Концепции современного естествознания

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева» КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Конспект лекций Учебное пособие для студентов высших учебных заведений Чебоксары 2011 УДК 500 (075.8) ББК 20 я 73-2 К 78 Концепции современного естествознания. Конспект лекций : учебное пособие для студентов высших учебных заведений / сост. Воробьев Д. Н. – Чебоксары : Чуваш. гос. пед. ун-т, 2011. – 148 с. Печатается по решению ученого совета ГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева» Рецензенты: Васильева Э. В., кандидат философских наук, доцент кафедры философии гуманитарных специальностей им. проф. А. И. Петрухина ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова» Кириллова В. И., кандидат биологических наук, доцент кафедры биоэкологии и географии ГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева» Мартынов М. Ю., кандидат философских наук, доцент кафедры философии ГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева» © Воробьев Д. Н., составление, 2011 © ГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева», 2011 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ........................................................................................................................................ 6 Наука в культурно-историческом контексте....................................................................................... 7 1. Современное понимание науки. .................................................................................................. 7 2. Проблема возникновения науки. Исторические типы науки. ...................................................... 8 3. Три модели процесса научного познания.................................................................................. 13 Методы научного познания .............................................................................................................. 14 1. Современное понимание научного метода. .............................................................................. 14 2. Эмпирические методы научного познания................................................................................ 15 3. Теоретические методы научного познания. .............................................................................. 16 Методология научного познания...................................................................................................... 19 1. Методология: понятие и функции. ............................................................................................. 19 2. Уровни методологического знания. ........................................................................................... 21 3. Характеристика компонентов исследовательской деятельности. ............................................. 24 Научная картина мира ....................................................................................................................... 26 1. Понятие научной картины мира. ................................................................................................ 26 2. Специфика научной картины мира как формы знания. ............................................................. 27 3. Функции научной картины мира. ............................................................................................... 28 Основные концепции развития науки .............................................................................................. 32 1. Статическая модель научного познания. ................................................................................... 32 2. Модель внешнего функционирования науки Карла Поппера.................................................... 33 3. Модель внутреннего функционирования науки Имре Лакатоса. .............................................. 33 4. Модель научных революций Томаса Куна................................................................................. 34 5. Эволюционная модель развития науки Стивена Тулмина. ........................................................ 36 6. Концепция внешнего генезиса и функционирования науки Поля Фейерабенда...................... 38 Становление классического (механистического) естествознания ................................................... 41 1. Устройство мира с точки зрения античных и средневековых мыслителей. .............................. 41 2. Научная революция XVI-XVII вв. ................................................................................................. 45 3 3. Механистическая картина мира. ................................................................................................ 47 Становление неклассической физики............................................................................................... 49 1. Термодинамика. Электромагнитная картина мира.................................................................... 49 2. Опыты Майкельсона и Морли.................................................................................................... 51 3. Специальная теория относительности (СТО). ............................................................................ 52 4. Общая теория относительности (ОТО). ...................................................................................... 54 Квантово-полевая (неклассическая) физика .................................................................................... 56 1. Специфика субатомных объектов и квантовой механики. ........................................................ 56 2. Фундаментальные взаимодействия........................................................................................... 61 3. Теория элементарных частиц и вакуума. ................................................................................... 64 4. Основные положения квантово-полевой картины мира. .......................................................... 66 Концепции химического естествознания ......................................................................................... 67 1. Понятие химии. Главная задача химии и основные этапы ее развития. ................................... 67 2. Донаучный (ремесленно-алхимический) этап развития химии. ................................................ 68 3. Развитие представлений о химических элементах и периодический закон Д. И. Менделеева ......................................................................................................................................................... 69 4. Концепции структурной химии. ................................................................................................. 70 5. Концепции и законы химических процессов. ............................................................................ 71 6. Концепции и принципы эволюционной химии и самоорганизации химических систем. ........ 72 Элементы астрономических представлений .................................................................................... 74 1. Солнце ........................................................................................................................................ 74 2. Звезды......................................................................................................................................... 75 3. Галактики. ................................................................................................................................... 78 Планета Земля как объект естествознания....................................................................................... 82 1. Земля ........................................................................................................................................... 82 2. Литосфера, .................................................................................................................................. 85 3. Атмосфера .................................................................................................................................. 86 4. Гидросфера, ................................................................................................................................ 87 5. Биосфера..................................................................................................................................... 88 4 6. Погода и климат. ........................................................................................................................ 89 Концепции биологического естествознания .................................................................................... 91 1. Объекты биологического познания и структура биологических наук. ...................................... 91 2. Гипотезы возникновения жизни и генетического кода. ............................................................ 93 3. Концепции биологической эволюции. ..................................................................................... 100 4. Неклассические концепции эволюции (ортогенез Т. Эйера, номогенез Л. С. Берга, коэволционизм А. П. Кропоткина). ............................................................................................... 104 Человек с естественнонаучной точки зрения ................................................................................. 107 1. Место человека в системе животного мира и антропогенез. .................................................. 107 2. Основные этапы развития человека. ....................................................................................... 111 3. Дифференциация на расы. Расы и этносы. .............................................................................. 116 4. Эколого-эволюционные возможности человека. .................................................................... 118 5. Биосоциальные основы поведения. ........................................................................................ 120 Концепции самоорганизации ......................................................................................................... 122 1. Понятие самоорганизации. ...................................................................................................... 122 2. Три направления теории самоорганизации............................................................................. 122 3. Основные положения синергетики. ......................................................................................... 