Концепции современного естествознания

С этой задачей справился позже английский естествоиспытатель Чарлз Дарвин (1809-1882) в своей главной книге “Происхождение видов” (1859). Основная заслуга Дарвина - концепция естественного отбора, основанного на наследственной изменчивости и борьбе за существование.

Книга Дарвина нанесла серьезный удар по креационизму и совершила настоящий переворот в области биологии. Однако ее значение вышло за пределы естествознания, так как она затрагивала многие морально-этические проблемы. В 1871 году Дарвин издал книгу “Происхождение человека и половой отбор”, в которой доказал родство человека с приматами и вскрыл причины и закономерности антропогенеза.

Позже Ф.Энгельс внес дополнения в теорию антропогенеза, сделав акцент на роли трудовой деятельности в процессе превращения обезьяны в человека. И, наконец, XX век принес неоспоримые и обильные палеонтологические данные, подтверждающие естественное происхождение человека от высших приматов.

Революция, совершенная Дарвином в 1859 г., - возможно, наиболее фундаментальная из всех интеллектуальных революций в истории человечества. Она не только уничтожила антропоцентризм, но и затронула все метафизические и этические понятия (Э.Майр. Смена представлений, вызванная дарвиновой революцией. Из истории биологии, вып. 5. М.: Наука, 1975, 3-25). Период с 1800 г. до середины столетия был свидетелем величайшего расцвета в Великобритании естественной теологии. Выискивать дополнительные доказательства мудрости и постоянного внимания Творца стало нравственным долгом ученого. (Агассис: “Наша задача ... завершается, как только мы доказали Его существование”).

Мир считался созданным в 4004 г. до н.э. и неизменным (современный пример - фильм “Происхождение”). Лестница существ - часть божественного плана - объясняла более высокую и более низкую организацию животных, а всемирный потоп - существование ископаемых форм. Все сделано согласно плану. Поскольку виды неизменны, то все, что их касается, -область распространения, приспособления против конкурентов и врагов и даже время вымирания - было заранее определено, т.е. предопределено.

В результате дарвиновой революции представление о мире, созданном в один миг, было заменено понятием о постепенно развивающемся мире, в котором человек является частью эволюционного потока.

Дарвинова революция потребовала не просто замены одной научной теории другой, а в сущности отказа от основных широко распространенных убеждений. Она вызвала значительно большие последствия за пределами науки, нежели любая революция в области физики.

Теория относительности Эйнштейна и теория Гейзенберга едва ли могли оказать какое-нибудь влияние на чьи-либо личные убеждения. Революция, совершенная Коперником, и взгляд Ньютона на мир требовали известной ревизии традиционных убеждений. Но ни одна из этих теорий не подняла так много вопросов, относящихся к религии и этике, как дарвинова теория эволюции посредством естественного отбора.

Дарвин, приступая к созданию своей эволюционной теории, был уже убежденным материалистом. Это доказано американцами Говардом Грубером и Полом Берретом в книге “Дарвин о человеке” (1974). Авторы в записных книжках Дарвина 1837-1839 г.г. нашли следующие высказывания:

“Чтобы избежать выяснения, насколько я убежден в материализме, скажу только, что чувства, инстинкты, степени таланта, которые наследственны, являются такими потому, что мозг ребенка похож на родительскую конструкцию. Дух есть функция тела”. В механической картине мира Вселенная представляется как механическое соединение частей. С именем Фарадея связано формирование электродинамической картины мира. А с 1910 года в науку начинают входить квантовые представления о корпускулярно-волновом дуализме элементарных частиц и наступает время новой, современной картины мира.

Для науки нашего времени мир, как и в древние времена, - это единое органическое целое.

Согласно общей теории систем (Л. фон Берталанффи): Система - совокупность взаимодействующих элементов, объединенных в целое выполнением некоторой общей функции, несводимой к функциям ее компонентов.

Система:

1) взаимодействует со средой как целое;

2) состоит из подсистем более низкого уровня;

3) сама является подсистемой для систем более высокого уровня;

4) сохраняет общую структуру взаимодействия элементов при изменении внешних условий и внутреннего состояния.

