Концепции современного естествознания. Курс лекций. Учебное пособие

Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны.

Различия между косным и живым веществом:

1) изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Для характеристики изменений в живом веществе используют понятие

исторического, а в косных телах – геологического времени

(1 с геологического времени соответствует ста тысячам лет исторического);

2)в ходе геологического времени возрастает мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие появляется кроме всего в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно;

3)только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени.

Механизмы этих изменений нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч. Дарвина; 4) живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней. Накопление таких изменений служит источником эволюции. Вернадский высказал предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом

геологического времени, вне зависимости от изменения среды. Вернадский искал ответ на вопрос о существовании начала

жизни. Если есть, то где его искать – на Земле или в Космосе. Может ли возникнуть живое из неживого?

Вернадский рассматривал наиболее интересные точки зрения и пришел к заключению, что убедительного ответа на эти вопросы пока нет. Многочисленные попытки обнаружить в древних геологических слоях Земли присутствие каких-либо переходных форм жизни не увенчались успехом. Некоторые останки жизни были обнаружены даже в докембрийских слоях (600 млн лет). Вернадский полагал, что жизнь существовала вечно во Вселенной. Взгляды Вернадского не оставались неизменными. В науке все более настойчиво стала выдвигаться гипотеза об абиогенном происхождении жизни. Однако

81

Вернадский не допускал ни божественного, ни земного происхождения жизни.

Несмотря на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет собой новый крупный шаг в понимании не только живой природы, но и ее связи с исторической деятельностью человечества.

Переход от биосферы к ноосфере

Французский математик и философ П. Леруа ввел в 1927 году понятие ноосферы, или сферы разума (от греческого «ноос»

– разум), как облекающей земной шар идеальной «мыслящей» оболочки, формирование которой связано с возникновением и развитием человеческого сознания. Вернадский внес в термин материалистическое содержание: H – новая, высшая стадия биосферы, связанная с возникновением и развитием в ней человечества, которое, познавая законы природы и совершенствуя технику, становится крупнейшей силой и начинает оказывать определяющее влияние на ход процессов в охваченной его воздействием сфере Земли.

Первоначальные представления о направленности эволюционного процесса в сторону возникновения мыслящих существ и признания геологической роли человечества высказывались многими учеными и до Вернадского. Уже в XVIII веке французский естествоиспытатель Ж. Бюффон высказал идею о царстве человека.

Принцип направленности эволюции живого вещества в сторону мыслящего существа выдвинул американский ученый Джеймс Дана. Он пришел к выводу, что на протяжении ~ 2 млрд лет происходили усовершенствование и рост центральной нервной системы животных, начиная от ракообразных и кончая человеком. Этот процесс он назвал цефализацией, при которой достигнутый уровень организации нервной системы никогда не снижается.

Ле Конт назвал эру человека психозойской. А.П. Павлов (1854-1929) говорил об антропогенной эре в эволюции биосферы, оценивая возросшую роль человека.

82

Концепция Вернадского впервые привела все известные эмпирические факты в систему, которая объясняет, какие факторы способствовали переходу от биосферы к ноосфере. Признается решающая роль труда, человеческой деятельности и мысли в эволюции биосферы и в изменении всей земли.

«Человек избавился от голода новым путем, лишь в слабой степени известным животным – сознательным, творческим обеспечением от голода, и, следовательно, нашел возможность неограниченного проявления своего размножения».

Влияние человека на биосферу приводит к возникновению новых видов растений и животных, постоянно увеличивается количество земного живого вещества в биосфере за счет расширения посевных площадей и интенсификации земледелия.

ЭВОЛЮЦИОННАЯ ТЕОРИЯ. УЧЕНИЕ Ч. ДАРВИНА

Эволюционная теория возникла в результате неоднократных попыток ученых объяснить целесообразность в живой природе. Смысл этого понятия заключается в том, что органы и части тела всех живых существ на земле, мельчайшие детали их структур как бы созданы для выполнения определенной цели. Порой совершенство этих структур наводит на мысль о некоем создавшем их разумном начале.

Первым по времени было теологическое объяснение приспособленности. Все виды животных и растений созданы богом в первую неделю существования Вселенной.