124 Учение о развитии биосферы.......................................................................................................... 127 1. Учение о биосфере. .................................................................................................................. 127 2. Экология и проблемы загрязнения окружающей среды. ........................................................ 131 3. Учение о ноосфере. .................................................................................................................. 135 Литература ....................................................................................................................................... 139 Использованная литература ......................................................................................................... 139 Основная литература .................................................................................................................... 140 Дополнительная литература ........................................................................................................ 141 5 ПРЕДИСЛОВИЕ Государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования Российской Федерации предполагают освоение студентами гуманитарных и социальноэкономических специальностей ВУЗов учебной дисциплины "Концепции современного естествознания". Включение данного предмета в программу обусловлено необходимостью ознакомления студентов с таким важным элементом современной культуры как естествознание, необходимостью формирования у них целостного взгляда на окружающий мир. Учебный курс раскрывает ансамбль базовых концепций и представлений современного естествознания, дает панораму методов и законов современной науки, демонстрирует специфику рационального освоения окружающего мира. Актуальность введения курса «Концепции современного естествознания» несомненна в современных условиях, когда естественнонаучные методы проникли в гуманитарную среду, формируя новое состояние научного знания и сообщества. Наука стремится к выработке универсального языка, значимого для философии, психологии, социальных наук. Наблюдающаяся тенденция к синтезу двух культур, гуманитарной и естественнонаучной, созвучна потребностям общества в целостном мировоззрении. Курс «Концепции современного естествознания» представляет собой попытку синтеза знаний различных естественных наук на основе исторического, культурологического методов, идей целостности и многообразия природы, единства методологического фундамента современной науки. Поэтому в программе курса важное место занимают представления о сущности науки и ее истории; о развитии самосознания научного сообщества, методологии, методов науки и смене научных картин мира; о становлении базовых идей естественных наук; о концепциях происхождения и эволюции Вселенной, жизни и человека; о биосфере и экологии. Данное учебное пособие представляет собой конспект лекций по курсу «Концепции современного естествознания», 6 апробированный автором на протяжении последних пяти лет. Текст этих лекций возник в результате переработки материалов нескольких учебников, энциклопедий, словарей, монографий, приведенных в списке использованной литературы. Это учебное пособие не претендует на исчерпывающее освещение всех тем и вопросов по данному курсу. Оно очерчивает контуры концептуальных направлений и проблем современного естествознания, указывает направление для дальнейшей самостоятельной работы студентов, и соответствует требованиям Государственного стандарта высшего профессионального образования. НАУКА В КУЛЬТУРНО-ИСТОРИЧЕСКОМ КОНТЕКСТЕ 1. СОВРЕМЕННОЕ ПОНИМАНИЕ НАУКИ . В современном понимании, наука – это культурно обусловленная деятельность, а также результаты этой деятельности, направленная на получение и систематизацию достоверных знаний об определенных аспектах или явлениях действительности. Современная наука тесно связана с технологиями и представляет собой производительную силу общества. Сумма полученных к данному моменту научных знаний образует научную картину мира. Наука также представляет собой социально-институционализированную форму общественного сознания. Цели современной науки – описание, объяснение и, по возможности, предсказание процессов и явлений изучаемой действительности. В широком смысле – теоретическое освоение действительности, создание идеализированных объяснительных моделей реальных явлений. Наука современного типа характеризуется следующими особенностями: наука предметна, то есть изучает заранее очерченную, наблюдаемую часть реальности; наука доказательна: 1) наука экспериментальна – то есть свои предположения ученые проверяют в специальных условиях, воздействуя на объект, соотнося реальное поведение объекта с 7 тем, каким оно должно быть в теории, 2) наука носит светский характер – научное знание не может быть основано на религиозной вере в сверхъестественное, 3) наука внутренне непротиворечива; наука практически ориентирована – тесно связана с инженерно-техническими системами, которые обслуживают запросы государства и крупного бизнеса. Развитие современной науки вне отношений с государством и крупным бизнесом практически невозможно. 2. ПРОБЛЕМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ НАУКИ. ИСТОРИЧЕСК ИЕ ТИПЫ НАУКИ. Существует проблема возникновения науки. Сложность проблемы определяется как сложностью самого феномена, определяемого этим словом, так и когнитивно-лингвистическими сложностями. Наука не существует сама по себе – вне людей – наука существует в неразрывной связи с мышлением ученых. Наука и самосознание ученых неразрывны. Это значит то, что если ученый думает, что он занимается научной деятельностью, это определяется не только характером деятельности, но и пониманием того, что отличает научную деятельность от не-научной. Это обстоятельство необходимо учитывать при попытках определить феномен науки или при реконструкции истории науки по текстам древних авторов. В русском языке можно выявить ряд близких по смыслу понятий: ученый – учение – научный – наука. При этом в русском языке неважно, какого рода наукой занимает ученый. В современном английском языке ситуация иная. Science – это, в первую очередь, естественные науки, естествознание. Scientist – это, в первую очередь, ученый–естествоиспытатель. Неестествознание именуется humanities, arts, или, как в последнее время, humanities science и social science. Учение – в английском языке слово крайне многозначное, любая теория может называться учением. Возникновение науки можно связать с возникновением традиции накапливать и передавать знания, в первую очередь, утилитарного свойства. То есть можно связать с возникновением ученых, ученого сословия, передачи учености. В этом случае наука появляется в странах Древнего Востока 8 (Египте, Вавилоне, Китае, Индии). Для древневосточного типа учености характерны: а) эмпирический характер происхождения научного знания (знание не носит теоретически-умозрительный характер); б) непосредственная вплетѐнность и подчиненность практическим потребностям (например, математика подчинена потребностям измерения земель и счета, астрономия подчинена потребностям составления календарей, механика — потребностям усовершенствования орудий производства); в) рецептурность научного знания (т. е. знание представляет собой некий набор рецептов, указаний, правил по достижению каких-то известных целей); г) кастовость и закрытость научного сообщества (этими знаниями обладали избранные, и выход этих знаний за пределы круга карался; нельзя было критиковать имевшиеся рецепты, то есть знание было «догматичным»). Возникновение науки можно связать с возникновением первых теоретических систем, которые, как известно из курса философии, появляются в Античной Греции (Элладе). Для античного типа учености характерны: а) теоретический характер научного знания (стремление подвести частный случай под общую схему, выявить сущность); б) независимость научного знания от практики (спекулятивность знания); в) открытость критике, т. е. рефлексивный характер знания; г) социальная открытость науки, отсутствие кастовости. Возникновение науки можно связать с социальной институционализацией ученого сообщества. В этом случае наука появляется в позднее Средневековье с утверждением схоластического типа учености и возникновением системы университетов. Схоластический тип учености характеризуется подчиненностью запросам господствующей идеологии. Наука обслуживает непосредственные интересы и потребности религиозного общества. Она подчинена богословию и соотносит свои знания с его догмами. Научные истины (истины разума) имеют более низкий статус, чем религиозные истины веры. Образцами средневековой учености являются религиозная герменевтика, диалектика, логика, риторика и др. Маргинальное положение в средние века занимали «магические учения», 9 продолжавшие натурфилософский проект античной науки — астрология, алхимия. Возникновение науки можно связать с утверждением светского математизированного экспериментального естествознания, с утверждением новоевропейского проекта науки. Этот проект — попытка синтеза рациональности античной науки и техно-инструментальности восточной учености. Новоевропейскую науку отличает совершенно другая идеология, чем была в средневековье. Согласно мнениям новоевропейских ученых, наука должна носить светский характер. Она должна быть пропитана духом критичности. Должна стремиться к объективной истинности и полезности для государства. Полезность же понимается как стремление освоить силы природы и заставить их служить человеку. Для овладения природой предлагается использовать механические приспособления, развивать технические новшества. Нужно «пытать природу» с помощью техники, чтобы она выдала свои законы. Отсюда, кстати, слово «естествоиспытатель». Узнав эти законы, мы сможем заставить ее работать на себя. Новая наука, по мнению ее идеологов, должна: 1) сосредоточиться на изучении отдельных процессов и явлений с тем, чтобы использовать в последствии полученное знание о свойствах и законах этих процессов в технических и технологических целях; 2) наука не должна быть созерцательно-наблюдательной, а экспериментальной в своей основе. Т. е. предметом науки должна быть не природа сама по себе в своей естественности, а вырванные из природы или искусственно созданные в лаборатории системы. Результаты экспериментов с такими системами в принципе воспроизводимы неограниченное число раз. Количественное описание свойств, отношений и законов функционирования таких систем предполагает использование языка математики, языка функций. Онтологическое обоснование такого подхода было выражено Галилеем в известной формуле: «Книга природы написана языком математики» и еще решительнее: «Бог — математик». Образцами новой науки явились аналитическая геометрия (Р. Декарт), механика (Г. Галилей, И. Ньютон), и математический анализ (И. Ньютон, Р. Лейбниц, О. Коши и др.). 