1ogurtsov_a_p_otv_red_metodologiya_nauki_status_i_programmy

рия стабильности, пригодного как для равновесных, так и для неравновесных структур. В отличие от жидких тел эти объекты являются структурными формами стабильного конденсированного состояния, так как их структура и форма сохраняются значительное время. Но от кристаллов их отличает отсутствие глобального минимума свободной энергии, нелинейность или отсутствие форм и состояние относительно устойчивого неравновесия. По этой причине минимум свободной энергии для апериодических и неравновесных структур не может быть критерием их устойчивости. В кристаллах, в которых решетку можно выбрать многими способами, самоорганизация определяется не ее наличием, а силами межатомных взаимодействий. Вся информация, необходимая для возникновения дальнего порядка, содержится в повторяющемся фрагменте кристаллической структуры (модуле), заключенном в сфере радиусом от 3R до 5R, где R — радиус сферы вписанный в максимальную пустоту структуры. Поэтому критерием стабильности как кристаллической, так и любой другой формы стабильного конденсированного состояния следует считать полную стыковку связей в структурах, обеспечивающую их «конструкционную» стабильность.

Общий критерий стабильности как для равновесных и неравновесных структур, так и для структур живой и неживой природы проявляется в общности принципов модульного структурообразования всех стабильных форм конденсированного состояния. Модульная концепция самоорганизации всех стабильных структур позволяет охватить континуальные равновесные кристаллические структуры из евклидовых модулей ( Е<0) и неравновесные напряженные структуры из преобразованных неевклидовых модулей ( Е>0), на образование которых требуется энергия. Отказ от критерия стабильности в виде энергетического минимума, отражающего идею баланса, также соответствует «статистической познавательной модели, которая рассматривает мир как совокупность балансов, средних и инвариантов» (Чайковский Ю.В. Исследования по математической биологии. Пущино, 1996. С. 173).

Изменение роли математики в развитии естественных наук и характера их междисциплинарных связей

Изменение роли математики в развитии естественных наук также следует отнести к важнейшим изменениям, характеризующим смену неклассической парадигмы на постнеклассическую. Ныне актуальна проблема: является ли геометрия всеобщей доказательной про-

241

граммой знания в силу того, что она строго фиксирует неизменность исходных постулатов и все еще остается эталоном методологически доказательного знания и самого доказательства. «Если определять науку как уровень понимания мира, то уровень развития самой науки связан не с уровнем достигнутого знания, а с умением критически пересматривать принятые догмы, умением точно формулировать свои теории и, наконец, с целостностью видения мира. Уровень науки следует связывать с уровнем философско-методологической рефлексии» («А.А.Любищев», М., 1982. С. 102). Цели математизации естественных наук А.А.Любищев видел в достижении некоторого уровня четкости утверждений (ясного выделения постулатов и отчетливого понимания статуса различных утверждений) и в обнаружении некоторой математической структуры, воплощенной в описываемом явлении. По его мнению, «уровень математизации науки зависит не столько от существующих возможностей, сколько от ощущения ее необходимости». Математику он рассматривал как средство для вывода естественных наук на номогенетический уровень. Любищев так же точно определил признаки и принципы настоящей науки: «Настоящая наука начинается там, где в основе знания лежит точно сформулированная теория с указанием сфер ее применяемости. Важным эвристическим принципом являются утверждения: 1) все разрешенное достаточно полной теорией должно существовать в природе и 2) в системе фактов надо искать фундаментальные математические законы, воплощающие эти факты» (Там же. С. 111). Это проявляется в тенденции геометризации естественных наук и возникновении различных структуралистских методологических движений в естествознании, и в первую очередь в биологии.

Математика кардинально изменяет свою роль в развитии естественных наук, она перестает быть неким формальным языком науки и способом оформления ее результатов («служанка наук»), она вновь становится «царицей наук». Возрастает эвристическая роль математики в естественных науках: ее результаты прямо переносятся в них и становятся непосредственными источниками новых знаний. Например, в построенной нами иерархической декагональной мозаике Пенроуза по общепринятым в математике локальным правилам сборки тайлов установлена геометрическая прогрессия (с модулем 1,902=(φ2+1)1/2) в законе увеличения расстояний центров новых систем последующих уровней иерархии от общего глобального центра (3,816=φ2+1=1,9022) (The Field Monograph Institute), которая почти в точности совпадает с геометрической прогрессией (с модулем 2) в знаменитом эмпирическом законе Тициуса-Боде (Rn=4+3×2n), описыва-