Редукционизм - стремление сложное свести к простому, сложное объяснить через простое, способ сведения сложного к анализу явлений более простых, который является мощным средством исследования.

Это - метод мышления. Идеология редукционизма столь глубоко пронизала все физическое мышление, что большинство физиков глубоко убеждены, что все свойства макроуровня уже закодированы в моделях микроуровня.

Редукционизм в физике порождает ряд важных исследовательских программ. Одна из них, может быть, самая важная в современной теоретической физике, способная открыть совершенно новые горизонты познания, посвящена единой теории поля и включения гравитации в общую систему взаимодействий.

К числу подобных программ относятся и исследования И.Пригожина и его школы, посвященные проблеме “стрелы времени”.

Необратимость времени - это экспериментальный факт, который мы фиксируем на макроуровне. Но является ли необратимость времени особым свойством макроуровня или она оказывается следствием свойств микроуровня, который описывается квантовой механикой? Этот вопрос затрагивает самые глубинные слои познания. Н.Моисеев полагает, что ответ должен быть отрицательным. Дело в том, что основное уравнение квантовой механики - уравнение Шредингера - инвариантно относительно направления времени. И у нас нет оснований сомневаться в его справедливости. Вполне допустима мысль о том, что на квантово-механическом уровне нет “стрелы времени”. Там царствует обратимость, и замена знака времени на обратный ничего не меняет в характере процессов, протекающих на этом уровне.

Интересна судьба редукционизма в биологии, который выразился в стремлении объяснить процессы, протекающие в живом веществе, только законами физики и химии. Многие факты действительно получили свое относительно простое объяснение в рамках редукционизма, например, явления наследственности, поэтому влияние редукционизма в биологии оказалось весьма значительным.

Бертран Рассел, кажется, сказал однажды, что, как это ни удивительно, но все свойства живого вещества можно будет предсказать однажды, ибо они однозначно определяются особенностями электронных оболочек атомов, в него входящих.

Работы М.Эйгена представляют собой попытку объяснить процессы, протекающие в живом организме, законами физики и химии.

Тем не менее, биология не принимает положения о том, что свойства системы однозначно определяются свойствами ее элементов и структурой их связей. Тем более это положение не может быть принято науками об обществе. Более верным является представление о том, что при объединении элементов происходит образование новой структуры, обладающей специфическими качествами. В процессе сборки возникают новые системные свойства, не выводимые из свойств объектов более низкого уровня.

Развитие нашего мира на всех его уровнях представляется в форме некоторого процесса непрерывного возникновения (и разрушения) новых систем с возникновением новых свойств, нового качества.

Теория устойчивости термодинамических систем носит в основном качественный характер.

Положение монеты, лежащей на столе, устойчиво; стоящей на ребре -неустойчиво.

Каждая термодинамическая система подвержена самопроизвольным возмущениям, или флуктуациям. Если система устойчива, флуктуации затухнут, и энтропия примет первоначальное значение. Напротив, если первоначальное состояние неустойчиво, любая флуктуация приобретает макроскопические размеры и движет систему в совершенно новое состояние.

Неустойчивость может быть следствием флуктуаций любого термодинамического параметра.

Линейная область термодинамики необратимых процессов характеризует состояния, близкие к состоянию равновесия. Стационарные состояния таких процессов характеризуются минимальной скоростью производства энтропии, что обеспечивает устойчивость стационарных состояний вблизи равновесия.

В области линейности неравновесных состояний критерии устойчивости и эволюции тесно связаны. Судьба системы будет раз и навсегда предопределяться наложением не зависящих от времени граничных условий.

Для нелинейной термодинамической системы функция кинетического потенциала не может быть установлена. Неравновесные состояния не могут устоять перед натиском флуктуаций, поскольку они не имеют никакого механизма, который способствовал бы устранению этих флуктуаций. Они могут усиливаться и тем самым коренным образом изменять поведение системы.

Об устойчивости неравновесных стационарных состояний вдали от равновесия можно судить по знаку избыточного производства энтропии: если знак отрицательный, система неустойчива, и, наоборот, положительный знак указывает на то, что стационарные состояния асимптотически устойчивы.