10 Если допустить, что наука возникает в странах Востока и древневосточный тип учености принять в качестве критерия научности, то научным можно считать очень широкий круг явлений. Например, книга кулинарных рецептов – это научная книга. Если допустить, что наука возникает в Древней Греции, когда возникают первые теоретические системы, где логичность и внутренняя непротиворечивость выступают на первый план, то астрология, алхимия, религиозные доктрины и прочие теории также могут считаться научными. В этом случае также придется считать древневосточный тип учености ненаучным. И возникает риск недиалектического восприятия исторических процессов, когда можно легко посчитать, что наука возникает внезапно. Если допустить, что наука возникает в Новое время в Европе, то все, что было до этого, это как бы не наука, а различные смеси «рецептурного знания», магии, религии и философии с изменчивым преобладанием то одного, то другого, то третьего. На наш взгляд, необходимо всестороннее рассмотрение процесса развития науки, с учетом социокультурных факторов, определяющих ее изменение и трансформации самосознания ученых. Судя по имеющейся литературе, большинство специалистов склонны считать, что наука возникает в XVI-XVII вв. в Западной Европе. Современная наука также неоднородна. В настоящее время науки принято делить на: 1) логико-математические; 2) естественные (естественно-научные); 3) инженерно-технические (инженерно-технологические); 4) социально-гуманитарные. Они отличаются предметами исследований, принятыми идеалами и нормами исследовательской деятельности, степенью институционализации. Также науки принято делить, достаточно условно, на фундаментальные и прикладные. Фундаментальные науки – это, в первую очередь, естественные и логикоматематические науки, изучающие базовые структуры и процессы природы. Эти науки также служат базой для получения знаний другими естественными науками. Прикладные науки занимаются приложением знаний фундаментальных наук и решению утилитарных задач, созданием новых технологий, 11 применимых в промышленности, военном деле и т.п. К ним относятся технические науки, медицинские, сельскохозяйственные, многие социально-гуманитарные науки. Актуальной является проблема критериев научности. Эти критерии, как следует из вышесказанного, исторически изменчивы и в каждом историческом типе науки можно найти специфические черты. Обычно критериями научного знания называют следующие: предметность, однозначность, определенность, систематичность, проверяемость, обоснованность, практическая применимость. Однако подобные критерии подходят в полной мере лишь к научным знаниям, выраженным в виде текстов. Наука же к текстам не сводится. В науке присутствует и неустранимое неявное коллективное и личностное знание. Многие знания передаются невербально. Например, традиции пользования приборами, инструментами или правила поведения ученых в конкуренции с другими учеными и т.д. и т.п. Иначе говоря, кроме текстуального измерения науки есть еще и социальное, антропологическое измерение. Исследования в области философии и социологии науки последней трети ХХ века показали, что в повседневности научного познания, указанные выше критерии научности строго не выполняются и, зачастую, не соблюдаются, потому что они получены путем абстрагирования от психологического и социального контекста, реального научного процесса. Эти критерии скорее являются идеалами, некими недостижимыми универсальными образцами научности. И здесь может возникнуть резонный вопрос: если идеал недостижим, следует ли от него вообще отказаться? Неверное, нет. Потому как цель любого идеала – указание желательного направления движения. Познавательные идеалы позволяют понимать, оценивать и структурировать реальность в соответствии с принятой системой ценностей, потребностей, интересов. Таким образом, к указанным критериям научности можно добавить следующий: научные работники – приверженцы определенных гносеологических ценностей. 12 3. ТРИ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ . Процесс научного познания представляет собой особый вид деятельности, отличающийся рефлексивностью и нормативностью (т. е. она осуществляется по некоторым правилам, методам, алгоритмам). В структуре любой деятельности можно выделить три элемента: цель, предмет, средство деятельности. Известны три основные модели процесса научного познания: 1) эмпиризм; 2) теоретизм; 3) проблематизм. Согласно эмпиризму, научное знание начинается с фиксации эмпирических данных о конкретном предмете, выдвижения на их основе возможных эмпирических гипотезобобщений, отбора наиболее обоснованной из них имеющимися фактами. Такую модель индуктивного обобщения опыта разрабатывали Ф. Бэкон, Дж. Гершель, Ст. Джевоне, Г. Рейхенбах и др. Большинством науковедов эта модель была отвергнута ввиду ее неуниверсальности и внутренней противоречивости. Прямо противоположной моделью является теоретизм. Согласно этой концепции, исходным пунктом научной работы является некая общая идея, понятие, принцип (например, детерминизм, эволюция, абсолютный дух и т.д.). Научное познание здесь понимается как конкретизация, опредмечивание этой идеи в различных познавательных ситуациях (Г. Гегель, А. Уайтхед, марксистская диалектика природы и др.). Из современных ученых теоретизма придерживались П. Дюгем, И. Лакатос, А. Пуанкаре. Третьим вариантом является проблематизм. Эту модель четко сформулировал К. Поппер. Наука здесь понимается как специфический способ решения когнитивных задач, достижения консенсуса между учеными. Научная проблема – это исходный пункт научной деятельности. Она представляет собой существенный эмпирический или теоретический вопрос, формируемый с помощью имеющихся языковых средств науки, ответ на который требует получения новой эмпирической или теоретической информации. Известна циклическая схема 13 научной деятельности: P1 → H1, H2, H3…Hh → E1, E2… → P2. Где P1 — это исходная научная проблема, H1, H2 — возможные пути решения проблемы, E1, E2 — выбраковка ошибочных гипотез, P2 — новая научная проблема, т. е. в этой модели проблемы принципиально неустранимы, решить проблему значит переформировать ее так, чтобы она устроила коллег. Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. Какое знание можно назвать научным и почему? 2. В чем суть проблемы возникновения науки? 3. Чем естественные науки отличаются от социальногуманитарных? 4. Какая связь существует между прикладными науками и гуманитарными? 5. Что отличает науку от философии? МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ 1. СОВРЕМЕННОЕ ПОНИМАНИЕ НАУЧНОГО МЕТОДА. Метод – в широком смысле слова – это специальный осознанный способ достижения цели. Цель науки, как вам уже известно, выработка и теоретическая систематизация достоверных знаний об изучаемой действительности. Отсюда можно сделать вывод, что научный метод – это специальный, осознанный, контролируемый способ исследования предмета с целью получения о нем достоверного и систематического знания. Таким образом, научный метод в современном понимании – это совокупность алгоритмов деятельности, принятых ученым сообществом, которые позволяют: 1) оперировать объектом, наблюдать и фиксировать его свойства в «естественных» или «искусственных» условиях; 2) выдвигать и проверять гипотезы, объясняющие свойства и поведение объекта; 3) создавать на 14 базе имеющихся гипотез, принципов, фактов, законов идеальные объяснительные модели изучаемых объектов; 4) контролировать (заинтересованному кругу лиц) корректность исследовательских процедур на каждом этапе научной работы. Методы принято подразделять либо по степени их общности, либо по принадлежности к тому или иному уровню познания. В первом случае это всеобщие, общенаучные и частные (конкретно-научные). Во втором – это эмпирические и теоретические методы. Всеобщие методы – анализ, синтез, аналогия, классификация, абстрагирование созданы класссической метафизикой и диалектикой. Они довольно хорошо описаны в литературе и изучаются в курсе философии, поэтому на них мы останавливаться не будем. К эмпирическим методам научного исследования относят: наблюдение, описание, измерение, эксперимент. Подробно мы остановимся на двух важных методах: наблюдение и эксперимент. 2. ЭМПИРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ . Научное наблюдение не является простым созерцанием. Наблюдение предполагает наличие замысла, цели, средства наблюдения и фиксации. Наблюдение опирается не только на работу органов чувств и приборы, но и на выработанные наукой средства и методы истолкования чувственных данных. Для научного наблюдения необходимы: 1) четкая постановка цели наблюдения; 2) выбор методики и разработка плана; 3) систематичность; 4) контроль над корректностью и надежностью результатов наблюдения; 5) обработка и истолкование полученных данных. Эксперимент отличается от наблюдения более активным характером воздействия исследователя на объект. Эксперимент чаще всего проводится в специальных лабораторных условиях и его, в принципе, можно воспроизводить многократно. К постановке эксперимента прибегают в тех случаях, когда необходимо изучить состояние предмета, которое в обычных условиях либо не всегда присуще объекту, либо всегда 15 доступно наблюдению субъекта. Воздействуя на объект в специально подобранных условиях, исследователь целенаправленно вызывает к жизни нужное ему состояние объекта, а затем изучает его. Поэтому можно сказать, что по сравнению с наблюдением структура эксперимента как бы удваивается: первый этап представляет собой деятельность, цель которой – достижение нужного состояния предмета, второй этап связан с непосредственным наблюдением. Эксперимент становится средством познания, когда он позволяет подтвердить или опровергнуть гипотезы, которые до эксперимента были выражены с помощью научных понятий и абстракций. Принципы работы приборов, используемых в эксперименте, также должны быть понятны исследователю, иначе их показания окажутся лишенными информации. Особенно наглядно зависимость понимания эксперимента от имеющегося у нас знания проявляется в современной физике. Например, при изучении субатомных объектов непосредственное наблюдение невозможно. Для этого необходимы сложные дорогостоящие приборы. Чтобы наблюдать, необходимо учиться работать с этими приборами. А чтобы понимать, необходимо быть знакомым с современными физическими теориями. 