ближайшей, ясной действительностью.»

Иоганн Вольфганг фон Гёте (1749-1832)

До Гете считалось, что у орангутанга по обеим сторонам носовой впадины проходит костный шов, соединяющий межчелюстную кость с челюстью, а у человека нет. Гете провел сам анатомические исследования и доказал, что у человека тоже есть такая кость, но не у взрослых, а у человеческого зародыша.

То есть на базе эмпирических наблюдений он проводил мысль о том, что биология должна перейти от описания (например, описание анатомического) к сравнению. Сравнение даст нам возможность увидеть четко черты сходства между биологическими объектами и черты различия. И эти эмпирические факты надо объяснить.

Жан Батист Ламарк.

Первую оригинальную концепцию эволюции в биологии создал французский биолог Жан Батист Ламарк. Он тоже ученый разносторонейших взглядов, автор метеорологических работа, описания флоры Франции, автор ботанического словаря. Человек трагической судьбы, в последние годы жизни он полностью ослеп, не сохранилась его могила, потому что у его родственников не было даже средств на погребение.

Ламарк считал, что процесс изменения живой природы происходит от простого к сложному. Эту закономерность он назвал принципом градации. По принципу градации можно расставить всех животных по лестнице, от самых простых до самых сложных.

Реализация этого принципа градации становится возможным благодаря тому, что каждый организм в силу творения природы получил внутреннее стремление к совершенству. Это имманентное свойство живой природы - стремление к совершенству - Ламарк считал первичным. Дальше, когда организм вступает во взаимодействие с окружающей средой, Ламарк предположил, что среда, воздействуя на организм вызывает приспособление. Все животные по Ламарку кроме низших обладают внутренним чувством, которое заставляет их действовать целесообразно.

Помните как Ламарк объяснял возникновение длинной шеи у жирафа - изменение среды, например, жираф не может дотянуться до листочков, которыми питается на нижней части кроны, тогда у жирафа возникает альтернатива - либо ничего не делать и погибнуть, либо интенсивно использовать те органы, которые у него есть, например вытягивать шею. Дальше Ламарк говорит, что интенсивные упражнения вызывают развитие этого органа, а если орган не используется, то он атрофируется, деградируется.

Так, Ламарк объяснил эволюцию с помощью двух законов.

1 закон - закон упражнения/неупражнения органов. Он привел массу примеров, что например, пытаясь сделать эффективный гребок, водоплавающие птицы растопыривают пальцы и у них таким образом формируется перепонка. Или камбала от долгого лежания на дне обретает плоскую форму. Дальше Ламарку нужно было объяснить, почему возникшие изменения передаются по наследству. И он сформулировал в своей гипотезе второй закон

2 закон - передача по наследству благоприобретенных признаков. Поскольку на момент работы Ламарка наука ничего не знала о наследственности, Ламарк не смог подкрепить свой второй закон какими-то примерами. Он ввел этот закон как необходимый в структуру своей гипотезы. Нечто подобное мы увидим у Дарвина, потому что уровень знаний о наследственности у Ламарка и у Дарвина был близкий.

Ламарк - значимая фигура в истории биологии, потому что это первая по времени появления законченная концепция эволюции. Он в целом правильно охарактеризовал развитие природы как прогрессивный процесс, но посчитал, что воздействие среды связана только с работой в связке с внутренним стремлением к совершенству. Объяснять эволюционный процесс через отсыл к имманентному внутреннему свойству стремления к совершенству это значит для биологии то, что нужно прибегать для познания сущности к ненаучным средствам. Напоминаю, что причина этого стремления к совершенству - креационизм.

Ошибочным оказались взгляды Ламарка на наследственность, потому что как показывают данные современной генетики передается только размах изменчивости признака - нормы и реакции, а вот конкретная точка, количественное проявление признака (длина шеи, баллы IQ, рост, вес и т.д.) формируются только в результате взаимодействия наследственности и среды. Молекулярная природа наследственности исключает возможность передачи по наследству появившихся у отдельного организма признаков. Но во времена Ламарка эти взгляды были не очень распространенными.