В настоящее время известно много примеров неустойчивых нелинейных систем, которые играют решающую роль в понимании динамических свойств материи, необычного характера протекания химических реакций, организации биологических систем и даже некоторых сторон жизни сообществ - от бактерий до человека.

Некоторые примеры неустойчивых, далеких от равновесия стационарных состояний:

Конвективная неустойчивость Бенара (1900). Слой жидкости между двумя горизонтальными пластинками с разной температурой. При пороговом значении разности температур появляются устойчивые конвективные ячейки, имеющие форму роликов. Соседние ролики вращаются в противоположных направлениях. При достижении нового порогового значения скорость образования и температура ячеек начинает периодически изменяться с постоянной частотой и предсказуемым образом.

Неустойчивость по Тейлору - жидкость между двумя концентрическими цилиндрами, причем внутренний вращается.

В обоих случаях бесформенная жидкость самопроизвольно организуется в форму роликов или шестигранников или же в слоистые структуры. Примечательно, что такая организация является следствием рассеяния энергии системы при сохранении неравновесности за счет постоянного притока притока энергии из внешней среды. Как только приток энергии прекращается, система возвращается к исходному состоянию.

Во многих отношениях классическое термодинамическое описание биологических явлений часто оказывалось несостоятельным. Самая существенная черта биологических систем - временной и пространственный порядок. Кроме того, биологическая упорядоченность, по-видимому, является внутренней сущностью данного организма, и он индивидуально и специфически отвечает на внешние раздражители, в то время как упорядоченность равновесного состояния неживых систем предопределена внешними условиями.

Открытие природы неустойчивости стационарных состояний систем, далеких от термодинамического равновесия, послужило основой понимания спонтанного возникновения процессов, которые приводили к ярко выраженной пространственно-временной организации физико-химической системы.

Таким образом, критерий устойчивости - это мост между физико-химическими системами и биологической организацией.

Большинство химических реакций протекает вдали от термодинамического равновесия и устойчивости стационарного состояния могут угрожать автокаталитические стадии. В этом случае срабатывает механизм обратной связи, когда продукт реакции участвует в синтезе самого себя.

Биохимические системы включают в себя длинную цепь из многих тысяч биохимических реакций. Их главная особенность состоит в наличии ферментативного катализа и механизмов обратной связи. Кроме того, живые организмы представляют собой открытые системы, они проявляют черты диссипативных структур.

Развитые П.Гленсдорфом и И.Пригожиным критерии эволюции и устойчивости неравновесных систем примирили живой мир с термодинамической теорией. Как только ученые убедились, что нет никакого противоречия между законами макроскопической физики, свойствами самоорганизации материи и биологическими функциями, для исследования этих процессов открылись новые пути.

Кооперация на молекулярном уровне лежит в основе нескольких типов надмолекулярной организации материи. Такая организация материи проявляется самопроизвольно как неотъемлемое свойство любой данной химической реакции в отсутствие каких бы то ни было организующих факторов. Таким образом, мы можем говорить о самоорганизации гомогенной материи. С другой стороны, для такой самоорганизации требуется постоянный приток и отток вещества и энергии, и поэтому мы также говорим о диссипативных структурах.

Описание процесса самоорганизации материи - эволюции Вселенной опирается на два постулата:

1) материя обладает свойством саморазвития -принцип синергизма и

2) Вселенная возникла 15-20 млрд лет назад -принцип начала.

Эволюция Вселенной представляет собой грандиозную панораму возникновения их хаоса все новых систем разной временной и пространственной протяженности. Эти образования далеки от равновесия, квазистабильны и, разрушаясь, снова возвращаются в хаос, давая материал для новых квазистабильных образований.

Для любых достаточно сложных систем, как и для общего мирового процесса развития характерны два свойства: 1) принципиальная неустойчивость - два близких начальных состояния могут порождать совершенно различные траектории развития; 2) принципиальная стохастичность - непредсказуемость внешних воздействий. Эти свойства характеризуют хаотичность.

Указанные свойства порождают закон дивергенции, следуя которому процессы развития приводят к фантастическому разнообразию форм организации материи.

Еще одно свойство развития - направленный характер: происходит непрерывное усложнение организации. Этот феномен развития, как и тесно с ним связанную ассиметрию времени, мы до сих пор не можем обосновать, принимая лишь как “эмпирическое обобщение”.