242

ющем увеличение расстояний планет в Солнечной системе от ее центра (Ньетто М.М. Закон Тициуса-Боде. М., 1976). Роль математики как «непосредственного источника знания» в биологии можно показать на примере трехмерных системообразующих пропенсивных структур из частиц с тетраэдрической симметрией направленности их соединения между собой. Очевидно, что «физико-химическая конкретика» (состав частиц, тип связей) не была заложена в основу их дедуктивного вывода, который был чисто геометрическим, и далее структуры отбирались по соответствующим реалиям этой «конкретики» (Бульенков Н.А. // Биофизика. 1991. Т. 36, № 2. С. 181–243; Лобышев В.И., Соловей А.Б., Бульенков Н.А. // Биофизика. 2003. Т. 48, № 6. С. 1011–1021). Частичная релаксация неизбежных напряжений в этих структурах из неевклидовых модулей, необходимая для достижения их стабильности, возможна только в случае слабых связей типа водородных, а их тетраэдрическая направленность возможна только

вструктурах воды, образованных этими Н-связями вследствие: 1) близости значений углов сильных валентных связей (О-Н) ≈ 104° и тетраэдрических слабых Н-связей (O-H...O-H), ( ≈ 109,5°) и 2) способностью молекул воды образовывать с соседними молекулами в структуре по четыре Н-связи. Здесь уместно процитировать А. Уайтхеда: «Идея выбора живой природой для своих объектов неких моделей избранных форм не должна противоречить идее, что эти модели возникают в природе в результате тех или иных физико-химических процессов» (Уайтхед А.Н. Избр. работы по философии. М., 1990. С. 589).

Такая роль математики будет способствовать изживанию редукционизма в естественных науках и их переходу к системной методологии, а также к подлинной реализации деятельностного подхода в методологии как на уровне «субъективной реальности», где будут выявляться, а не формироваться модели «избранных форм», так и на стадиях их актуализации на уровне объективной реальности, создавая промежуточные структурные модели (прекурсоры, темплаты и т.д.), необходимые для реализации «генерального плана» моделей этих избранных форм.

Заметно изменится роль физики в развитии естественных наук от доминирования в качестве «идеального примера» для подражания

вдостижении ими статуса «точной науки» до, по меньшей мере, положения равноправного члена в наметившемся единстве в виде цикла «Nanosciences», отказавшись от идеи тотальной «физикализации» естественных наук (внедрение статистических представлений и идей об относительности экспериментальных методов). В радикальном виде эту тенденцию еще в начале ХХ века сформулировал Д.Холдейн:

243

«Нет никаких оснований сомневаться в том, что наступит время, когда появится точка соприкосновения биологии с физикой. Но можно с уверенностью сказать, что если при этом одна из наук поглотит другую, то этой другой наукой будет физика» (Лима-де-Фариа А. Эволюция без отбора. Автоэволюция форм и функций. М., 1991. С. 115). Эта точка зрения отлично выражает возрастающую и, возможно, лидирующую роль биологии в естественных науках и технологиях будущего, но вряд ли можно думать о поглощении одной наукой другой. Очевидно дальнейшее более тесное взаимодействие естественных наук в едином естествознании с более целостным видением мира и с более возрастающей ролью биологического понимания сложности системной иерархичности и взаимосвязей. В самой биологии и особенно в ее наиболее редукционистской области — молекулярной биологии — вполне возможна «революция» коперниканского типа, заключающаяся в переносе центра внимания с «видимых» экспериментальными методами органических структурных составляющих на «невидимую» ими общую водную структурную составляющую, объединяющую все составляющие биосистем в единое целое со строго определенной структурой и определенными функциональными свойствами. Без этого поворота в научном сознании мы не сможем полностью понять механизмов самоорганизации биосистем, формообразования и функционирования. В традиционном для современной биологии утверждении, что физические свойства воды совершенно идеально приспособлены для нужд живых систем, по-видимому, перепутаны причина и следствие. «Живая система была, если можно так выразиться, «сконструирована» применительно к такому растворителю, как вода. Свойства молекул воды были частью программы, заложенной в эволюционную «вычислительную машину». Поэтому неудивительно, что конечный результат так хорошо подогнан к этим свойствам» (Грин Д., Гольдбергер Р. Молекулярные аспекты жизни. М., 1968. С. 21). Безусловно, возрастет и роль химии, особенно в развитии нанотехнологии. Уже сейчас очевидна тенденция слияния различных ветвей химии (органическая, неорганическая, биоорганическая, коллоидная и т.д.) в общую химическую науку на основе, в первую очередь, развивающихся структурных представлений, названную Ж.-М.Леном «Structural Chemistry», с более высоким уровнем ее геометризации и развития теоретико-групповых методов (Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы. М., 1998. С. 25). Методы нанотехнологии, особенно в области создания биомиметических и биоминеральных нанокомпозитов, возможно, заложат эксперименталь-

244

ную основу изучения самоорганизации и формообразования биосистем на абиотической стадии химической эволюции живой природы и ранних стадиях возникновения жизни.