Я вам напомню известную сказку Пушкина. Мачеха смотрит на свою падчерицу и говорит: “Вишь какая подросла! И не диво, что бела: Мать брюхатая сидела Да на снег лишь и глядела!”. Это восприятие некоего внешнего воздействия (белизны снега и от этого якобы рождение ребенка с белой кожей) вы можете найти в самых разных источниках - в старых английских анекдотах, когда дама ходила в галерею смотреть на конную статую, чтобы ребенок родился похожим на всадника, а ребенок родился тем, на чем всадник сидел. Интересно, что до сих пор при низком среднем уровне генетических знаний населения, идея воздействия на организм при жизни скажутся на следующих поколениях распространяется намного дальше, чем те факты, которая наука признает. Да, действительно, влияет воздействие радиации, других факторов среды, но только, если это воздействие попадает в половые клетки, то это воздействие может проявится в следующих поколениях. Но молекулярная биология показывает, что мы не наследуем загорелую кожу, знание иностранного языка, накаченные мускулы или утраченные в результате травм конечности. Прояснение современной наукой генетических знаний, знаний о наследственности является фактором, который существенно трансформирует эволюционизм. Именно потому, что первые развернутые концепции эволюционизма не могли учесть уровня знаний молекулярной биологии. В этом пункте Ламарк и Дарвин похожи

Чарльз Дарвин. То, что сделал Дарвин в истории науки, можно охарактеризовать как научную революцию. Вспомните 2 характеристики научной революции из темы по космологии.

Дарвин происходит из семьи потомственных врачей, в школьные и университетские годы особых успехов не проявлял, бросил учебу на медицинском факультете Эдинбургского университета, потому что занятия в анатомичке вызывали у него отвращение. Поступил в Кэмбридж и закончил учебу на богословском факультете, потому что там лучше всего преподавали естествознание. С 1831 по 1836 г. отправился в кругосветное путешествие в качестве пастера на корабле Бигль, который имел военные задачи. В ходе путешествия он увлекся собиранием коллекции, он был в восторге от огромного биологического разнообразия видов в тропической Бразилии, от 5-дневного пребывания на Галапагосских островах. Во время путешествия читал трехтомное издание “Основы геологии” Чарльза Лайеля, где описывалась эволюция земли. Затем в ходе обработки коллекций, возможно под влиянием идей об эволюции неживой природы, он написал несколько работ, предопределившие избрание Дарвина членом Лондонского королевского общества. Во время путешествия он заразился тропической лихорадкой, которая мучила его всю жизнь. Он считал, что он человек средних способностей, но всю жизнь работал по жесткому распорядку и считал, что только правильно организованное время позволило достичь ему больших успехов. Он относился к себе критически, а на корабле его прозвали Мухоловом или философом. Потом его называли святым от науки. Письма свои Дарвин часто подписывал как “Глупец”.

Концепция эволюции считается одной из научных революций, потому что (2 характеристики научной революции):

1. Эта концепция кардинально поменяла научные взгляды

2. В силу влияния, которое концепция эволюционизма Дарвина оказала на понимание человеком своего места во Вселенной.

Вы видите карикатуру на Дарвина, которые были распространены в Европе в то время. Однажды у нее на лекции сидел ее коллега и удивился тому, что она показывает такие карикатуры студентам.

На этом примере хорошо видно, что развитие науки затрагивает отношение человека к самому себе и оказывает значительное влияние на его мировоззрение.

Еще пример, когда книгу Дарвина издавали на русском языке. Председатель комитета по печати Михаил Лонгинов решил в издании книги отказать.

Прогрессивная общественность реагировала доступными способами: в частности, стали ходить памфлет: ‘’Полно Миша, что я слышу, молвят, будто Мишу обижает Дарвина система’’.

Сегодня много споров о статусе Дарвинизме:

Якобы Дарвинизм не выполняет функцию предсказания обязательную для любой науки;

Якобы Дарвинизм противоречит фактам;

Якобы Дарвинизм противоречит генетике.

В любом случае, Дарвинизм крайне интересен в силу своей структуры. К. Поппер называл Дарвинизм метафизической исследовательской программой. Суть в том, что в философии науки исследовательская программа существует даже если есть факты ей противоречащие.

