- •Концепции современного естествознания
- •Рецензенты:
- •Ihtik.Lib.Ru
- •Глава 1. Естествозн ан и е как единая наука о природе
- •1.1. Естественно-научная и гуманитарная культуры
- •1.2. Месте науки в системе культуры и ее структура
- •1.3. Характерные черты науки
- •1.4. Естествознание - фундаментальная наука
- •Глава 2. Характеристика естественно-научного познания
- •2.1. Структура научного познания
- •2.2. Основные методы научного исследования
- •2.3. Динамика развития науки. Принцип соответствия
- •Глава 3. Важнейшие этапы развития естествознания
- •3.1. Система мира ангинных философов
- •3.2. Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы строения мира
- •3.3. Механистическая и электромагнитная картины мира
- •3.4. Современная естественно-научная картина мира
- •Глава 4. Концепция относительности пространства и времени
- •4.1. Понятие пространства и времени
- •4.2. Измерение времени
- •4.3. Пространство и время в специальной теории относительности
- •4.4. Общая теория относительности о пространстве и времени
- •Глава 5. Строение материального мира
- •5.1. Структурное строение материального мира
- •5.2. Краткая характеристика микромира
- •5.3. Краткая характеристика макромира
- •5.4. Краткая характеристика мегамира
- •Глава 6. Взаимодействия и движение структур мира
- •6.1. Четыре вида взаимодействий и их характеристика
- •6.2. Концепции близкодействия и дальнодействия
- •6.3. Вещество, поле, вакуум. Принцип суперпозиции
- •6.4. Фундаментальные постоянные мироздания
- •6.5. Антропный космологический принцип
- •6.6. Характер движения структур мира
- •Глава 7. Основные закономерности микромира
- •7.1. Элементарные частицы
- •7.2. Корпускулярно-волновая природа микрообъектов
- •7.3. Концепция дополнительности
- •7.4. Вероятностный характер законов микромира. Концепции неопределенности и причинности
- •7.5. Электронная оболочка атома
- •Глава 8. Концепции вещества и энергии
- •8.1. Многообразие форм материи
- •8.2. Вещество и его состояния
- •8.3. Энергия и ее проявления в природе
- •8.4. Законы сохранения в природе
- •8.5. Законы сохранения и принципы симметрии
- •Глава 9. Состав, структура и взаимопревращения веществ
- •9.1. Концептуальные уровни в познании веществ
- •9.2. Состав вещества и химические системы
- •9.3. Структура вещества и его свойства
- •9.4. Химические процессы
- •9.5. Эволюция химических систем и перспективы химии
- •Глава 10. Природа мегамира
- •10.1. Расстояния и размеры в мегамире
- •10.2. Земля как планета и природное тело
- •10.3. Состав и строение Солнечной системы
- •10.4. Солнце, звезды и межзвездная среда
- •10.5. Галактики
- •Глава 11. Характер естествен нон ауч н ых закономерностей природы
- •11.1. Детерминизм процессов природы
- •11.2. Термодинамика и концепция необратимости
- •11.3. Проблема "тепловой смерти Вселенной"
- •Глава 12. Происхождение и эволюция вселенной
- •12.1. Большой взрыв и расширяющаяся Вселенная
- •12.2. Начальная стадия Вселенной
- •12.3. Космологические модели Вселенной
- •Глава 13. Происхождение и эволюция небесных тел, земли
- •13.1. Происхождение и эволюция галактик и звезд
- •13.2. Происхождение планет Солнечной системы
- •13.3. Происхождение и эволюция Земли
- •13.4. Космос и Земля
- •Глава 14. Концепции происхождения жизни
- •14.1. Концепции происхождения жизни но Земле
- •14.2. Классификация уровней биологических структур и организация живых систем
- •14.3. Генная инженерия и биотехнология
- •14.4. Проблемы происхождения жизни во Вселенной
- •Глава 15. Эволюция живой природы
- •15.1. Доказательства эволюции живого
- •15.2. Пути и причины эволюции живого
- •15.3. Эволюционная теория Дарвина
- •15.4. Современная теория органической эволюции
- •15.5. Синтетическая теория эволюции
- •15.6. Другие концепции эволюции живого
- •Глава 16. Концепция происхождения и эволюции человека
- •16.1. Человек как предмет естественно-научного познания
- •16.2. Сходства и отличия человека от животных
- •16.3. Концепции появления человека на Земле. Антропология
- •16.4. Эволюция культуры человека. Социобиология
