Концепции современного естествознания

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Контрольные вопросы по главе 10

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.Сущность живого, его основные признаки.

2.Каковы структура и функции белков?

3.Какие функции выполняют молекулы ДНК? Каковы структура и состав молекул ДНК?

4.Принципы передачи наследственных признаков от родительских организмов к их потомкам. Законы Менделя.

5.Основные положения клеточной теории. Клетка: ее строение и функционирование.

6.На какие два надцарства делят все живые организмы на Земле? В чем их отличие?

7.Что такое фиксация азота? В чем состояла связанная с этим процессом «историческая миссия» прокариот?

8.Структурные уровни живой материи.

9.Основные факторы эволюции органического мира Земли.

10.Оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими, — это . . .

11.Концепции возникновения жизни на Земле.

12.Учение о биосфере академика В. И. Вернадского.

13.Что такое ноосфера и как она формируется?

14.Человек во Вселенной: коэволюция человека и природы.

Глава 11

КОНЦЕПЦИИ СИНЕРГЕТИКИ. ПРИНЦИП УНИВЕРСАЛЬНОГО ЭВОЛЮЦИОНИЗМА

Согласно второму началу термодинамики, определяющему необратимость процессов преобразования энергии в замкнутой системе, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию — к термодинамическому равновесию, к состоянию с максимумом энтропии. Максимум энтропии соответствует минимуму упорядоченности и максимуму хаоса, когда и все виды энергии переходят в энергию хаотического теплового движения, в среднем равномерно распределенную между всеми элементами системы. В состоянии равновесия в системе отсутствуют потоки вещества и энергии, нет никаких градиентов, никакого упорядоченного движения.

Если бы Вселенная была замкнутой системой, то переход в такое состояние означал бы ее «тепловую смерть».

Однако в середине XX века возникло и начало развиваться представление о том, что материи изначально присуща тенденция не только к разрушению упорядоченности и возврату к исходному хаосу, но и к образованию все более сложных

иупорядоченных систем разного уровня.

Вприроде не существует систем, у которых бы все взаимодействия с внеш-

ней средой полностью отсутствовали, все реальные системы, от самых малых до самых больших, являются не замкнутыми, а открытыми. Они обмениваются энергией и веществом с окружающей средой и не находятся в состоянии термодинамического равновесия. В открытых системах могут протекать процессы как с увеличением, так и с уменьшением энтропии, т. е. в таких системах возможно увеличение упорядоченности. На данной основе возникло представление о самоорганизации вещественных систем.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Самоорганизация — природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем

развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.

.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.1Условия возникновения самоорганизации

1.Высокая степень неравновесности, выражающаяся в протекании через систему потоков вещества, энергии, электрического заряда, денег, товаров, людей, идей.

2.Нелинейность системы — способность качественно изменять свое поведение при количественном изменении параметров внешнего воздействия на систему. Одна из наиболее характерных особенностей нелинейных систем — нарушение

вних принципа суперпозиции, согласно которому результат воздействия на частицу нескольких внешних сил есть векторная сумма этих сил, т. е., грубо говоря, 2+2 не обязательно 4, но возможно несколько разных вариантов.

Одним из направлений исследования процессов самоорганизации является синергетика.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Синергетика (греч. вместе действующий) — концепция самоорганизации в неравновесных нелинейных системах различной природы (в т. ч. социальных).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(В физиологии синергистами называют мышцы, действующие совместно, для реализации определенного движения. Так, для вдоха работают межреберные, межхрящевые мышцы и мышцы диафрагмы.)

Синергетика объясняет процесс самоорганизации в сложных системах следующим образом.

Система должна быть открытой. Закрытая система в соответствии с законами термодинамики рано или поздно придет к состоянию с максимальной энтропией

ипрекратит свою эволюцию. Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В положении, близком к равновесию

ибез достаточного притока энергии извне, любая система со временем ещё более приблизится к равновесию и перестанет изменять своё состояние.

Самоорганизация, имеющая своим исходом образование через этап хаоса нового порядка или новых структур, может произойти лишь в системах достаточного уровня сложности, обладающих определённым количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические параметры связи и относительно высокие значения вероятностей своих флуктуаций. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления коллективного поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации. Недостаточно сложные системы не способны ни к спонтанной адаптации, ни, тем более, к развитию и при получении извне чрезмерного количества энергии теряют свою структуру и необратимо разрушаются.

Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение нового порядка и усложнение систем через флуктуации (случайные отклонения) состояний их элементов и подсистем. Такие флуктуации подавляются во всех динамически стабильных и адаптивных системах за счёт отрицательных обратных связей, обеспечивающих сохранение структуры и близкого к равновесию состояния системы.

Так, гомеостаз — способность организма поддерживать функционально значимые физиологические показатели в пределах, определяющих оптимальную жизнедеятельность организма, основывается на получении обратных сигналов от рецепторов относительно изменений в системе и последующей корректировки этих изменений к исходному состоянию исполнительными механизмами, т. е. обеспечивается процессами саморегуляции физиологических функций, такой формой взаимодействия биологических структур, которая на основе принципа отрицательной обратной связи поддерживает постоянство системы.

Этап самоорганизации наступает только в случае преобладания положительных обратных связей, действующих в открытой системе, над отрицательными обратными связями. В сложных открытых системах возможна ситуация, когда, благодаря притоку энергии извне и усилению неравновесности, малейшие флуктуации не гасятся, а начинают расти, накапливаться, усиливаться вследствие общей положительной реактивности системы, вызывают эффект коллективного поведения элементов и подсистем и, в конце концов, приводят к «расшатыванию» исходного состояния. Чем система сложнее, тем более многочисленны типы флуктуаций, выводящие систему из устойчивого состояния.

Перейдя порог устойчивости, система попадает в критическое состояние, которое называют точкой бифуркации (развилки). В точке бифуркации система становится неустойчивой относительно флуктуаций. Сложная неравновесная система может перейти из неустойчивого в одно из нескольких дискретных устойчивых состояний. В какое именно из них совершится переход — дело случая. Одна из сильных флуктуаций, которые возникают в системе, пребывающей в критическом состоянии, может инициировать скачок в новое конкретное устойчивое состояние.

Процесс скачка необратимый и приводит к новой области устойчивости, к возникновению нового порядка и новых структур, образованных из элементов прежней, разрушенной системы.

То есть система как бы колеблется между выбором одного из нескольких путей эволюции. Небольшая флуктуация может послужить в этот момент началом эволюции в каком-то определенном направлении, возможно резко изменяющем поведение системы. В точке бифуркации случайность толкает систему на новый путь развития, а после того как один из возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм — и так до следующей точки бифуркации.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Самоорганизация в сложных и открытых диссипативных системах, к которым относится и жизнь, и разум, приводят к необратимому разрушению старых и к возникновению новых структур и систем, что наряду с явлением неубывания энтропии в закрытых системах обусловливает наличие «стрелы времени» в Природе.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.2 Примеры наблюдаемых явлений самоорганизации

К трём стандартным примерам явления самоорганизации относятся ячейки Бенара, лазер, и реакция Белоусова—Жаботинского.

Классическим примером возникновения структуры из полностью хаотической фазы являются конвективные ячейки Бенара. Это замечательное превращение называется явлением Бенара, по имени французского исследователя, одним из первых изучившего конвективную неустойчивость жидкости. Если налить масло на сковороду, на дне которой поддерживается высокая температура, а на поверхности, граничащей с воздухом, более низкая, то через масло будет осуществляться передача энергии, поток тепла от дна к поверхности. Если увеличить разницу температур до некоторой критической, то в масле самопроизвольно возникает гидродинамическое движение: восходящие и нисходящие струи жидкости, образующие конвективные ячейки. В тонком слое при подогреве снизу образуются ячейки правильной гексагональной формы, внутри которых жидкость поднимается по центру и опускается по граням ячейки. Все эти ячейки выглядят как одинаковые шестигранные структуры. То есть наблюдаются определенным образом организованные процессы в среде.

В этом явлении очень отчетливо проявляются все основные черты термодинамики необратимых процессов. По сравнению с однородным состоянием конвективные ячейки являются более высокоорганизованной структурой, в системе происходит превращение хаоса в порядок — открытая система отдает энтропию, энтропия системы уменьшается. (Энтропия окружающего пространства при этом возрастает.)