Сейчас подробно рассмотрим Дарвинизм и аргументы против него.

Ламарк принял как данность изначальную целесообразность строения и функционирования организмов, а Дарвин поставил под сомнение, что эта целесообразность изначальна, он попытался показать ее как возникающую.

Заслуга Дарвина в том, что он установил пределы гипотезы. Дарвин не решали вопрос о происхождении жизни. Для ученого очень важно четко, в первую очередь для себя, обозначить, какую научную проблему ученый решает. Вот Дарвин жестко ограничил границы своей гипотезы, он попытался раскрыть только вопрос о путях возникновения видов, т.е. о причинах разнообразия форм жизни. Дарвин не ставил вопрос о раскрытии механизма возникновения жизни вообще, его часто за это критикуют и беспочвенно. Дарвин какую задачу пытался решить, такой результат и получил.

Весь механизм изменения живого мира Дарвин связал с адаптацией, т.е. весь процесс эволюции это адаптациогенез.

Адаптация (позднелат. adaptatio – приспособление, прилаживание; от лат. adapto - прилаживаю) – совокупность морфофизиологических, поведенческих, популяционных и других особенностей данного вида, обеспечивающих возможность специфического образа жизни в определенных условиях внешней среды.

В широком смысле адаптациогенез – процесс эволюции как формирование целесообразности в устройстве и функционировании организма.

Если у Ламарка единица эволюционного процесса — это организм, то Дарвин мыслит на уровне популяций, групп организмов. Виды для Дарвина не только изменяются во времени, они связаны дуг с другом происхождением от общих предков, т.е. эволюция рассматривается как естественный процесс, как процесс постоянный и существующие виды обладают такими свойствами, которые являются результатом исторического процесса дивергенции, т.е. расхождения от предковых форм.

Как Дарвин пришел к таким выводам? Дарвин обратился к анализу соотношения темпов размножения и количества особей определенного вида в природе. Дарвину было известно, что процесс размножения любого вида растений, животных происходит в геометрической прогрессии. Еще Линней просчитал, что если какое-то однолетнее растение производит только по два семени, то через 20 лет потомство только одного растения будет составлять миллион экземпляров. Дарвин произвел аналогичный расчет для в общем-то мало плодовитого животного такого как слон и оказалось, что потомство только одной пары слонов через 750 лет составит 19 млн особей, но столько особей в природе не наблюдается

Дарвин зафиксировал разницу между возможностями размножения и реальной численностью. И эту разницу он объяснил ограничивающими численность факторами: неблагоприятный климат, эпидемии, недостаток пищи, отношения внутри и между видами

В результате избыточной рождаемости, подумал Дарвин, между организмами в природе возникает конкуренция и это явление Дарвин назвал борьбой за существование.

Принято выделять три разных формы борьбы за существование:

1) Борьбу с факторами небиологического происхождения;

2) Межвидовую борьбу;

3) Внутривидовую борьбу (Наиболее острой и важной для эволюции является внутривидовая борьба, поскольку, особи одного вида характеризуются сходными запросами в отношении окружающей среды).

Лектор отмечает, что студенты часто ошибочно в виде примера межвидовой борьбы указывают на отношения ‘’Хищник-жертва’’. Межвидовая борьба имеет место лишь если два вида имеют пересекающуюся экологическую нишу. Так, человек завез в Австралию собак, они одичали и стали ‘’дикими собаками Динго’’ и этот подвид повсеместно вытеснил сумчатого волка. Другой пример, завезенные кролики и кенгуру.

Борьба за существование ставит разные особи в разное неравное положение, потому что особи отличаются друг от друга по любому набору признаков – это явление изменчивости.

Индивидуальные изменения, которые облегчают выживание, обеспечивают их носителям преимущество, в результате чего чаще выживают и чаще оставляют потомство, более приспособленные к определенным условиям жизни особи, а слабейшие с большей вероятностью погибнут или будут устранены от скрещивания, вот это явление Дарвин назвал естественным отбором.

Лектор отмечает, что есть проблема круга в определении: Кто выживает? Наиболее приспособленный. Кто наиболее приспособлен? Тот, кто выживает.