Второе объяснение органической целесообразности называется телеологическим. Оно ведет начало от Аристотеля. Согласно Аристотелю форма какого-либо органа – конечная цель и вместе с тем сила, осуществляющая эту цель. Учение Аристотеля – смесь идеалистических и материалистических взглядов. Когда он говорил о Материи, существующей вне нас и познаваемой в опытах и наблюдениях, он шел по стопам Демократа. Учение о Форме сближает взгляды Аристотеля с идеалистической философией его учителя Платона. Объяснения Аристотеля и сейчас находят своих сторонников, говорящих о приспособительной изменчивости.

83

Все последующие попытки объяснить процессы развития в природе были телеологичны и сводились к возникновению целесообразности у организмов путем прямого, направленного влияния внешней среды. Они встречаются и в сочинениях Ж. Бюффона и де Мелье, П. Кабаниса и Эразма Дарвина – деда Ч. Дарвина. Наиболее полно телеологическое объяснение эволюции сформулировал в 1809 году в знаменитой книге «Философия зоологии» Ж.-Б. Ламарк. Он разделил животных на 4 класса, был последователем детерминизма и постулировал два основных принципа эволюции – принцип градаций (врожденное, независимое от внешних факторов стремление к повышению организации) и принцип прямого приспособления к условиям внешней среды (путем упрощения органов). Полученные признаки, по мнению Ламарка, передаются по наследству.

Через 50 лет после «Философии зоологии» Ламарка вышла в свет и разошлась в один день книга Чарльза Дарвина « Происхождение видов путем естественного отбора». А годом раньше, в 1858 году Ч. Дарвин сделал доклад на заседании Линнеевского общества, где изложил основы своей эволюционной теории.

Учение Дарвина стоит на трех «китах» – трех основных факторах эволюции: наследственности, изменчивости и естественном отборе.

Заслугу Дарвина лучше всех сформулировал Г. Гельмгольц: - «Теория Дарвина показывает, что целесообразность в строении организма могла возникнуть без вмешательства разума, в силу самого действия одних естественных законов».

Иными словами, Дарвин дал материалистическое объяснение органической целесообразности.

Рассмотрим основные факторы эволюции.

1. Изменчивость. Дарвин установил, что изменчивость является неотъемлемым свойством всего живого. Он определил изменчивость, которая может передаваться по наследству как «неопределенную», т. е. ненаправленную. Результат - непредсказуем. Изменения в организме являются в данном случае случайными. Однако имеет место и другая изменчивость – «определенная»,

84

приспособительного характера (изменения такого типа называются «модификациями»).

Внастоящее время генетики в наследственной изменчивости различают следующие категории:

геномные мутации – изменение числа хромосом в наборе; хромосомные перестройки – изменение последовательности

генов внутри одной хромосомы, обмен частями негомологичных хромосом;

точковые, или генные, мутации – изменение структуры отдельных генов, и невидимое в микроскоп.

Генотип – это набор генов организма, имеющаяся в нем генетическая программа развития. Фенотип – комплекс свойств

ипризнаков организма, результат реализации генетической программы, это компромисс между требованиями генотипа и условиями внешней среды. Следует отметить, что генотип богаче фенотипа. Наследственные задатки организма в данных условиях среды каждый раз реализуются не полностью (хотя бы потому, что рецессивные аллели подавляются доминантными). Мутации в генах являются материалом для эволюционного развития.

2. Наследственность. Слабым местом теории Дарвина является непонимание того, каким образом возникшие изменения передаются потомству. В итоге Дарвин начал даже склоняться к ламаркизму.

Для решения этого вопроса судьбе угодно было выбрать августинского монаха г. Брюнна (ныне г. Брно) Грегора Менделя. Мендель интересовался новинками научной мысли, в том числе и книгой Дарвина.

Вшестидесятых годах XIX века он проводил опыты, которые теперь изучаются в школе. Мендель установил, что признаки организмов можно разделить на две группы – доминантные и рецессивные. Проявлялись они при скрещении. Например, желтый цвет горошин подавляет зеленый цвет. Во втором поколении зеленый цвет возникает в 25 % случаев. Гениальность Менделя заключалась в том, что он истолковал полученный факт абсолютно правильно. Один признак организм получал от отца, другой – от матери. Наследственные факторы организмов распределяются в потомстве случайно.