Еще одно эмпирическое обобщение - жизнь существует, во всяком случае на Земле, где она однажды возникла. Возникновение жизни - естественный этап саморазвития Земли.

Переход от неживого к живому - один из этапов процесса самоорганизации материи.

Появление жизни изменило характер эволюции географической оболочки Земли. Граниты, гнейсы, песчаники - результат взаимодействия биогеохимических и тектонических процессов. Изменился состав гидросферы и атмосферы.

Царство прокариотов продолжалось около 2 млрд лет. Они насытили атмосферу кислородом. Им на смену пришли эукариоты, которые отличались более эффективным использованием энергии, с чем связана их способность к более быстрой эволюции и к самосовершенствованию. Появление эукариотов - грандиозная перестройка биосферы.

Возникновение разума - столь же загадочная перестройка процесса развития мира, как и возникновение жизни. Наш мозг породил способность познавать самого себя, видеть себя со стороны, познавать окружающий мир и задумываться над тайной своего происхождения.

Благодаря появлению разума возникает общество как совокупность индивидуумов, личностей, способных к совместному труду и творчеству в материальной и духовной сфере.

История человека включена в историю биосферы. Развитие человеческого общества - такой же естественный процесс, как формирование галактик и развитие вируса.

Таков, по Н.Моисееву, эскиз единого процесса самоорганизации (процесса синергизма), протекающего в нашей Вселенной.

Единый процесс развития охватывает неживую природу, живое вещество и общество - три уровня организации материального мира - три звена единой цепи. Необходимо создание единого языка для описания этого единого процесса развития. В основу такого языка может быть положена дарвиновская триада: изменчивость, наследственность и отбор, но содержание этих понятий должно быть расширено.

Изменчивостью можно назвать любые проявления стохастичности и неопределенности. Неопределенность и стохастичность - объективная реальность нашего мира, которая проявляется в контексте необходимости, т.е. законов.

Случайность и неопределенность - характеристики всех процессов, протекающих в неживой природе (турбулентность, броуновское движение), в живой природе (мутагенез), в обществе (конфликты).

Изменчивость создает поле возможностей, из которого возникает многообразие процессов и организаций. Она вместе с тем служит и причиной их разрушения. Такова диалектика самоорганизации (синергетики).

Стохастичность и неопределенность в повседневной жизни людей проявляются в неоднозначности отображения реального мира в своем сознании, в неопределенности поведения и реакций на воздействия окружающего мира.

Второй фактор - наследственность. Этим термином можно обозначить не только способность сохранять свои особенности, но и изменяться от прошлого к будущему, способность будущего зависеть от прошлого. Наследственность отражает влияние прошлого на будущее. Будущее определяется прошлым в силу стохастичности неоднозначно.

Отбор - третье и самое трудное понятие триады. Недавно было открыто и изучено явление, получившее название “странный аттрактор”. Оказалось, что траектории многих детерминированных динамических систем могут полностью заполнять некоторый фазовый объем: в любой окрестности любой точки этого объема всегда будут находиться точки, принадлежащие траектории одной и той же системы, порожденные одним и тем же начальным состоянием. Более того, этот объем будет притягивать и остальные траектории системы.

Движения таких систем характеризуются высшей степенью неустойчивости: две любые сколь угодно близкие точки будут порождать совершенно различные траектории. Принцип Адамара “малым причинам должны отвечать малые следствия”, который долгое время играл важную роль в математической физике, теперь приходится пересматривать.

Траектории систем, обладающих “странным аттрактором”, несмотря на то, что они описываются вполне детерминированными уравнениями, подобны траекториям, порождаемым случайными причинами. Они хаотичны, их развитие невозможно прогнозировать.

Может быть, неустойчивости, порождающие хаос и неупорядоченность, -это естественное состояние материи, ее движения, на фоне которого лишь как исключения возникают более или менее стабильные образования? Может быть только эти образования мы и можем наблюдать, а все остальное происходит без свидетелей?

В этом случае принципами отбора можно назвать причины, которые приводят к существованию устойчивых образований в нашем нестабильном мире.