- •16.5. Проблемы поиска внеземных цивилизаций
- •16.6. Проблема связи с внеземными цивилизациями
- •Глава 17. Человек
- •17.1. Физиология человека
- •17.2. Эмоции и творчество
- •17.3. Здоровье и работоспособность
- •17.4. Вопросы биомедицинской этики
- •Глава 18. Учение о биосфере и экологии
- •18.1. Биосфера
- •18.2. Экология
- •18.3. Современные проблемы экологии
- •18.4. Ноосфера
- •18.5. Демографическая проблема
- •Глава 19. Методы современного естествознания
- •19.1. Системный метод исследования
- •19.2. Кибернетика - наука о сложных системах
- •19.3. Методы математического моделирования
- •19.4. Математическое моделирование в экологии
- •Глава 20. Самоорганизация в природе
- •20.1. Парадигма самоорганизации
- •20.2. Синергетика
- •20.3. Особенности эволюции неравновесных систем
- •20.4. Самоорганизация - источник и основа эволюции
- •20.5. Самоорганизация в различных видах эволюции
- •Глава 21. Современное естествознание и будущее науки
- •21.1. Особенности современного этапа развития науки
- •21.2. Естествознание и мировоззрение
- •21.5. Общие закономерности современного естествознания
- •21.6. Современная естественно-научная картина мира и Человек
- •21.7. Особенности в развитии современной науки
- •Литература
- •140010, Г. Люберцы Московской обл., Октябрьский пр-т, 403. Тел.: 554-21-86
20.4. Самоорганизация - источник и основа эволюции
Что Дарвина ошибочно сужденъе: была любовь причиною рожденья.
Р. Гамзатов
Современное эволюционное мышление сложилось в XVIII и XIX вв. и неразрывно связано с великими именами Канта, Гегеля, Маркса, Дарвина и Клаузиуса. И. Кант предпринял попытку объяснить происхождение мира исходя из физических законов. То, что Кант — с немалой претензией — сделал для исследования космической эволюции, Г. Гегель совершил для открытия общих законов диалектики. К. Марксу мы обязаны знанием некоторых законов общественной эволюции, а Ч. Дарвину — обоснованной
498
теорией происхождения видов. Дарвин сформулировал принцип отбора и продемонстрировал его значение для эволюции в биологии. Лингвист Шлейхер около 1850 г. совершенно независимо от Дарвина установил аналогичный принцип для развития естественных языков и тем самым заложил основы теории эволюции языковой коммуникации. Наконец, Клаузиус сформулировал важнейший закон процессов эволюции — второе начало термодинамики. К Клаузиусу восходят первые соображения относительно физически обоснованных моделей космического развития. Сколь ни сомнительным может казаться с современной точки зрения вывод Клаузиуса о "тепловой смерти Вселенной", именно этот вывод послужил толчком к развитию теоретической мысли, которая в работах Эйнштейна, Фридмана и Гамова привела к ныне широко принятой релятивистско-термодинамической модели эволюции. И, наконец, современная теория эволюции, основанная на концепции самоорганизации, рассматривает процесс эволюции как неограниченную последовательность процессов самоорганизации систем.
Эволюционная теория Дарвина послужила мощным толчком для развертывания исследований о механизмах развития различных природных и социальных систем. Если физические и химические методы исследования многое дали для анализа структуры и функционирования живых систем, то эволюционная концепция биологии заставила физиков и химиков по-новому взглянуть на объекты своих исследований и природу в целом. В самом деле, если в теории Дарвина эволюция приводила к совершенствованию и усложнению живых систем в результате их адаптации к изменяющимся условиям среды, то в классической физике она связывалась с дезорганизацией и разрушением системы. Такое представление вытекало из второго начала термодинамики, согласно которому закрытая система постепенно эволюционирует в сторону беспорядка, дезорганизации и увеличению энтропии. Понятие энтропии характеризует ту часть полной энергии системы, которая не может быть использована для производства работы. Поэтому в отличие от свободной энергии она представляет собой деградированную, отработанную
499
энергию. Если обозначить свободную энергию F, энтропию — S, то полная энергия системы Е = F + S • Т.