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ . Методов теоретического познания достаточно много. Мы рассмотрим основные, на наш взгляд, методы современной науки: идеализация, формализация, математическое моделирование, экстраполяция. Идеализация – важнейший метод теоретического познания. Он заключается в создании идеальных, типичных (формальных) объектов для объяснения эмпирических вещей. Основное значение и содержание метода можно свести к следующему. Эмпирические объекты немного отличаются друг от друга, и при их измерении неизбежно возникают погрешности. Чтобы не учитывать эти погрешности, ученые создают идеализированный объект и строят объяснение свойств и законо- 16 мерностей реального объекта, заменяя его объектом идеализированным. Подавляющее большинство законов физики в полной мере применимы лишь к таким идеальным объектам. Рассмотрим этот метод на примере геометрической фигуры шар. Эмпирическим прототипом этого идеализированного объекта может служить, например, арбуз. Арбуз имеет геометрические свойства, и шар также имеет геометрические свойства. Но у арбуза есть еще множество других свойств: физические, химические, биологические и т.д. Как получить геометрическую фигуру шар из арбуза? Для этого нужно сделать два действия. Во-первых, создать мысленный образ вещи. Нужно мысленно удалить из мысленного образа арбуза все свойства, кроме геометрических. Во-вторых, нужно полученную абстракцию подвергнуть трансформации. Геометрические свойства шара и геометрические свойства арбуза отличаются друг от друга. При увеличении степени точности вычислений, например, при использовании лупы или микроскопа выяснится, что арбуз не имеет идеальной поверхности, идеальной формы. На его поверхности обнаружатся бугорки, впадинки, трещинки. А с геометрической фигурой шар такого не происходит. Шар при любой степени точности вычислений, по определению, будет иметь идеальную форму. Поэтому полученную на первом этапе абстракцию трансформируют: выделенные геометрические свойства арбуза нужно мысленно довести до абсолюта, до степени, которая не встречается в природе. Подобное создание мысленного образа вещи и его трансформации и называется идеализацией. Формализация – представляет собой совокупность познавательных операций, обеспечивающих отвлечение от значения понятий теории с целью исследования ее логических особенностей. Она позволяет превратить содержательно построенную теорию в систему символов, а развертывание теории свести к манипулированию этими символами по правилам, принимающим во внимание только вид и порядок символов, тем самым абстрагируясь от познавательного содержания теории. Можно сказать, что формализация теории сводит ее развитие к форме и правилу. 17 Переход к физическому естествознанию нового типа был связан с математизацией (а по сути, формализацией) физической теории. Качественные характеристики получили цифро-буквенное обозначение и качественные отношения сторон и свойств объекта заменили качественными отношениями символов. Оперируя символами можно получать новые знания, решать задачки и т.д. Сама потребность в формализации встает перед той или иной наукой на достаточно высоком уровне ее развития. На уровне, когда задача логической систематизации и организации существующего знания приобретает первостепенное значение. Формальные системы, получающиеся в результате формализации теорий, характеризуются наличием исходного базиса формальной системы. Он включает в себя некий алфавит, правила образования и преобразования. Для создания этого базиса необходим язык. В качестве такого языка (метаязыка) обычно употребляется какая-то выделенная часть естественного лингвистического языка. Математическое моделирование. Моделирование вообще – есть изучение объекта путем создания и исследования его копии (модели), замещающей оригинал, с определенных сторон, интересующего исследователя. Модели можно поделить на материальные и идеальные. Математические модели – это идеальные модели, зафиксированные в символьно-знаковой форме. Такая модель позволяет переходить от эмпирически полученных значений одних параметров объекта к значениям других параметров без непосредственных измерений и экспериментов. Например, измерив окружность шарообразного предмета, по формуле объема шара можно вычислить его объем. Очевидно, что для того чтобы какая-то формальная математическая структура приобрела статус модели, необходимо выявить структурное или функциональное соответствие между моделью и замещаемым объектом. Экстраполяция – это экстенсивное приращение знания путем распространения (переноса) объяснительных моделей (закономерностей) или следствий какой-либо теории с одной 18 сферы описываемых явлений на другие сферы. Например, закон теплового излучения М. Планка, согласно которому энергия излучения может передаваться только отдельными порциями (квантами), был экстраполирован А. Эйнштейном на другую область явлений. С помощью этого закона, в частности, оказалось возможным исчерпывающе объяснить природу фотоэффекта и других сходных с ним явлений. Хорошим примером экстраполяции может служить распространение закономерностей, выработанных в теории тяготения Ньютона, на другие сферы. Теория Ньютона позволяет единообразно описывать разнородные явления: падение камня с высоты на Землю, движение Земли вокруг солнца. Существовали попытки еѐ применения к электрическим явлениям, биологическим и некоторым другим. Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. Какие классификации научных методов вы знаете? 2. Чем научное наблюдение отличается от эксперимента? 3. Абстрагирование и идеализация это одно и то же, или нет? 4. Любое ли научное знание можно подвергнуть математизации? 5. Всякое ли созерцание является научным наблюдением? МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ 1. МЕТОДОЛОГИЯ: ПОНЯТИЕ И ФУНКЦИИ . Методология, трактуемая в широком смысле этого слова, есть учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности. В таком понимании методология образует необходимый компонент всякой деятельности, поскольку последняя становится предметом осознания, обучения и рационализации. Основной функцией методологического знания является внутренняя организация и 19 регулирование процесса познания или практического преобразования того или иного объекта. В современной литературе под методологией обычно понимают прежде всего методологию научного познания, т. е. учение о принципах построения, формах и способах научнопознавательной деятельности. Методология науки дает характеристику компонентов научного исследования — его объекта, предмета анализа, задачи исследования (или проблемы), совокупности исследовательских средств, необходимых для решения задачи данного типа, а также формирует представление о последовательности действий исследователя в процессе решения задачи. Таким образом, вводя понятие методологии, мы фактически различаем два типа знания — (1) знание о мире и (2) знание о познании. Первое указывает на то, что познается, второе — каким образом достигается знание о мире. Однако, следует иметь в ввиду, что это различие не является абсолютным. Это различие, в достаточно большой степени, является функциональным. Всякое объективное знание служит людям дважды — сначала как объяснение окружающей действительности, а затем в качестве средства, метода при решении познавательных проблем. Фактически любая теория выполняет методологические функции, когда она используется за пределами своего собственного предмета, а научное знание в целом играет роль методологии по отношению к совокупной практической деятельности человека. В этом проявляется общая диалектика взаимодействия цели и средства деятельности: то, что было целью в одной системе деятельности, становится средством в другой системе. Выделяют два типа методологического знания: нормативный и дескриптивный. В нормативном методологическом анализе, естественно, преобладают конструктивные задачи, связанные с разработкой положительных рекомендаций и правил осуществления научной деятельности. Дескриптивный же анализ имеет дело с ретроспективным описанием уже осуществленных процессов научного познания. 20 Главная функция методологического знания — нормативная. Нормативное методологическое описание выступает в форме предписаний и норм, в которых фиксируются содержание и последовательность определенных видов деятельности. Оно выполняет три основных функции: во-первых, оно обеспечивает правильную постановку проблемы, как с содержательной, так и с формальной точек зрения; во-вторых, оно дает определенные средства для решения уже поставленных задач и проблем — то, что можно назвать интеллектуальной техникой научной деятельности; в-третьих, с помощью методологического нормативного знания оптимизируется организация исследований. Основной задачей дескриптивной методологии можно считать изучение тенденций и форм развития познания со стороны его методов, категориального строя, а также характерных для каждого конкретного этапа схем объяснения. 