Социокультурный вызов

Познавательная модель естественных наук обычно заимствуется из наук общественных и из техники (Карпинская Р.С., Лисеев И.К., Огурцов А.П. Философия природы: коэволюционная стратегия. М., 1991.) и поэтому «оказалось возможным вчерне описать развитие европейского научного мировоззрения за последнюю тысячу лет (с Х по ХХ в.в.). Античность и Восток таким образом описать не удается» (Чайковский Ю.В. Исследования по математической биологии. Пущино, 1996. С. 172). В настоящий период эта закономерность также будет нарушена вследствие необходимости коренного пересмотра типа западной рациональности и невозможности дальнейшего развития в направлении модернизации техногенной цивилизации. Поэтому необходима подготовка сознания научного содружества и всего общества к неизбежности таких коренных изменений, в первую очередь, в отношении к природе и в понимании того, что направление дальнейшего прогресса цивилизации должно быть принципиально иным. Помимо этого надо осознать, что должен измениться и сам тип человеческой жизнедеятельности, причем не только современного эгоистического общества потребления «золотого миллиарда», но и остальной части человечества. Очень трудно объяснить потребителю благ современной цивилизации, что массовое стремление к благополучию и «гедонизму» на фоне экологических и техногенных катастроф, неизбежного скорого исчерпания невозобновляемых природных ресурсов и экономических кризисов ведет к неминуемой катастрофе. Но при этом социокультурная деятельность ученых и деятелей культуры не должна порождать атмосферу страха и апокалипсиса, характерного для «общества риска». Нужно найти очень точные слова и привести примеры успешных реализаций принципиально новых технологий, радикально способствующих устранению цивилизационного кризиса. Возрастание роли биологических принципов в таких технологиях, заимствованных у Природы, должно способствовать «новому пониманию необходимости гармоничного взаимодействия человека с Природой, что откроет путь к синтезу новых культурных традиций, в первую очередь Востока, и создаст предпосылки для нового цикла

245

цивилизационного развития» (Стёпин В.С. // Вестн. РАН. 1997. Т. 67, № 5. С. 387–395). Усвоение этих традиций Востока и Античности ускорит создание нового типа рациональности. Актуальной проблемой нашего времени является сближение двух других типов рациональности. Научной и метафизическо-философ- ской, так как, по Любищеву, «Наука слова, как и в античные времена оказалась в ситуации “необходимости вытаскивать самого себя за волосы”, но имея достатчно эффективных методов исследования и адекватных предстоящим задачам теоретических представлений». Поэтому важной проблемой является искоренение мифа в сознании общества о непреодолимых противоречиях и антагонизме материализма и идеализма, вечно борющихся антиподов, но так и не одержавших победу друг над другом. Возникает задача разъяснения роли идеализма

вразвитии теоретических основ естественных наук и их математизации — необходимого условия для их дальнейшего плодотворного развития (в традиции А.А.Любищева «Линии Демокрита и Платона в истории культуры»).

Обращение к античному идеализму — платонизму в виде двух типов реальности (субъективной и объективной) позволило создать целостный подход к важнейшей проблеме изучения био- и наносистем: их самоорганизацию и формообразование, в котором использованы конкретные представления дискретной геометрии и ее раздела — кристаллографии, а также структурной химии и биологии. В связи с необходимостью осознания существования субъективного типа реальности в виде пропенсивных структур, в том числе и детерминированных фрактальных структур воды — матриц для самоорганизации иерархических биосистем со специфической «золоточисленной» метрикой, важно развеять миф о магических и непонятных нам свойствах пропорций «золотого сечения» — важнейшего условия образования самоподобных иерархических систем и критерия эстетического совершенства.