Итак, приспособительный характер эволюции, эволюция как адаптациогенез, достигается путем отбора из множества случайных изменений, которые облегчают выживание в конкретных условиях среды.

Почему все особи разные? Дарвин не мог детально это объяснить, он говорил только о том, что эта разница факт и о том, что приспособленность организмов имеет относительный характер, т.е. то, что полезно в одних условиях может быть бесполезно, даже вредно, в других.

В теории Дарвина есть уязвимые места:

1) Понимание вида у Дарвина, вида не существуют раз навсегда данными, а изменяются.

Достоинство дарвиновской теории в том, что это положение введено в логическую структуру в виде теоретически обоснованного вида и трудностью для Дарвина было не в том, чтобы эмпирически показать изменяемость вида, а в том, чтобы этот факт изменчивости видов выразить логически. Эволюционизм – это теоретический уровень биологии, это объяснение. Как с этой проблемой Дарвин справился? Дарвин дал определение вида, как резко обозначившейся разновидности, но такое определение одно из возможных, если применить другие, то данный тезис не выдержит критики.

2) В концепции Дарвина есть такое основоположение, по крайне мере, некоторые изменения, возникающие в организме при его жизни, наследуется.

Сам Дарвин это положение теоретически не обосновывает, молекулярные основы наследственности во время жизни Дарвина еще не были известны. По Дарвину, почему такая формулировка, некоторые изменения наследуются, потому что Дарвин говорит, мы не знаем причин, вызвавших эти изменения.

В качестве ‘’доказательства’’ он пытался использовать метод противоречивых примеров. Суть метода в том, что в качестве доказательства предъявляется перечень явлений, объяснением для которых служит некое единое априорное допущение, чем больше таких явлений примеров удавалось отыскать, тем более убедительным считалось доказательство.

Однако Дарвин вскоре был вынужден отступить под напором кошмара Дженкина. Дженкин – это британский инженер и физик, который в 1867 году проанализировал дарвиновские представления о наследовании. Наследственность осуществляется непрерывным образом.

Дженкин создал пример, используя положение Дарвина, что наследственность осуществляется непрерывным образом.

Он рассуждал так, представим, человек с белой кожей попал на африканский континент, признаки белого человека, в том числе, белизна кожи будут по Дженкину так, если он женится на негритянке, то у их детей будет половина признака белизны, поскольку, белый человек на континенте один, то его дети будут вступать в брак с чернокожими и доля белизны будет убывать асимптотически. Единица, одна вторая, одна четвертая, одна восьмая, одна шестнадцатая, т.е. эволюционного значения признак иметь не будет, ибо какое значение будет иметь 1/16?

Дженкин обратил внимание на то, что положительные свойства, которые могли бы способствовать приспособлению к среде, встречаются очень редко и если даже у кого-то этот признак возникнет, то это особь с малой вероятностью встретится с такой же особью, с таким же изменением признака и признак в поколениях рассеется.

Дарвин не смог объяснить кошмара Дженкина. Сейчас бы мы возразили, мы понимаем, что наследование не происходит непрерывным образом, гены – это локальные молекулярные структуры, они не перемешиваются при наследственности и нельзя говорить о выражении признака одна вторая, одна шестьдесят четвертая, но Дарвин этого не знал.

3) Дарвин исходил из того, что Естественный отбор всеобъемлющ.

Но если показать, что борьба за существование не всеобщая, падет тезис о естественном отборе на это обратили внимание русские ученые, особенно Кропоткин, который имел не меньше, чем у Дарвина опыт наблюдений в природе. Кропоткин познакомился с работами петербуржского профессора Кеслера, который утверждал, что в природе большое значение, помимо закона взаимной борьбы, имеет закон взаимной помощи.