2. УРОВНИ МЕТОДОЛОГИЧЕС КОГО ЗНАНИЯ . Можно предложить следующую общую схему уровней методологии. Высший уровень образует философская методология. Ее содержание составляют общие принципы познания и категориальный строй науки в целом. Очевидно, что эта сфера методологии представляет собой философское знание и, следовательно, разрабатывается специфическими для философии методами. Вместе с тем, она не существует в виде какогото особого раздела философии — методологические функции выполняет вся система философского знания. Сюда входят как содержательные предпосылки (мировоззренческие основы научного мышления, философская картина мира), так и формальные, т. е. относящиеся к общим формам научного мышления, к его исторически определенному категориальному строю. Философия играет двоякую методологическую роль. Вопервых, философия осуществляет конструктивную критику наличного знания с точки зрения условий и границ его 21 применения, адекватности его методологического фундамента и общих тенденций его развития. Во-вторых, философия дает мировоззренческую интерпретацию результатов науки — в том числе и мировоззренческих результатов — с точки зрения той или иной картины мира. Философская интерпретация результатов науки служит отправной точкой всякого действительно серьезного исследования, необходимой содержательной предпосылкой существования и развития теоретического знания, его интеграции в нечто целостное на каждом этапе развития познания. Второй уровень методологии можно обозначить как уровень общенаучных принципов и форм исследования. Эта сфера методологии активно развивалась в ХХ веке, что явилось главным фактором выделения ее в самостоятельную область исследования. Сюда можно отнести проблемно-содержательные теории. Они выполняют функции, сходные с функциями прежней натурфилософии. Они непосредственно относятся к реальности, определенным образом теоретически воспроизводят эту реальность и, следовательно, являются онтологическими с точки зрения получаемых в них конструкций. В качестве примера такого рода теорий можно привести концепцию ноосферы В. И. Вернадского, теоретическую кибернетику Н. Винера. Воздействие на науку происходит по двум линиям: 1) они задают предметное выражение новым типам исследовательской ориентации в различных областях знания; 2) их появление вызывает процесс возникновения новых предметов изучения и соответствующих им научных дисциплин. Другой тип общенаучных концепций можно назвать универсальными концептуальными системами. Его примерами могут служить тектология А. А. Богданова и «общая теория систем Л. Берталанфи». Здесь также важную роль играет онтологическая направленность, стремление дать определенную концептуальную характеристику всему универсуму. Но если в первом случае постановку проблем можно охарактеризовать как содержательно-онтологическую, то во втором - как формальноонтологическую. Это значит, что универсальные концептуаль- 22 ные системы направлены на выяснение универсальных понятий научного мышления посредством анализа материала самой науки, ее форм, характерных для нее сдвигов в постановке проблем. «На выходе» эти системы дают концептуализированную онтологию — реальность с тектологической точки зрения, реальность с точки зрения общей теории систем и т.п. Еще одну разновидность общенаучных концепций образуют методологические концепции, такие как структурализм в языкознании и этнографии, структурно-функциональный анализ в социологии, системный анализ в области управления. Такие концепции не претендуют на описание самой реальности. Их задача — логическая организация какого-то специально-научного знания. Большую роль в них играет формализация. Следующий уровень — это конкретно-научная методология, т. е. совокупность методов, приемов исследования и процедур, применяемых в той или иной специальной научной дисциплине. Понятно, что методология, например, биологии или химии включает в себя как проблемы специфически биологического или химического познания (правила и условия проведения экспериментов, требования к репрезентативности (достоверности) данных и к способам их обработки и т.д.), так и вопросы, выдвигаемые либо в смежных науках (например, использование в биологии математических, физических, химических методов), либо на более высоких уровнях методологии. Наконец, последний уровень методологии образует методика и техника исследования, т. е. набор процедур, обеспечивающих получение единообразного и достоверного эмпирического материала и его первичную обработку, после которой он только и может включаться в массив наличного знания. На этом уровне мы имеем дело с высокоспециализированным методологическим знанием, которое в силу присущих ему функций непосредственной регламентации научной деятельности, носит четко выраженный нормативный характер. Каждый из выделенных уровней методологического знания, таким образом, выполняет свои особые, только ему свойственные функции в научном познании. Благодаря этой своеобразной специализации уровни методологии образуют 23 сложную систему, в рамках которой между ними существует вполне определенное соподчинение. Философский уровень выступает как содержательное основание всякого методологического знания. Только на этом уровне формируются познавательные установки исследователя. Лишь на уровне философского анализа выделяются далее исторически конкретные границы каждой научной теории и каждого метода; осмысливаются переломные ситуации в развитии той или иной научной дисциплины. Первостепенное методологическое значение имеет также мировоззренческая интерпретация результатов науки, даваемая в рамках этого уровня методологии. Вместе с тем очень важно учитывать, что философское знание «работает» в конкретном научном исследовании не само по себе, не изолированно, а в тесной связи с другими уровнями методологического знания. Философско-методологические положения и принципы в современной науке преломляются, конкретизируются, по меньшей мере, дважды: сначала на уровне общенаучных принципов и концепций, а затем на уровне специально-научной методологии. 3. ХАРАКТЕРИСТИКА КО МПОНЕНТОВ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ . Объект – это часть реальности, выделенная для изучения. Предмет – это то, каким представляется объект исследования, исходя из целей, задач, методов, категориального строя и истории развития научной дисциплины. Рассмотрим отличия объекта и предмета исследования на следующем примере. Человек является объектом исследования множества наук: психологии, анатомии, социологии, педагогики и других. Но предметы этих наук отличаются друг от друга. Социолога интересуют одни свойства и закономерности объекта исследования, а анатома – совсем другие. Это обусловлено методологией конкретной научной дисциплины: ее целями, задачами, категориальным строем и т. д. Предмет одной и той же дисциплины также может меняться. Допустим, в научной дисциплине произошла концептуальная революция и ее методологический аппарат сильно изменился. Скорее всего, предмет исследования дисциплины также изменится. 24 Проблема – это существенный эмпирический или теоретический вопрос, формулируемый с помощью имеющихся языковых средств науки, ответ на который требует получения новой эмпирической или теоретической информации. Субъект исследования, как вам уже известно из курса философии, – это тот, кто познает, тот, кто совершает познавательную деятельность. Часто студенты думают, что субъект научного познания – это ученый, занимающийся исследовательской работой. Может возникнуть образ ученогоодиночки, эдакого Робинзона от науки, совершающего научные открытия в тиши кабинета. Такое понимание было бы сильным упрощением. Ученым можно стать только в коллективе, в процессе научной коммуникации (непосредственной и опосредованной, вербальной или невербальной). Именно ученое сообщество «онаучивает» человека, превращает его в ученого, исследователя, специалиста. Поэтому можно сказать, что познает не просто отдельный индивид, а научное сообщество в лице данного ученого. Именно ученое сообщество задает нормы и правила исследования, создает приборы, хранит опыт других ученых в библиотеках и архивах и многое другое, благодаря чему ученый вообще стал тем, кто он есть. Средства познания – совокупность процедур теоретического и эмпирического исследования, научной коммуникации и сопутствующая ей инфраструктура. Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. Какова основная функция методологии? 2. Субъектом познания рождаются или становятся? Что делает человека субъектом познания? 3. Что значит овладеть методом? Может ли обезьяна овладеть методом? 4. Расскажите, чем объект исследования отличается от предмета? 5. Чем методика отличается от методологии? 25 НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА 1. ПОНЯТИЕ НАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА . Научная картина мира – целостный образ предмета научного исследования в его главных, системно-структурных характеристиках, формируемый посредством фундаментальных понятий, представлений и принципов науки на каждом этапе ее исторического развития. Различают основные разновидности (формы) научной картины мира: 1) общенаучную как обобщенное представление о Вселенной, живой природе, обществе и человеке» формируемое на основе синтеза знаний, полученных в различных научных дисциплинах; 2) социальную и естественнонаучную картины мира как представления об обществе и природе, обобщающие достижения соответственно социально-гуманитарных и естественных наук; 3) специальные научные картины мира (дисциплинарные онтологии) — представления о предметах отдельных наук (физическая, химическая, биологическая и т. п. картины мира). В последнем случае термин «мир» применяется в специфическом смысле, обозначая не мир в целом, а предметную область отдельной науки (физический мир, биологический мир, мир химических процессов). Чтобы избежать терминологических проблем, для обозначения дисциплинарных онтологий применяют также термин «картина исследуемой реальности». Наиболее изученным ее образцом является физическая картина мира. Но подобные картины есть в любой науке, как только она конституируется в качестве самостоятельной отрасли научного знания. Обобщенный системно-структурный образ предмета исследования вводится в специальной научной картине мира посредством представлений 1) о фундаментальных объектах, из которых полагаются построенными все другие объекты, изучаемые соответствующей наукой; 2) о типологии изучаемых 26 объектов; 3) об общих особенностях их взаимодействия; 4) о пространственно-временной структуре реальности. Все эти представления могут быть описаны в системе онтологических принципов, которые выступают основанием научных теорий соответствующей дисциплины. Например, принципы — мир состоит из неделимых корпускул; их взаимодействие строго детерминировано и осуществляется как мгновенная передача сил по прямой; корпускулы и образованные из них тела перемещаются в абсолютном пространстве с течением абсолютного времени — описывают картину физического мира, сложившуюся во 2-й пол. XVII в. и получившую впоследствии название механической картины мира. 2. СПЕЦИФИКА НАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА КАК ФОРМЫ ЗНАНИЯ. Картина мира является особым типом теоретического знания. Ее можно рассматривать в качестве некоторой теоретической модели исследуемой реальности, отличной от моделей (теоретических схем), лежащих в основании конкретных теорий. Во-первых, они различаются по степени общности. На одну и ту же картину мира