Наш опыт показывает, что кажущийся хаос случайностей рождает нечто определенное и закономерное. Законами природы мы называем те связи между явлениями природы, которые мы можем установить эмпирически или средствами логического мышления. Эти связи определяют процессы самоорганизации нашего мира.

В механике со времен Мопертюи и Лагранжа принято говорить о виртуальных движениях или множествах возможных движений, которые могут порождаться любыми произвольными, в том числе “случайными” причинами. Значит, уже в XVIII веке было понято, что изменчивость предоставляет природе целое поле возможностей, из которых отбирается лишь некоторая совокупность, удовлетворяющая некоторым специальным условиям (принципам отбора). Было установлено, что реальные движения отбираются из множества виртуальных с помощью законов Ньютона, которые и являются простейшими принципами отбора (концепция фильтра).

Принципами отбора являются все законы сохранения, законы физики и химии, второй закон термодинамики, в экономике - условия баланса.

Особую роль в мировом эволюционном процессе играет принцип минимума диссипации энергии: если допустимо не единственное состояние системы, а целая совокупность состояний, согласных с законами сохранения и связями, наложенными на систему, то реализуется то состояние, которому отвечает минимальное рассеивание энергии, или, что то же самое, минимальный рост энтропии.

Этот принцип следует рассматривать как эмпирическое обобщение. По своей формулировке он похож на принцип минимума потенциала рассеяния Л.Онсагера и принцип минимума производства энтропии И.Пригожина.

Н.Моисеев полагает, что принцип минимума диссипации энергии есть частный случай значительно более общего принципа “экономии энтропии”. Представляется справедливой следующая гипотеза. Если в данных условиях возможны несколько типов организации материи, согласующихся с другими принципами отбора, то реализуется та структура, которой отвечает минимальный рост (или максимальное убывание) энтропии. Поскольку убывание энтропии возможно только за счет поглощения внешней энергии и вещества, реализуются те из мысленно возможных (виртуальных) форм организации, которые способны в максимальной степени поглощать внешнюю энергию и вещество.

Этот принцип отбора Н.Моисеев называет обобщенным принципом диссипации.

Существует, по крайней мере, два класса механизмов эволюции. К первому можно отнести адаптационные механизмы - дарвиновские механизмы естественного отбора, действующие не только в биологии, но и в физике, химии, технике и обществе. Адаптация или самонастройка обеспечивает развивающейся системе стабильность в конкретных условиях. Изучая эти условия можно предвидеть тенденции в изменении параметров системы (пример - селекция). Пути развития системы ограничиваются каналом эволюции, установленным природой, и в этом случае путь развития предсказуем с некоторой точностью.

Другой тип механизмов эволюции справедлив для систем, обладающих пороговыми состояниями, переход через которые ведет к резкому, качественному изменению протекающих в них процессов - к изменению их организации (пример: переход ламинарного течения в турбулентное с ростом расхода жидкости).

Очень важно при этом следующее: переход системы в новое состояние в пороговой ситуации неоднозначен, так же как и характер ее новой организации, то есть после бифуркации существует целое множество возможных структур, в рамках которых будет в дальнейшем развиваться система. И предсказать заранее, какая из этих структур реализуется, нельзя в принципе, ибо это зависит от тех неизбежно присутствующих случайных воздействий - флуктуаций внешней среды, - которые в момент перехода через пороговое состояние и будут определять обор.

Эта особенность пороговых (бифуркационных или катастрофических) механизмов играет особую роль в развитии нашего мира. Неопределенность будущего и есть главная особенность второго типа механизмов эволюции. Она есть следствие того, что будущее состояние системы при переходе ее через пороговое значение определяется флуктуациями, которые присутствуют всегда.

При переходе через бифуркационное состояние система как бы забывает (или почти забывает) свое прошлое. И в силу вероятностного характера перехода через это пороговое состояние обратного хода эволюции уже нет. Время, как и эволюция, приобретает направленность и необратимость.

Механизмы бифуркационного типа заставляют реабилитировать, в известной степени, теорию катастроф Ж.Кювье. Не только дарвиновское постепенное изменение видов характерно для эволюции жизни, но и быстрые перестройки. Дарвин или Кювье - такой вопрос неправомочен. И Дарвин, и Кювье - так правильно.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19