Согласно второму закону термодинамики, энтропия в замкнутой системе постоянно возрастает и в конечном счете стремится к своему максимальному значению. Следовательно, по степени возрастания энтропии можно судить об эволюции замкнутой системы, а тем самым и о времени ее изменения. Немецкий ученый Л. Больцман стал интерпретировать энтропию как меру беспорядка в системе. Таким образом, второй закон можно было теперь сформулировать так: замкнутая система, предоставленная самой себе, стремится к достижению наиболее вероятного состояния, заключающегося в ее максимальной дезорганизации. К такому равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все закрытые системы, т. е. системы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу системы носят название открытых.
Резкое противоречие между биологической и физической эволюцией удалось разрешить только после того, когда физика обратилась к понятию открытой системы, т. е. системы, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. 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. Таким образом, было установлено, что ключ к пониманию процессов самоорганизации содержится в исследовании процессов взаимодействия системы с окружающей средой.
Процессы самоорганизации исследовали разные ученые в разных направлениях естествознания. В 1951 г. Б. П. Белоусов описал самоорганизующуюся химическую реакцию, в которой возникают самоподдерживающиеся колебания во времени. Более подробно такого рода реакции были исследованы группой ученых под руководством А. М. Жаботинского. В этих реакциях малоновая кислота как органическое вещество окисляется бро-матами в растворе серной кислоты в присутствии определенного катализатора. В результате реакций раствор, в котором
500
находятся эти вещества, начинает периодически менять свою окраску с голубого на красный, так что этот самоорганизующийся процесс можно рассматривать как своеобразные "химические часы". В дальнейшем было обнаружено возникновение не только периодических структур во времени, но и в пространстве или одновременно в пространстве и во времени. Механизмы таких реакций весьма сложны.
Видный теоретик самоорганизации И. Р. Пригожин пришел к своим идеям из анализа специфических химических реакций, которые приводят к образованию определенных пространственных структур с течением времени при изменении концентрации реагирующих веществ. Вместе со своими сотрудниками он построил математическую модель таких реакций. Теоретической основой модели стала нелинейная термодинамика, изучающая процессы, происходящие в нелинейных неравновесных системах под воздействием флуктуаций. Если такая система удалена от точки термодинамического равновесия, то возникающие в ней флуктуации в результате взаимодействия со средой будут усиливаться и в конце концов приведут к разрушению прежнего порядка или структуры, а тем самым и к возникновению новой системы. Структура и системы, возникающие при этом, И. Р. Пригожин назвал диссипативными, поскольку они образуются за счет диссипации, или рассеяния, энергии, использованной системой, и получения из окружающей среды новой, свежей энергии. За исследования по термодинамике диссипативных структур И. Р. Пригожину была присуждена Нобелевская премия.
Другой видный теоретик самоорганизации — немецкий ученый М. Эйген — доказал, что открытый Ч. Дарвиным принцип отбора продолжает сохранять свое значение и на микроуровне. Поэтому он имел все основания утверждать, что генезис жизни есть результат процесса отбора, происходящего на молекулярном уровне. Он показал, что сложные органические структуры с адаптационными характеристиками возникают благодаря эволюционному процессу отбора, в котором адаптация оптимизируется самими структурами. Предпосылками осуществления такой самоорганизации макромолекул являются взаимодействие
501
системы со средой или открытость для обмена веществом и энергией, автокатализ, мутации и естественный отбор.
Таким образом, медленно, но неуклонно в разных направлениях науки формировалось убеждение, что во всех этих исследованиях существует единое концептуальное ядро, которое служит общей их основой. Оно и составляет парадигму исследования процессов самоорганизации.
Таким образом, эволюцию можно рассматривать как неограниченную последовательность процессов самоорганизации. Общая схема процесса эволюции при этом принципиально сводится к следующему (рис. 20.1):
Рис. 20.1. Процесс эволюции как неограниченная последовательность процессов самоорганизации
Относительно стабильное n-е состояние эволюции утрачивает устойчивость. В качестве причин, вызывающих потерю устойчивости, выступают временные изменения внутреннего состояния или наложенных краевых условий. Особенно характерной причиной эволюционной неустойчивости является внезапное появление новой модели движения, новой разновидности молекул в химии, нового вида в биологии. Этот новый элемент в рассматриваемой динамической системе приводит к потере устойчивости состояния системы, которое до появления нового элемента было устойчивым.
Неустойчивость, обусловленная новым элементом в системе, запускает динамический процесс, который приводит к дальнейшей самоорганизации системы. Система порождает новые упорядоченные структуры.
По завершении процесса самоорганизации эволюционная система переходит в эволюционное состояние (n+1). После этого
502
n-го эволюционного цикла начинается новый (п+1)-й эволюционный цикл (рис. 20.2).