может опираться множество теорий, в т. ч. и фундаментальных. Во-вторых, специальную картину мира можно отличить от теоретических схем, анализируя образующие их абстракции (идеальные объекты). Так, в механической картине мира процессы природы характеризовались посредством абстракций — «неделимая корпускула», «тело», «взаимодействие тел, передающееся мгновенно по прямой и меняющее состояние движения тел», «абсолютное пространство» и «абсолютное время». Что же касается теоретической схемы, лежащей в основании ньютоновской механики (взятой в ее эйлеровском изложении), то в ней сущность механических процессов характеризуется посредством иных абстракций — «материальная точка», «сила», «инерциальная пространственно-временная система отсчета». В-третьих, идеальные объекты, образующие картину мира, в отличие от идеализации конкретных теоретических моделей всегда имеют онтологический статус. Любой физик 27 понимает, что «материальная точка» не существует в самой природе, ибо в природе нет тел, лишенных размеров. Но последователь Ньютона, принявший механическую карту мира, считал неделимые атомы реально существующими «первокирпичиками» материи. Он отождествлял с природой упрощающие ее и схематизирующие абстракции, в системе которых создается физическая картина мира. В каких именно признаках эти абстракции не соответствуют реальности — это исследователь выясняет чаще всего лишь тогда, когда его наука вступает в полосу ломки старой картины мира и замены ее новой. Будучи отличными от картины мира теоретические схемы, составляющие ядро теории, всегда связаны с ней. Установление этой связи является одним из обязательных условий построения теории. Вне картины мира теория не может быть построена в завершенной форме. 3. ФУНКЦИИ НАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА . Научные картины мира выполняют три основные взаимосвязанные функции в процессе исследования: 1) систематизируют научные знания, объединяя их в сложные целостности; 2) выступают в качестве исследовательских программ, определяющих стратегию научного познания; 3) обеспечивают объективацию научных знаний, их отнесение к исследуемому объекту и их включение в культуру. Специальная научная картина мира интегрирует знания в рамках отдельных научных дисциплин. Естественнонаучная и социальная картины мира, а затем общенаучная картина мира задают более широкие горизонты систематизации знаний. Они интегрируют достижения различных дисциплин, выделяя в дисциплинарных онтологиях устойчивое эмпирически и теоретически обоснованное содержание. Осуществляя систематизирующую функцию, научные картины мира вместе с тем играют роль исследовательских программ. Специальные научные картины мира задают стратегию эмпирических и теоретических исследований в 28 рамках соответствующих областей науки. По отношению к эмпирическому исследованию целенаправляющая роль специальных картин мира наиболее отчетливо проявляется тогда, когда наука начинает изучать объекты, для которых еще не создано теории и которые исследуются эмпирическими методами (типичными примерами служит роль электродинамической картины мира в экспериментальном изучении катодных и рентгеновских лучей). Представления об исследуемой реальности, вводимые в картине мира, обеспечивают выдвижение гипотез о природе явлений, обнаруженных в опыте. Соответственно этим гипотезам формулируются экспериментальные задачи и вырабатываются планы экспериментов, посредством которых обнаруживаются все новые характеристики изучаемых в опыте объектов. В теоретических исследованиях роль специальной научной картины мира как исследовательской программы проявляется в том, что она определяет круг допустимых задач и постановку проблем на начальном этапе теоретического поиска, а также выбор теоретических средств их решения. Например, в период построения обобщающих теорий электромагнетизма соперничали две физические картины мира и соответственно две исследовательские программы: Ампера—Вебера, с одной стороны, и Фарадея—Максвелла, с другой. Они ставили разные задачи и определяли разные средства построения обобщающей теории электромагнетизма. Программа Ампера— Вебера исходила из принципа дальнодействия и ориентировала на применение математических средств механики точек, программа Фарадея—Максвелла опиралась на принцип близкодействия и заимствовала математические структуры из механики сплошных сред. В междисциплинарных взаимодействиях, основанных на переносах представлений из одной области знаний в другую, роль исследовательской программы выполняет общенаучная картина мира. Она выявляет сходные черты дисциплинарных онтологии, тем самым формирует основания для трансляции идей, понятий и методов из одной науки в другую. 29 Факты и теории, созданные при целенаправляющем влиянии специальной научной картины мира, вновь соотносятся с ней, что приводит к двум вариантам ее изменений. Если представления картины мира выражают существенные характеристики исследуемых объектов, происходит уточнение и конкретизация этих представлений. Но если исследование наталкивается на принципиально новые типы объектов, происходит радикальная перестройка картины мира. Такая перестройка выступает необходимым компонентом научных революций. Она предполагает активное использование философских идей и обоснование новых представлений накопленным эмпирическим и теоретическим материалом. Первоначально новая картина исследуемой реальности выдвигается в качестве гипотезы. Ее эмпирическое и теоретическое обоснование может занять длительный период, когда она конкурирует в качестве новой исследовательской программы с ранее принятой специальной научной картиной мира. Утверждение новых представлений о реальности в качестве дисциплинарной онтологии обеспечивается не только тем, что они подтверждаются опытом и служат базисом новых фундаментальных теорий, но и их философско-мировоззренческим обоснованием. Через отнесение к научной картине мира специальные достижения науки обретают общекультурный смысл и мировоззренческое значение. Например, основная физическая идея общей теории относительности, взятая в ее специальной теоретической форме (компоненты фундаментального метриического тензора, определяющего метрику четырехмерного пространства-времени, вместе с тем выступают как потенциалы гравитационного поля), малопонятна тем, кто не занимается теоретической физикой. Но при формулировке этой идеи в языке картины мира (характер геометрии пространства-времени взаимно определен характером поля тяготения) придает ей понятный для неспециалистов статус научной истины, имеющей мировоззренческий смысл. Эта истина видоизменяет представления об однородном евклидовом пространстве и квазиевклидовом времени, которые через систему обучения и 30 воспитания со времен Галилея и Ньютона превратились в мировоззренческий постулат обыденного сознания. Так обстоит дело со многими открытиями науки, которые включались в научную картину мира и через нее влияют на мировоззренческие ориентиры человеческой жизнедеятельности. Историческое развитие научной картины мира выражается не только в изменении ее содержания. Историчны сами ее формы. В XVII в., в эпоху возникновения естествознания, механическая картина мира была одновременно и физической, и естественнонаучной, и общенаучной картиной мира. С появлением дисциплинарно организованной науки (кон. XVIII в. — 1 пол. XIX в.) возникает спектр специально-научных картин мира. Усиление междисциплинарных взаимодействий в науке XX в. приводит к уменьшению уровня автономности специальных научных картин мира. Они интегрируются в особые блоки естественнонаучной и социальной картин мира, базисные представления которых включаются в общенаучную картину мира. Во 2-й пол. XX в. общенаучная картина мира начинает развиваться на базе идей универсального (глобального) эволюционизма, соединяющего принципы эволюции и системного подхода. Выявляются генетические связи между неорганическим миром, живой природой и обществом, в результате устраняется резкое противопоставление естественнонаучной и социальной научной картин мира. Соответственно усиливаются интегративные связи дисциплинарных онтологий, которые все более выступают фрагментами или аспектами единой общенаучной картины мира. Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. Бывают ли не-научные картины мира? (Например, философская, алхимическая или религиозная). Ответ аргументируйте. 2. Чем научная картина мира, как форма знания, отличается от обычной научной теории? 3. Дайте классификацию научных картин мира. 4. Каковы функции научной картины мира? 31 5. Можно ли создать общенаучную картину мира? ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ НАУКИ 1. СТАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ . Эта модель науки есть продукт методологического анализа науки неопозитивистской школы. К авторам это концепции можно отнести: Р. Карнапа, К. Гемпеля, Э. Нагеля, Г. Райхенбаха. В неопозитивистской программе методология науки сводится к логике науки, которую следует понимать как анализ логического строения языка науки. Главная идея здесь заключается в том, чтобы использовать выработанные в математической логике средства анализа для исследования языка науки вообще и физической теории в частности. В качестве единицы методологического анализа была выбрана единичная теория, понимаемая как сложная сеть. Ее термины — узлы. Нити, связывающие их — определения и гипотезы, входящие в теорию. Выделяют эмпирический язык и теоретический язык научного познания. Эмпирический язык, т. е. эмпирические термины и протокольные утверждения, как считается, относятся к наблюдаемой действительности. Эмпирические высказывания являются абсолютно подтвержденными, истинными фактами. Возникающие через их обобщение эмпирические законы — суть законы самой действительности, законы самой природы. Эти законы истинны, и потому неизменны. Эмпирические законы приводят к формулировке теоретических законов и терминов, в которых эти законы выражаются. Теоретические термины не относятся к наблюдаемым явлениям, а указывают на идеальные сущности, являющиеся лишь легко заменимыми объяснительными конструкциями. Теоретические термины и законы эволюцио- 32 нируют, так как они не есть законы самой природы, а суть идеи человека. Функционирование теории в этой концепции происходит за счет движения от плоскости наблюдения и обобщения единичных фактов, через интерпретацию, к теоретическим терминам и законам. От теоретических терминов и законов — обратно к эмпирическим законам и наблюдению (т. е. индуктивный подход). В рамках этой концепции не ставится вопрос об авторе теории. Считается, что на познание не влияют никакие социальные факторы. Не учитывается влияние старых, уже полученных истинных знаний, на получение новых. 