Другим примером самоорганизующейся системы может служить оптический квантовый генератор — лазер (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света вынужденным излучением). При его работе соблюдаются три упомянутые условия.

1.Открытость системы, снабжаемой извне энергией (эта энергия осуществляет процесс «накачки» — заброс электронов в рабочем теле лазера с нижнего на более высокий энергетический уровень).

2.Сугубая неравновесность системы. Инверсная заселенность энергетических уровней — это неравновесное состояние среды, при котором число электронов, находящихся на верхних энергетических уровнях, больше, чем число электронов, находящихся на нижних энергетических уровнях, тогда как при тепловом равновесии на верхних уровнях электронов меньше, чем на нижних.

3.Достижение критического уровня накачки, при котором возникает упорядоченное, монохроматическое излучение за счет согласованного перехода электронов с верхнего энергетического уровня на нижний.

Реакция Белоусова—Жаботинского. Пример самоорганизации систем от хаоса к порядку. В настоящее время под этим названием объединяется целый класс родственных химических систем, близких по механизму, но различающихся используемыми катализаторами, органическими восстановителями и окислителями.

Первой реакцией, открытой Борисом Павловичем Белоусовым (1893–1970 гг.), советским химиком и биофизиком, была реакция окисления лимонной кислоты броматом калия в кислотной среде в присутствии катализатора — ионов церия Ce+3. Эта реакция имеет автоколебательный характер. Течение реакции меняется со временем, что проявляется в периодическом изменении цвета раствора от бесцветного (Ce+3) к жёлтому (Ce+4) и обратно.

11.3 Концепция универсального эволюционизма

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Концепция универсального эволюционизма дает ответ на вопрос, каким образом из первоначального хаоса с течением времени образовалось сначала атомные ядра и атомы, затем звезды, планеты, живые существа и сам человек.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Гениальный Александр Сергеевич Пушкин «организатором» этого процесса самоорганизации материи, «богом-изобретателем» называет случай.

Вотличие от процессов, протекающих в изолированных системах только в направлении «от порядка к хаосу», в открытых неравновесных системах процессы могут протекать и в противоположном направлении — «от хаоса к порядку». В процессе самоорганизации порядок рождается из хаоса.

Одним из важнейших этапов в развитии науки стало появление эволюционной теории. Основываясь, в частности, на идеях этой теории, во второй половине XX-го века появилась синергетика, распространившая принципы эволюции на разные уровни — косную материю, жизнь и общество. Подобный подход получил название «универсальный эволюционизм».

Согласно концепции универсального эволюционизма понимание Вселенной

вцелом и ее подсистем возможно только при рассмотрении их находящимися в состоянии постоянного развития, эволюции.

Вэтой модели Вселенная предстает перед нами как развивающееся в пространстве и времени природное целое, а вся ее история от Большого взрыва до возникновения человечества рассматривается как единый процесс, в котором космический, химический, биологический и социальный типы эволюции связаны между собой.

Это значит, что Вселенная (Универсум) претерпевает непрерывные изменения, и мы наблюдаем их непрекращающуюся эволюцию. Все это происходит в процессе самоорганизации. К числу таких процессов относится и становление Разума, который тоже возник в результате эволюции Вселенной.

Следовательно, можно сказать, что все существующее есть результат эволюции, которая имеет всеобщий характер.

Основными положениями концепции универсального эволюционизма являются следующие.

1.Вселенная может существовать только в развитии. Вселенная представляет собой единую саморазвивающуюся систему, все ее элементы так или иначе связаны между собой. Человек также является неотъемлемой частью этой системы.

2.Развитием Вселенной руководит «бог-изобретатель» — случай. Все процессы во Вселенной протекают под действием случайных факторов при известной мере неопределенности, т. е. случайность и неопределенность в нашем мире на всех структурных уровнях принципиальна.

3.В мире действуют принципы отбора, выделяющие из всех мыслимых состояний некоторое множество допустимых. Это значит, что все происходящее в природе абсолютным произволом не является. Не все мыслимое может быть реализовано в природе. Законы природы, в частности, законы сохранения, выполняют функции запрета. Они также ограничивают вмешательство человека в Природу.