Теперь обратимся к доказательствам эволюционной теории. Еще в 20 веке теория эволюции была расширена и дополнена за счет современных данных конкретных биологических наук: генетики, молекулярной биологии, экологии, этологии. Поэтому современная эволюционная теория – это некоторая совокупность гипотез об органической эволюции, которая происходит путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Современная наука обладает хорошо подкрепленными фактами-гипотезами, которые в совокупности и создают, достаточно обоснованную эволюционную концепцию. Сведения, которые подтверждают современные представления об эволюции, поступают из разных источников. Некоторые события, приводимые в качестве доказательства эволюционной теории, могут быть воспроизведены в лаборатории, однако это не означает, что они действительно имели место в прошлом. Любое доказательство есть свидетельства только возможности протекания тех процессов, которые описывает эволюционизм. В это и сила, и одновременно слабость эволюционизма. Рассмотрим основные источники данных, которые сегодня считаются подтверждающими теорию эволюции.

Первый источник доказательств: Палеонтологические данные

Палеонтологические данные подтверждают факт прогрессивного возрастания сложности организмов и отвергают представления о неизменности видов.

Однако палеонтологические данные не полны, нет сведений о переходных, промежуточных формах между большими организмов и одно из главных возражений против использования ископаемых останков для доказательства эволюции – это факт прерывистости палеонтологической летописи. Т.е. в палеонтологической летописи есть разрывы и эти недостающие звенья для противников дарвинизма считаются основаниями для того, чтобы признавать концепцию образования новых форм жизни путем естественного отбора. По мнению противников дарвинизма, которые строят свои взгляды на палеонтологии, скорости эволюции варьируются, некоторые новые виды могут возникать очень быстро, скачкообразно и именно это приводит к неполноте палеонтологической летописи.

Второй источник доказательств – биологическая систематика. В рамках систематики организмы получают наименование, организмы определяются в группы. Биологическая номенклатура основана на системе, основоположником которой является Карл Линней

Существует два типа классификации: искусственные и естественные.

Искусственные типы классификации основываются на утилитарных задачах по каким-то легко распознаваемым признакам произвести классификацию объектов. Такие классификации используются при ограниченном числе узкоспециальных задач. Примером искусственной классификации может служить классификация животных, приведенная аргентинским писателем Борхесом, который говорил, что ему доступна некая энциклопедия, где животные делятся на принадлежащих императору, бальзамированных, прирученных, молочных поросят, сирен, сказочных животных, бродячих собак и нарисованных очень тонкой кисточкой из верблюжьей шерсти, издалека кажущихся мухами. Но в науке классификация должна быть естественной

Естественная классификация строится по критерию, заложенному в его основу, и она может быть либо фонетипической по внешним свойствам, но сегодня в основном в биологии используются филогенетические классификации, которые отражают эволюционные связи, которые возникают между организмами в процессе их происхождения. При построении такой систематики, предполагается, что организму, который относится к одному таксону, имели общих предков. Поэтому связь между организмами можно представить в виде родословного дерева, древа, тогда черты сходства и различия между организмами можно объяснить, как результат адаптации в пределах одной таксономической группы к определенным условиям среды на протяжении некоторого периода времени.

Филогения живых существ или древо жизни соответствует представлениям в науке о степени родства организмов, о том, как шла эволюция. Фактически, современная систематика является той основой, на которой новые знания об организмах буквально могут быть дополнены вот эти представления об эволюции. Когда мы знаем свойства того или иного вида, с помощью филогенетической классификации мы можем судить о свойствах родственных существ, проследить эволюцию признака. Это имеет не только теоретическое значение, но и прикладное значение, н-р, в медицине фармакология, филогенетические, систематические построения используются для того,

чтобы понять, откуда были завезены те или иные вирусы, какие лекарства на них действуют лучше и т.д.

Следующий источник доказательств для эволюционизма - практика селекции. Дарвин знал о практике английских селекционеров по выведению пород домашних животных (голубей, например).