2. МОДЕЛЬ ВНЕШНЕГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НАУК И КАРЛА ПОППЕРА. Модель функционирования науки, по Попперу, есть процесс смены фальсифицируемых теорий. Теория рассматривается Поппером как своеобразная «научная машина», сконструированная отдельным гениальным индивидом. Теория, если продолжать эту метафору, — не результат наблюдения, а скорее «изобретение», смело предшествующее опыту. Созданная теория должна подвергнуться рациональной критике, т. е. должны обсуждаться формулировка проблемы и способы ее решения. Фальсификация здесь — важнейшее средство выяснения качества теории. Внешнее функционирование науки состоит в том, что именно при столкновении как минимум двух теорий совершенствуется и возрастает научное познание. Поскольку наблюдение, по Попперу, есть всегда наблюдение в свете теории, постольку опровергаемая теория противостоит не чистому наблюдению (не наблюдаемым фактам), а другой теории или гипотезе. Функционирование науки характеризуется как смена одних (опровергаемых) теорий, другими, более смело противостоящими фальсификации. 3. МОДЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НАУКИ ИМРЕ ЛАКАТОСА. Единицей методологического анализа Лакатос считает не отдельную теорию, а исследовательскую программу. Она 33 представляет собой методологическую основу группы или череды сменяющих друг друга теорий. Внутри исследовательской программы одна теория сменяется другой, более лучшей теорией, — имеющей большее содержание, чем ее предшественница и это содержание частично подтверждается. Ни одна теория не может быть полностью подтверждена, но фальсификация признается средством выявления качества теории. Исследовательская программа состоит из методологических правил, одни из которых указывают, каких путей следует избегать («негативная эвристика»), а другие — каким путям следовать («позитивная эвристика»). Программа включает в себя т.н. «жесткое ядро» — неопровержимые, конвенциальные принципы. Это «жесткое ядро» окружено «защитным поясом вспомогательных гипотез». Основным проверкам подвергается этот защитный пояс, который, в случае необходимости, может быть подновлен. Возникновение аномалий, т. е. фактов, которые не могут быть объяснены в рамках данной исследовательской программы, приводит к попыткам создания другой исследовательской программы, где эти аномалии могли бы быть успешно разрешены. Если новая программа в состоянии решить аномалию, то это является основанием для отказа от старой программы. 4. МОДЕЛЬ НАУЧНЫХ РЕВОЛ ЮЦИЙ ТОМАСА КУНА . Основными понятиями модели Куна являются «парадигма» и «научное сообщество». Парадигма — это совокупность норм и правил, ценностей, установок и образцов научного исследования, которые разделяют члены данного научного сообщества. Парадигма включает в себя образцовый пример решения научных проблем. Парадигма существует в виде общепринятой научной теории. Научное сообщество — это общество практикующих специалистов, работающих в определенной области; получивших аналогичное образование, которые подвергаются 34 одинаковому процессу посвящения, после чего пользуются одной и той же литературой, извлекают из нее аналогичные знания по многим вопросам. Модель революционного развития по Куну состоит из следующих фаз: предпарадигма — нормальная наука — экстраординарная наука (научная революция) — нормальная наука. Предпарадигмальный период характеризуется конкуренцией различных точек зрения и подходов, претендующих на роль парадигмы. Научное сообщество только складывается. Наука находится на ранней стадии развития. В период нормальной науки складывается бесконкурентное научное сообщество и парадигма. Вся деятельность жестко нормирована. Основания науки не подвергаются сомнению. Происходит рутинное решение стандартных задач. Наблюдается кумулятивный рост научного знания. В период нормальной науки возникает три типа проблем: хорошо известные в данной парадигме; проблемы, природа которых указана существующей парадигмой, но которые могут быть решены только при дальнейшем развитии теории; осознанные аномалии, характерной чертой которых является упорное нежелание быть ассимилированными существующей парадигмой. Члены научного сообщества считают себя ответственными за достижение известных общих целей, к которым, в частности, относится обучение молодого поколения. Между членами сообщества осуществляется интенсивная научная коммуникация. Его участники придерживаются единого мнения в области профессиональных вопросов. Экстраординарный этап связан со сменой парадигм. Появляется тип научных проблем, которые не могут быть решены в данной парадигме. Возникает множество научных школ, ломаются прежние научные социальные институты и т.д. В такие периоды начинается обращение к основаниям парадигмы и возникает кандидат на новую. Для экстраординарной науки характерны следующие признаки (в совокупности и отдельно): 1) открытая неудовлетворенность теорией, играющей роль парадигмы; 2) выдви- 35 гаются новые спекулятивные теории для объяснения известных аномалий, при этом в научном сообществе отсутствует консенсус относительно предлагаемых новых теорий; 3) готовность к экспериментам, результаты которых невозможно предугадать; они проводятся с целью локализации источников аномалии; 4) склонность к философскому анализу оснований ведущей исследовательской традиции, что связанно с попыткой определить до сих пор неявно сформулированные регламентирующие правила и перепроверить их явным образом. На новой стадии нормальной науки в центре внимания находятся проблемы, приведшие к краху прежней парадигмы. 5. ЭВОЛЮЦИОННАЯ МОДЕЛЬ РАЗВИТИЯ НАУКИ СТИВЕНА ТУЛМИНА. Рассматривая науку как исторически развивающееся рациональное предприятие, Тулмин применяет для исследования развития научных идей общую теорию эволюции. Он понимает ее как обобщение дарвиновской теории популяций, которая, в свою очередь, является лишь частным случаем теории эволюции — зоологической теории эволюции. Тулмин же пытается создать общую теорию эволюции, где зоологоческая теория лишь частный случай. По мнению Тулмина, при изучении концептуального развития определенной научной традиции мы сталкиваемся с процессом избирательного закрепления предложенных научным сообществом интеллектуальных вариантов. Поэтому важно иметь в виду два различных аспекта эволюционного анализа развития идей: 1) взаимосвязь и непрерывность, дающие возможность выявить определенную научную дисциплину, имеющую собственную систему понятий, методов, основополагающих идей; 2) продолжительные преобразования (изменчивость), ведущие к радикальной перестройке или распаду научной дисциплины. Рассматривая концептуальные изменения в рамках какойлибо исследовательской традиции, Тулмин различает: а) единицы отклонения, или конкурирующие варианты (новые понятия, идеи и методы), циркулирующие в течение некоторого периода в данной дисциплине; б) единицы эффективной моди- 36 фикации, т. е. те немногие варианты, которые включаются в интеллектуальную традицию данной дисциплины на основе их постоянного критического отбора. Таким образом он выделяет: Нововведения — это возможные способы развития существующей традиции, предлагаемые ее сторонниками и удерживаемые лишь с целью последующего доказательства их пригодности для возможного решения стоящей проблемы, т. е. еще не принятые и не отклоненные. Отбор — решение ученых выбрать некоторые из предлагаемых нововведений, чтобы с их помощью модифицировать традицию, в том числе и в вопросах, касающихся способов выбора, когда одни варианты признаются, а друге отклоняются. Тулмин подчеркивает, что если открытие новой истины может произойти по инициативе отдельных ученых, то развитие новых идей — дело научного сообщества. Выдвижение и модификация новых идей, как и возможность их появления вообще, определяется социокультурными факторами. (Например, в древнем Китае, накопившем довольно много астрономических наблюдений и имевшем достаточно продвинутую по тем временам технику, в принципе не могло появиться ни китайского Галилея, ни астрофизики как самостоятельной дисциплины. В отличие от западной Европы, где астрономия основывалась на рациональном, абстрактном понимании геометрии как чисто теоретической дисциплины, в Китае геометрия оставалась прагматической наукой, собранием формул и искусных приемов для измерения земельных участков, необразующей логической сети абстрактных утверждений. Господствующий слой был озабочен, прежде всего, сохранением морального порядка на земле, но никак не интеллектуальными нововведениями или тем более космологией или натурфилософией. Следовательно, математическая астрономия вообще была не нужна. Общественный консерватизм обусловил методологический консерватизм. Таким образом, научная дисциплина не могла возникнуть не только из-за неразвитости логики, традиций фило- 37 софии и математики, но, прежде всего, из-за отсутствия необходимых институциональных традиций). Возникновение научных дисциплин и нововведений в них возможно лишь при условии существования коллективной научной профессии, представители которой придерживаются общих идеалов и являются институционально организованными. Поэтому наряду с понятием интеллектуальной дисциплины Тулмин использует и понятие интеллектуальной профессии, представляющую собой уже не популяцию научных идей, а уже популяцию ученых, выдвигающих эти идеи. Причем институциональное развитие протекает параллельно с эволюцией идей. 6. КОНЦЕПЦИЯ ВНЕШНЕГО ГЕНЕЗИСА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НАУКИ ПОЛЯ ФЕЙЕРАБЕНДА. Наука, с точки зрения Фейерабенда, — это не череда взаимно согласующихся теорий (в этом пункте он полемизирует с Лакатосом), а серия несовместимых, несоизмеримых альтернатив. Поэтому единицей методологического анализа должна быть не отдельная теория, а совокупность альтернативных теорий. Альтернативы, по его мнению, существуют в науке всегда, а не только в период научных революций. Их борьба является движущей силой прогресса. Периодов «нормальной науки» вообще не бывает (здесь он уже полемизирует с Куном). Разнообразие мнений является неотъемлемым свойством науки и философии. Умножение теорий выгодно для науки, поскольку единообразие лишает ее критической силы, приводит к застою. В этом случае возникает вера в уникальность принятой теории, попытки отступничества объявляются «еретичеством» и караются, а факты, не укладывающиеся в теорию, устраняются. Анализируя проблему соотношения теории и опыта, Фейерабенд резко критикует методологию неопозитивизма. Позитивистский язык наблюдения, отмечает он, основывается на метафизической онтологии. Причем, с точки зрения позитивистов, существует единственная онтология. Фейерабенд 38 небезосновательно считает, что язык наблюдения определяется теорией. Каждая теория создает свой собственный язык для описания наблюдаемых ситуаций. Понятия языка наблюдения не всегда более понятны, чем теоретические понятия, поэтому не могут служить средством разъяснения последних. При отсутствии теории показания измерительных приборов не имеют никакого значения. Сначала теория рассказывает о взаимосвязях, имеющихся в мире. Она учит, что есть связь между показаниями инструмента и явлениями, связями в мире. Если одна теория заменяется другой теорией, с иной онтологией, то все показания приборов надо интерпретировать заново. И вообще не существует такой теории, которая ни в чем бы не противоречила фактам. Фейерабенд утверждает, что старая и новая теории не только не совместимы (старая не может быть включена в новую), но и несоизмеримы, т. е. их содержание несравнимо. Методологию Фейерабенда составляет несколько принципов: 1. принцип плюрализма: «сгодится всѐ!» 2. принцип пролиферации (размножения): «создавай новое!» 