4.В биологических, экономических и социальных явлениях нельзя пренебрегать предысторией. Здесь роль памяти чрезвычайно велика, и она может непосредственно влиять на выбор пути развития. Настоящее и будущее зависят от прошлого, хотя и не определяются им.

5.Развитие материальных объектов неизбежно приводит к точкам бифуркации (развилки), из которых, даже при отсутствии каких-либо внешних воздействий, возможен переход объекта в целое множество новых состояний. В какое из них перейдет система, зависит от тех случайных факторов, которые будут действовать в момент перехода. В точках бифуркации дальнейшая эволюция принципиально непредсказуема, т. к. определяется случайными флуктуациями.

Все развитие Вселенной, включая и наше развитие, описывается в рамках схожих эволюционных процессов. Приведенные эмпирические обобщения справедливы как для процессов, протекающих в неживой природе, так в живом веществе и обществе. Поэтому они могут составить основу некоторого универсального языка, пригодного для описания любых процессов, протекающих на всех уровнях организации материи.

При усложнении материальных структур в ходе их самоорганизации прослеживается тенденция уменьшения их стабильности, что имеет прямое отношение к истории развития цивилизации.

Результатом данной тенденции является резкое возрастание зависимости человека от природных условий. Сильное усложнение человеческой цивилизации и рост ее могущества требуют тонкого согласования нагрузок человека на биосферу с теми процессами, которые в ней происходят, если, конечно, человек планирует свое дальнейшее существование на Земле.

Здесь можно надеяться на помощь науки, которая дает обществу не только представления об опасности, но и помогает найти пути её преодоления.

Таким образом, в процессе естественной эволюции Вселенная может обрести с помощью человека способность не только познавать саму себя, но и направлять свое развитие так, чтобы компенсировать или ослабить возможные неблагоприятные факторы. Это шанс для человечества сохранить себя в биосфере, во Вселенной, шанс, которым необходимо воспользоваться.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Контрольные вопросы по главе 11

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.Что называется самоорганизацией?

2.Условия возникновения процесса самоорганизации.

3.Каким условиям должен удовлетворять объект изучения синергетики?

4.Что такое точка бифуркации?

5.Чем отличается самоорганизация от эволюции?

6.Сформулируйте основные положения концепции универсального эволюционизма.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Объект изучения естествознания — Природа — это целостная суперсистема, сложная и многообразная в своих проявлениях, непрерывно развивающаяся и находящаяся в постоянном движении. В ней всё: жизнь Вселенной, жизнь нашей Галактики, жизнь Солнечной системы, жизнь Земли, жизнь человечества и каждого человека — подчинено единым Вселенским законам. Всё живёт и развивается в строгом соответствии с этими законами.

Естественные науки стремятся постигнуть и сформулировать эти всеобщие законы мироздания.

Сегодня мы знаем, что вся живая и неживая природа, все стабильные структуры окружающего нас сравнительно низкотемпературного мира состоят всего из трёх фундаментальных частиц, трёх «первокирпичиков мироздания». Это стабильный лептон — электрон. Это два кварка — «верхний» u и «нижний» d.

Мы знаем, что наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,77±0,059 млрд лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается.

Сегодня ученые в состоянии объяснить большинство свойств и этапов эволюции нашей Вселенной, начиная с момента в 10−42 секунды до настоящего времени и даже далее. Они могут проследить образование галактик и довольно уверенно предсказать будущее Вселенной.

Однако ничего не изменилось с тех пор, как однажды юный ученик древнегреческого философа Анаксимена спросил его, почему с каждым годом он всё больше сомневается в том, о чём раньше говорил без сомнений.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Тогда Анаксимен начертил на песке два круга — маленький и большой — и объяснил: «Маленький круг — это мои знания в юности. Большой круг — это то, что я знаю и понимаю сегодня. С годами круг моих знаний увеличивается. Всё, что вне круга знаний — это незнание. Чем шире круг знаний, тем больше он соприкасается с незнанием и порождает всё больше неясностей и вопросов».

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Процесс познания не останавливается, поскольку на смену установленным истинам, разрешённым вопросам приходят другие, требующие своего разрешения, ещё более непонятные, интересные и загадочные.

Возникают новые идеи, появляются новые естественнонаучные концепции. Их сменяют ещё более совершенные. В этом заключается диалектика развития естественнонаучного познания окружающего мира.