Необходимо переиздать, снабдив хорошими комментариями, труды, книги крупнейших знатоков этой проблемы: М.Гика «Эстетика пропорций в природе и искусстве» (М., 1936), Ле Корбюзье «Модулор» (М., 1976), Д.Хэмбидж «Динамическая симметрия в архитектуре» (М., 1936), Э.Мессель «Пропорции в античности и средние века» (М., 1936) и др. «Золотое сечение» — это не только эстетический критерий в архитектуре и изобразительном искусстве. Оно должно получить серьезное теоретическое обоснование и должно быть включено

вязык и методы современного естествознания. Надо издавать книги, четко и доступно излагающие эти проблемы для школьников, такие, как книга А.В.Волошинова «Пифагор» (М.: Просвещение, 1993). Осо-

246

знание вечности критериев красоты и эстетики, добра и зла позволят человечеству преодолеть последствия массовой культуры — тяжелого наследия постиндустриального и информационного общества. В связи с этим следует вспомнить слова А.Эйнштейна в письме к Ле Корбюзье — создателю «Модулора», гармонизирующего эстетическую среду обитания человека: «Это гамма пропорций, которая делает плохое трудным, а хорошее легко достигаемым» (Ле Корбюзье. Модулор. М., 1976. С. 14).

Приложение

Исходные евклидовы кристаллические модули и их кооперативные преобразования в неевклидовы модули

В кристаллических структурах по структурным мотивам Н.В.Белова можно однозначно выделить минимальные повторяющиеся фрагменты — «кристаллические модули» («кванты» кристаллического состояния или «кристаллические молекулы» по Е.С.Фёдорову), полностью определяющие стехиометрию, симметрию, дальний порядок кристалла и даже морфологию кристалла вплоть до строения и ориентации его важнейших граней и ребер. Полиэдры кристаллических модулей при их трансляционном переносе охватывают все атомы структуры. В модуле атомы размещаются только на его вершинах, ребрах и гранях. Поэтому модульное разбиение кристаллического пространства соответствует: 1) разбиению по всем химическим связям, включая и слабые, и 2) полной связанности структур — более общему условию их стабилизации. Общепринятый критерий стабильности, соответствующий минимуму свободной энергии, относится только к равновесным кристаллическим структурам.

Кооперативное преобразование евклидовых кристаллических модулей в неевклидовы модули нелинейных структур искривленных пространств возможно путем введения в их замкнутую оболочку соответствующих дисклинаций или диспираций. Например, кристаллические модули тетраэдрических структур алмаза и льда IH можно преобразовать введением в их оболочку «± 60°» диспираций в неевклидовы модули, оболочки которых также образованы гексациклами, но с другими конформациями. При этом в них сохраняются подгруппы симметрии точечных групп исходных кристаллических модулей. Неевклидов модуль, полученный из модуля льда IH, можно объединить в кластеры (по сплетениям групп симметрий), а эти кластеры —

247

в одномерные кристаллические стержни, из которых можно образовать дисконтинуальные системообразующие иерархические фрактальные структуры.

Модульное строение является универсальным для всех типов стабильных структур, включая и биологические, а их самоорганизация в замкнутые двух- и трехмерные модульные «петли» может быть описана либо закономерными последовательностями «внутренних координат» (межатомные расстояния (dij); валентные (α) и торсионные (θ) углы), определяющих геометрию модуля, либо алгоритмами модульного дизайна — бинарные операции симметрии (трансляции или плоскость, двойная ось и центр симметрии), соединяющие модули в структуре.

Принципы модульного дизайна

При обычных математических методах моделирования структур после присоединения отдельного атома к разным позициям в структуре рассчитываются, а затем сравниваются значения потенциальной энергии. В геометрическом методе модульного дизайна атомы присоединяются только к тем позициям в структуре, в которых было бы возможно замыкание модульных петель при минимальном присоединении атомов. Формально этот процесс можно представить как присоединение модульного полиэдра с той же ориентацией, что и у вновь образовавшегося модуля при присоединении к структуре отдельных атомов. Дизайн только из модульных полиэдров соответствует выполнению условия стабильности структур — полной стыковке всех связей, а следовательно, и возможности модульного разбиения вновь созданной структуры. Самоорганизация структур связанной воды происходит не из модулей, а за счет присоединения димеров к «выступам» гексациклов типа «твист-ванна». Но в этих структурах «внутренние координаты» (d, θ, и α) не имеют, в отличие от кристаллов, фиксированных значений, а дисконтинуальный характер структур допускает ветвление путей агрегирования модулей в них. Поэтому модульный дизайн по определенным алгоритмам, соответствующим бинарным операциям в сплетениях групп симметрии и по которым соединены модули в структуре, является эффектным методом создания стабильных структур.