Говоря об искусственном отборе, современная наука делает это в генетических терминах. Можно сказать, что современная биология подводит генетическую базу под идею отбора: обсуждая отбор в генетических терминах (искусственный отбор) можно сказать, что человек отбирает особи с теми генами, которые желательны для его целей, и элиминирует те гены, на базе которых формируются неустраивающие признаки. Соответственно, по аналогии с искусственным отбором можно трактовать и естественный отбор. Только в роли человека здесь выступает природа. Выступает борьба за существование, а результатом этой борьбы является естественный отбор Еще один источник доказательства - сравнительная анатомия. Когда мы сравниваем анатомическое строение разных групп животных, видно, что у разных организмов есть общая структура, которая модифицируется в результате приспособлений. И, соответственно, наличие сходства на анатомическом уровне трактуется как происхождение видов от одного общего предка. Плюс это доказательство связанное с тем, что у определённых видов сохраняются структуры, не несущие никакой функции - рудиментарные органы. Ещё один источник доказательств - эмбриональное развитие. Мы обсуждали закон Геккеля (и его фальсификацию), но современная наука подтверждает то, что организм повторяет эволюционную историю группы, к которой этот организм относится. Соответственно, на протяжении первых нескольких месяцев своего развития в утробе матери человек проходит эволюционные стадии такие, как обладание жабрами, хвостом. Идея эмбрионального поведения. Следующий источник доказательств - биохимия. По мере уточнения методов биохимического анализов появляются данные в пользу эволюционизма. Особенно с 1986 в этой области был осуществлен прорыв, когда была открыта ПЦР (полимеразная цепь реакций), с помощью которой можно было выделить участок ДНК и полностью расшифровать его структуру. Вот сравнение последовательности ДНК организмов позволяют выделить те изменения, которые произошли после отделения на общем древе эволюции от общего предка тех ветвей, которые ведут к современным видам. Вот если мы сравним современного человека и шимпанзе, то общность генов составляет 97-98% процентах. Т.е. мы различаемся всего двумя нуклеотидами. Это означает, что мы произошли от одного предка, произошли недавно, и изменения ещё не успели накопиться. Сравнение птиц и млекопитающих даёт всего 15-45 %. Значит, был общий предок, но изменения существенные и успели накопиться. Вот особую надежду возлагают на сравнение генома человека с геномом шимпанзе. Ещё раз подчеркну, что все доказательства только подтверждают принципиальную возможность рассматривать эволюцию в рамках той модели, которую писал Дарвин. Всё эти данные только подтверждают доводы о существовании эволюции. И вот это, наряду с особенностями самого дарвинизма, провоцируют на многочисленные антидарвиновские построения. Основное отличие таких построений в том, что они отрицают творческую роль естественного отбора, утверждают, что наиболее существенные эволюционные изменения происходят в результате случайных событий, а адаптации возникают случайно и скачкообразно, а вымирание отдельных видов носит случайный характер (вымирают не те, кто наименее приспособлен). Среди них отмечу концепцию катастрофизма (очень популярную сегодня), которая существует в двух разновидностях: земного (когда причиной эволюции природы связываются с событиями на земле; об этом писал ещё Гете в “Фаусте”) и космического (который описывает в качестве причин изменения живой природы катастрофы космического масштаба - это одно из проявлений космизации науки). Л. Альварез и его сын рассчитали, что диаметр такого астероида должен быть около 10 км, рассчитали, сколько пыли поднимется в результате его удара о землю, сколько она будет не оседать и т.д. Ни одна из катастрофических концепций не объясняет смысла тех процессов, которые происходили после критического периода. Да, возможно, такие катастрофические события и были, но почему, например, некоторые организмы пережили катастрофу, а некоторые - нет? Концепцию катастрофизма это не объясняет, в результате чего приходится прибегать к классическому эволюционизму. Но интересно, что концепции катастрофизма (в частности, построение моделей, что будет с Землёй в результате падения астероида) в сопоставлении с моделями т.н. ядерной зимы впоследствии крупномасштабного ядерного взаимного удара привели к тому, что по экологическим основаниями изменилась мировая политика. Концепция ядерной зимы базировалось на опыте “ковровых” бомбардировок, осуществляемых англо-американской авиацией в ходе ВВ2. Тогда отдельные очаги пожара сливались в т.