85

XX век заявил о себе открытиями фундаментального значения. Уже в 1900 году Макс Планк доказал существование дискретных единиц энергии – квантов. И в 1900 году Г. де Фриз, К. Корренс и К. Чермак независимо друг от друга пришли к выводу, что наследственность «квантуется», т. е. имеются ее материальные дискретные носители, названные впоследствии генами.

Учеными было установлено, что многие признаки, например, окраска зерен, определяются не одним, а многими генами. В зависимости от сочетания таких полимерных генов признак может иметь разную интенсивность.

Пигментация кожи у человека также полимерный признак. Поэтому у супружеской пары – негра и белой женщины могут рождаться дети – мулаты с самыми разнообразными вариациями цвета кожи: от черной до почти белой.

Важно для понимания процесса наследственности и явление плейотропии гена, т.е. феномена, когда один и тот же ген определяет возникновение не одного, а многих признаков организма.

3. Естественный отбор. Отбор является направленным процессом. Он осуществляет обратную связь между условиями обитания и генофондом популяции, накладывает печать полезности на происходящие в популяции изменения.

В процессе развития науки неоднократно возникали разногласия между последователями Менделя и дарвинистами. Этот мнимый конфликт был разрешен С.С. Четвериковым. Именно он положил начало новой так называемой синтетической эволюционной теории, объединившей дарвинизм и генетику.

Известно, что число хромосом является весьма постоянным для вида. В обычных клетках перед расхождением хромосомы удваивались в числе, расщепляясь пополам (митоз). В половых клетках – вдвое уменьшенный набор хромосом, но при слиянии спермия и яйцеклетки прежнее число восстанавливалось (мейоз). Напоминаем, что женские и мужские половые клетки – гаметы

– имеют вдвое уменьшенный, так называемый гаплоидный набор

яйцеклетки – зиготы, восстанавливает прежний, диплоидный набор.

Благодаря мейозу возникшие изменения, будучи рецессивными, накапливаются в популяции и в конце концов проявляются в фенотипе.

Существует отбор стабилизирующий, который может сохранить в популяции прежнюю норму – наиболее приспособленную для данных условий комбинацию генов. К примеру, анализ огромного материала из родильных домов свидетельствует о том, что наибольшая смертность в первые 28 дней жизни наблюдается среди детей, вес которых или много меньше, или же, наоборот, много больше среднего (3.6 кг). Лишь последние успехи педиатрии позволяют спасти значительное количество таких детей.

Но есть и другой отбор – направленный, творческий. Этому отбору подвергаются популяции диких растений и животных в периферийных частях ареала, где условия максимально отличаются от обычных.

Если стабилизирующий отбор сохраняет норму, то творческий – отклонения от нее.

Есть и третья форма отбора – дизруптивный отбор. Такой отбор сохраняет не одну норму, а две или более. Дизруптивный отбор человек применял, создавая из дикой лошади скакунов и тяжеловозов, из волка – болонок и догов. Естественный дизруптивный отбор приводит к возникновению двух видов и более.

В современной теории эволюции шире трактуются основные факторы эволюции. Наряду с мутационным процессом второй фактор эволюции по Четверикову – колебания численности популяций, которые он назвал «волнами жизни». «Волны жизни» резко расшатывают генофонд популяции, изменяя численность всех аллелей. Это приводит в конце концов к изменению свойств популяции. При спаде «волны жизни» численность одних мутаций возрастает, а значит возрастает вероятность встречи рецессивов в гомозиготах; скрытые аллели проявляются в фенотипах и подпадают под действие естественного отбора.

87

Следующим фактором является изоляция. Скрещивание сглаживает различия внутри популяции, препятствует разделению вида на внутривидовые группировки. Напротив, изоляция закрепляет в небольших популяциях различия. Без нее вся популяция если и изменялась бы, то целиком, один вид переходил бы в другой, не порождая новых. Это было бы видопревращение, а не видообразование.

КОНЦЕПЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ

В настоящее время концепция самоорганизации получает все большее распространение не только в естествознании, но и в социально-гуманитарном познании. Концепция самоорганизации становится парадигмой исследования широкого класса систем. Под парадигмой в науке подразумевают фундаментальную теорию, которая применяется для объяснения широкого круга явлений. Примеры парадигм в разное время – классическая механика Ньютона и теория Дарвина. Понятие парадигмы в настоящее время расширилось, так как оно применяется не только к отдельным наукам, но и к междисциплинарным направлениям исследований. Примером являются кибернетика и синергетика (от греч. «synergeia», что означает совместное или кооперативное действие).

Развитие идей самоорганизации

Зачатки идей самоорганизации можно увидеть в различных науках еще в XVIII веке. Так, у основоположника политэкономии Адама Смита нашла выражение мысль о том, что «спонтанный» порядок на рынке является результатом взаимодействия различных, часто противоположных стремлений, целей и интересов многочисленных его участников. Именно такое взаимодействие приводит к установлению того никем не предусмотренного и незапланированного порядка на рынке, который выражается в равновесии спроса и предложения.

Идеи самоорганизации не были четко выражены и были скорее результатами интуитивного прозрения, чем строгого научного исследования.

88

Эволюционная теория Дарвина послужила мощным толчком в изучении механизмов развития различных природных и социальных систем.

Фактор времени не играл до поры никакой роли в науке, в частности, в физике, поскольку рассматривались идеализированные системы и обратимые процессы. В закрытых системах эволюция происходит в сторону беспорядка и дезорганизации, согласно второму началу термодинамики. В теории Дарвина эволюция приводит к совершенствованию и усложнению живых систем в результате их адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды. Это противоречие в рассмотрении физических и живых систем удается разрешить с введением понятия открытых систем. При определенных условиях в открытых системах могут возникнуть процессы самоорганизации в результате получения новой энергии и вещества извне и диссипации (или рассеяния) использованной в системе энергии. Необходимым условием протекания процесса самоорганизации является взаимодействие системы с окружающей средой.

Автор термина «синергетика» – немецкий физик Герман Хакен, работавший в лабораториях фирмы Белла над новыми источниками света, исследовал механизмы кооперативных процессов, которые происходят в твердотельном лазере. Частицы, составляющие активную среду резонатора, под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться в одной фазе. В результате этого между ними устанавливается когерентное, или согласованное, взаимодействие, которое приводит к их кооперативному или коллективному поведению.

И.Ф. Пригожин анализировал специфические реакции, которые приводят к образованию определенных пространственных структур с течением времени. Он построил впервые математическую модель таких реакций, которые были экспериментально изучены П. Белоусовым и А. Жаботинским. Пригожину была присуждена Нобелевская премия по химии за исследования в области термодинамики диссипативных структур.

Другой теоретик самоорганизации Эйген (нем.) показал, что сложные органические структуры с адаптационными

89

(новыми) характеристиками возникают благодаря взаимодействию системы со средой и открытости системы для обмена веществом и энергией.

Было обнаружено также в начале 1960-х годов (Лоренц), что уравнения, описывающие метеопроцессы, при почти тех же самых начальных условиях приводят к совершенно разным результатам. Детерминистская система уравнений обнаруживает хаотическое поведение. То есть хаос также характеризуется определенным порядком, который можно рассматривать как вид регулярной нерегулярности (детерминированный хаос, в то время как поведение частиц в газе - недетерминированный хаос).

Таким образом, предпосылки к возникновению некоторой обобщающей теории уже появились в различных областях науки. Постепенно ученые стали выходить за рамки своих дисциплин, начали замечать аналогию между понятиями и уравнениями, которые применялись для анализа разных по содержанию процессов. Формировалось убеждение, что во всех этих исследованиях есть единое концептуальное ядро, которое служит их основой. Это ядро и составляет парадигму исследования процессов самоорганизации.

Самоорганизация – основа эволюции систем

Таким образом, внешние условия, среда обитания оказывают огромное влияние на эволюцию, но это влияние в неменьшей степени зависит также от самой системы, ее состояния и внутренней предрасположенности. В результате взаимодействия системы с внешней средой происходит обмен веществом, энергией и информацией между системой и ее окружением. Благодаря этому возникает и поддерживается неравновесность, это приводит к возникновению (спонтанному) новых структур.

Поэтому самоорганизация выступает как источник эволюции систем, так как она служит началом процесса возникновения качественно новых и более сложных структур в развитии системы.

90