Важным принципом модульного дизайна является необходимое условие наличия последовательности структурных состояний, связанных между собой либо возможными эволюционными изменениями их структур (например, в иерархических системообразующих структурах воды), либо во взаимных канализированных кооперативных переходах модулей и их кластеров.

248

Другим принципом является стремление к параметрическому, а не комбинаторному модульному дизайну, что позволяет создавать структуры аппроксимантов с максимально возможной симметрией, вплоть до длиннопериодических структур «кристаллических аппроксимантов», например, квазикристаллов всех четырех типов симметрии из одного и того же структурного инвентаря (кластеров модулей и иерархических модулей из них). Из этих аппроксимантов методом «регрессивной эволюции» («сверху вниз») можно получить все известные состояния апериодических квазикристаллов вплоть до металлических стекол, сохраняя структурные инварианты низших уровней иерархии. Реконструкция высокосимметричных структур из менее упорядоченных («снизу вверх») невозможна.

Возможны ли объективные критерии достоверности модульного дизайна?

Опыт многочисленных успешных реализаций модульного дизайна разных типов структур обобщенной кристаллографии позволяет дать утвердительный ответ.

К числу таких критериев можно отнести:

1)возможность дедуктивного вывода детерминированных модульных структур по принципу «снизу вверх» из минимального числа структурных инвариантов при соблюдении геометрических законов структурной химии;

2)исходные инварианты (неевклидовы модули) должны быть выведены из модулей достоверно известных кристаллических структур путем их кооперативных преобразований: дисклинационным или диспирационным по параметрам простых или винтовых осей симметрии

впространственной группе исходной кристаллической структуры;

3)детерминированный характер структур должен определяться алгоритмами в виде модулей и их соединений по операциям симметрии сплетений групп, а в более простых случаях модульный алгоритм самоорганизации может быть выражен и через «внутренние координаты», широко применяемые в структурной химии;

4)возможность компьютерной реализации детерминированных модульных структур по алгоритмам модульного дизайна;

5)последовательность эволюционного и дедуктивного развития моделируемой структуры (например, в случае металлических икосаэдрических кластеров достоверность определяется всей последовательностью структур кластеров, соответствующих одному ряду «магических чисел»);

249

6)созданная модель должна соответствовать всей совокупности взаимосвязанных свойств по принципу «все или ничего»;

7)преемственность идеям и тенденциям развития современной

науки.

Поля охвата модульной обобщенной кристаллографии и возможности ее основного метода — модульного дизайна

Впервые эту проблему поставили Дж.Бернал (Дж.Д.Бернал, С.Х.Карлайл (1968) «Кристаллография». Т. 13, № 5. С. 910–918). Целью создания такого обобщения кристаллографии является охват ее методами всего многообразия форм стабильных структур конденсированного состояния, включая и дисконтинуальные структуры. Для такого обобщения необходимо введение нового понятия, более общего, чем «решетка», но органически связанного с ним и отражающего универсальность метода самоорганизации структур всех форм стабильных состояний, включая и кристаллы. Введение понятия «кристаллический модуль, соответствующего разбиению структуры по всем химическим связям, а также возможность его кооперативных преобразований в неевклидовы модули путем введения дисклинаций или диспираций позволили реализовать модульное обобщение кристаллографии, используя модульный дизайн при сохранении метода симметрии. А.Маккей (Маккей А. // Кристаллография. 1981. Т. 26, № 5. С. 910–919; Маккей А. // Структурные исследования кристаллов. М., 1996. С. 435–445) интуитивно показал характерные особенности обобщенной кристаллографии, назвав ее «новой наукой о структуре вещества на атомном уровне»:1) квазиидентичность; 2) локальные области симметрии; 3) искривленные (нелинейные) пространственные элементы морфологии; 4) конечное число элементов (кластеры), из которых образована структура; 5) агрегирование этих элементов путем включения других составляющих (компонент); 6) иерархическое агрегирование со многими уровнями и общие операции симметрии; 7) ветвящиеся пути агрегирования универсальных структурных единиц, приводящие к многообразию неравновесных структур обобщенной кристаллографии. Соответствие этим особенностям структур обобщенной кристаллографии будет далее показано на примерах модульных иерархических структур воды с системными свойствами. Кроме того, Дж.Бернал и А.Маккей показали возможные поля охвата обобщенной кристаллографии (Бернал Дж. Возникновение жизни. М., 1969. С. 338–350; A.L.Mackey (1986) // Symmetry: Unifying Human Understanding. Р. 21–39 /Еd. I. Hargittai, Pergamon Press). Ме-

250