н. огненные торнадо, в которых сгорал даже металл, а воздушный поток поднимал продукты горения на колоссальную высоту, разнося пылевые частицы по всей планете. Вот аналогия в моделях экологических последствий катастрофизма и ядерной зимы используются сегодня при анализе концепций эволюционизма и антидарвинизма. Конечно, есть и некая симметричность того внимания к космосу и внимания к этим вариантам антидарвиновским концепциям. В любом случае любая концепция эволюции должна отвечать на два принципиальных вопроса: случайно или с необходимостью происходит эволюция? Под действием факторов внутренних или внешних происходит эволюция? Дарвинизм говорит про внутренние факторы, катастрофизм - о внешних. В любом случае, современная наука не отрицает эволюцию - она признаётся. В современной науке дискутируется каким путём эволюция происходит, насколько значим естественный отбор и т.д.. Одна из точек роста современной науки - это дискуссия о соотношении процессов микро- и макроэволюции. Эта проблема возникла в конце 20 века. В чём суть? Дарвиновская концепция - это, по сути, микроэволюционизма. Микроэволюция - это совокупность эволюционных процессов, которая ведёт к формированию новых видов. Но биологическая систематика использует единицу “таксонов” на надвидовом уровне - т.е. семейство, отряд, подотряд, подкласс, класс, тип и т.д. И отличаются вот эти таксономические группы качественно (теплокровные и холоднокровные и т.д.). И вот эти отличия между таксономическими группами вызываются макроэволюционными процессами. И возникла дискуссия: макроэволюция действует таким же путём, как и микроэволюционные изменения, распространив идею борьбы и на макроэволюционные процессы. Или в силу разницу масштабов мы должны предположить какие-то разные механизмы? Некоторые даже предлагают наложить запрет на построения макроэволюционные, потому что научным мы можем считать только то, что приближает к наблюдению и эксперименту. А макроэволюционные преобразования ненаблюдаемы, и они происходят в иных масштабах времени. Если мы будем описывать современные представления об эволюции мы должны соединить данные о наследственности и дарвиновское описание механизмов эволюции. Отмечу, что, когда возникла генетика, не удавалось соединить данные, полученные генетикой, и учение Дарвина. Дарвин работал на популяционном уровне: объект его концепции - популяции. Генетика открывала всё на уровне индивидуальном. И потребовалось 30-40 лет на то, чтобы генетика уравняла свой объект с объектом дарвинизма - возникла популяционная генетика. Возникла т.н. синтетическая теория эволюции. Название происходит от слова “синтез”. Синтез в науке - поиск общей методологии и поиск общих понятий. Вот это соедине дарвинизма и генетики показывают, что эволюционизма в виде дарвинизма есть перспектива, даже несмотря на очевидные проблемы в концепции дарвинизма. Костяк современной науки - это дарвинизм. Глобальный эволюционизм. Мы говорили, что СЕ - это совокупность отдельных наук о природе либо как целостная наука о природе (характерно для Античности - до того момента, как наука начала дифференцироваться). А вот сегодня ставится задача максимально соединить знания, полученные в рамках отдельных дисциплин в некоторые обобщающие картины. И вот глобальный эволюционизм - это попытка вписать ранее созданные локальные объяснения объектов неживой природы в некую общую логику. Это общая рамка получила названия “глобального эволюционизма”. Основная идея: эволюционируют не отдельные объекты, а эволюционирует вся Вселенная. И направление эволюции - это увеличение сложности. При этом во Вселенной возникает биологический вид хомо сапиенс, который может не только познавать, но и преобразовывать Вселенную. У человека есть некоторый канал развития, и человек должен придерживаться этого канала, потому что разрушение границ существования нашего вида, разрушение границ “природа - общество” через техническое развитие может быть опасно для разнообразия. У этой позиции есть сторонники, которые предлагают всю международную политику увязывать на концепцию глобального эволюционизма. На её основе предлагают создавать наднациональное законодательство в части ограничения выброса CO2. Или, например, ограничение на создание рекомбинантных ДНК. Или же ссылки на ограничения, которые нужно наложить на использования методов трансформации геномов с передачей этих изменений по наследству. Глобальный эволюционизм на сегодня - то рамка, это идея. Можно констатировать, что удачно вписать достижения отдельных наук в концепцию глобального эволюционизма пока не получилось.

Лекция 12. 12.05.21. Группа 5. Тема 7. История развития экологии как науки.