3. принцип постоянства (упорства): «не отбрасывай старое!» Принцип плюрализма говорит о том, что открываются и развиваются теории, противоречащие существующему представлению, даже если оно основательно подтверждено и общепризнано. Такие теории и являются, по его мнению, альтернативными данному представлению. Альтернативные теории могут черпаться буквально отовсюду: из других теорий, мифов и современных предрассудков, ухищрений специалистов и маниакальных фантазий. Самая дикая (на сегодняшний день) идея в будущем может натолкнуть мыслителя на вполне разумную идею. Альтернативные идеи могут быть заимствованы из прошлого. Не существует идеи, сколь бы древней и абсурдной она не казалась, которая не могла бы способствовать совершенствованию наших сегодняшних знаний. История идей — существенная 39 составная часть научного метода. История науки, таким образом, становится неотъемлемой частью самой науки. Этот тезис поддерживают принципы размножения и упорства. В науке должно быть позволено генерировать новые идеи и не отказываться от других идей, сейчас (ещѐ) не подтверждаемых. Не нужно отбрасывать даже самые странные результаты умственной деятельности. Каждый может следовать своему мнению. Приветствуется усовершенствование своих идей, увеличение степени их убедительности. Следование подобным принципам, по Фейерабенду, может быть, – единственный путь избавить человечество от интеллектуального застоя. Фейерабенд говорит о сильнейшей связи науки с культурой, общественными отношениями, искусством, идеологией, политикой. Личные интересы ученого, насилие, гонка вооружений, промывание мозгов, пропаганда играют в процессе научного познания гораздо большую роль, чем принято было считать. Настоящее науки сильно связано с прошлым науки и культуры вообще. В науке повсюду следы ненаучных идей и методов, ценностей и целей. В реальности ученые не придерживаются жестких правил и норм. Поэтому методологию Фейерабенда называют анархистской. Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. Каковы слабые стороны неопозитивистской концепции развития науки? 2. Что такое фальсификация научной теории? 3. Как связаны между собой смысл понятий «парадигма» и «научное сообщество»? 4. По каким признакам можно судить о наступлении «экстраординарного» этапа развития науки? 5. Согласны ли вы с тем, что в науке нет правил и «сгодится всѐ»? 40 СТАНОВЛЕНИЕ КЛАССИЧЕСКОГО (МЕХАНИСТИЧЕСКОГО) ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 1. УСТРОЙСТВО МИРА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ АНТИЧНЫХ И СРЕДНЕВЕКОВЫХ МЫСЛИТЕЛЕЙ . Ранее мы говорили о том, что естествознание современного типа (математизированное, экспериментальное) возникает в Европе в XVI – XVII вв. Очевидно, что оно возникает не на пустом месте, а как результат переработки и переосмысления взглядов античных и средневековых мыслителей. В то время еще не было четкого разделения знаний на дисциплины. Физика, космология, астрономия, философия и другие науки тесно переплетались, и выделять их еще не было необходимости. Первые натурфилософские системы знаний, как мы уже говорили, появляются в античности. Выделяются два основных конкурирующих подхода к пониманию устройства материального мира: континуальный подход Аристотеля и атомистический (дискретный) подход Демокрита-Эпикура. Если говорить коротко и несколько упрощая, то Аристотель считал, что в природе нет пустоты, что вся она состоит из материи и эта материальная субстанция беспредельно делима, хотя и состоит из элементов-стихий, таких, как вода, земля, воздух, огонь. Сторонники атомистического подхода – Левкипп, Демокрит, Эпикур – считали, что в материальном мире есть два начала: пустота и атомы. Все материальные явления состоят из атомов и пустоты – мельчайших неделимых частиц, соединенных в разных последовательностях и комбинациях друг с другом. Подход атомистов не получил поддержки интеллектуалов того времени, потому как атомы были лишь умозрительными сущностями, и подход Аристотеля стал доминирующим. Рассмотрим основные положения натурфилософского учения Аристотеля более подробно. Учение Аристотеля, которое отрицало пустоту (вакуум) в природе, считало, что материальная субстанция беспредельно делима, и разграничивало "земное" и "небесное". Земля, по его представлениям, есть мир тленный, где происходит постоянный 41 круговорот — рождение и смерть, произрастание и увядание; небо, наоборот, усеяно светилами, состоящими из одного эфира — нетленного элемента; все светила являются поэтому вечными и совершенными. Аристотель, вслед за философом Эмпедоклом (ок. 490-430 гг. до н. э.), предположил существование четырех "стихий": земли, воды, воздуха и огня, из смешения которых будто бы произошли все тела, встречающиеся на Земле. По Аристотелю, стихии вода и земля естественным образом стремятся двигаться к центру мира ("вниз"), тогда как огонь и воздух движутся "вверх" к периферии и тем быстрее, чем ближе они к своему "естественному" месту. Поэтому в центре мира находится Земля, над ней расположены вода, воздух и огонь. Таким образом, Аристотель различает естественные и насильственные движения тел, физику земную и физику небесную. Для земных тел естественными являются движения по прямой к центру Космоса (т. е. вниз) или от центра Космоса (вверх): тяжелые тела по самой своей природе стремятся вниз, а легкие — вверх. Всякие иные движения земных тел являются насильственными. Представления Аристотеля о естественных и насильственных движениях тел господствовали в науке в течение многих столетий — вплоть до XVI-XVII вв., когда возникла механика Галилея-Ньютона. По Аристотелю, Вселенная ограничена в пространстве, хотя ее движение вечно, не имеет ни конца, ни начала. Это возможно как раз потому, что кроме упомянутых четырех элементов существует и пятая, неуничтожимая форма материи, которую Аристотель назвал эфиром. Из эфира будто бы состоят все небесные тела, для которых вечное круговое движение — это естественное состояние. "Зона эфира" начинается около Луны и простирается вверх, тогда как ниже Луны находится мир четырех элементов. При построении своей системы мира Аристотель использовал представления Евдокса о концентрических сферах, на которых расположены планеты и которые обращаются вокруг Земли. По Аристотелю, Космос ограничен, имеет форму сферы, в центре которой находится земной шар, за пределами сферы нет ничего — ни пространства, ни времени. В пределах же 42 сферы нет пустоты — все заполняет "первичная материя". Все небесные движения совершенны, т. е. совершаются равномерно по кругам согласно принципу пифагорейцев. Аристотель представлял себе планеты как одушевленные объекты, прикрепленные к определенным прозрачным сферам, которые вращаются вокруг неподвижной Земли. У него имеются убедительные доказательства шарообразности Земли. Одним из них было изменение вида звездного неба при передвижении наблюдателя по земной поверхности: в южных странах появляются новые созвездия, невидимые на севере, чем дальше к северу, тем больше видно незаходящих звезд. Второе доказательство Аристотеля основано на наблюдениях лунных затмений: тень Земли на диске Луны всегда ограничена дугой круга. Из того, что все тела при падении стремятся к центру Земли, по мнению Аристотеля, следует, что Земля должна иметь шаровидную форму. В своих трудах Аристотель изложил принципы классификации животных, провел сравнение различных животных по их строению, заложил основы античной эмбриологии. Современники и последователи Аристотеля – Гераклид Понтийский, Аристарх Самосский, Гиппарх – значительно уточнили теорию сфер Аристотеля. Утверждается представление о том, что планеты движутся вокруг солнца по круговым орбитам. Законченный вид геоцентрическая система приобрела в труде александрийского астронома Клавдия Птолемея (II в. н.э.) «Альмагест». В этой книге Птолемей сделал то, что не удавалось ни одному из его предшественников. Он разработал метод, пользуясь которым можно было рассчитать положение той или другой планеты на любой заданный момент времени. Это сочинение дает стройную теорию планетных движений, но исходит из неверного принципа неподвижности Земли в центре мира. Это была логически стройная кинематическая схема Вселенной, которая, несмотря на ложность своих теоретических основоположений давала удовлетворительное описание основных особенностей видимого движения небесных тел. В историю науки она вошла как геоцентрическая система мира. 43 В Средние века в Европе интерес к познанию природы резко падает. Мыслителей более интересует человек, его душа и отношения человека с Богом. Интерес к натурфилософии в Средние века можно отметить у арабов, народов Средней Азии. Труды Птолемея вместе с другими древними астрономическими источниками послужили отправной точкой для ряда усовершенствований геоцентрической системы мира, разработанной средневековыми учеными и философами, в особенности Ибн Хайсамом (известным в Европе под именем Альхазена) и Ибн Шатиром, принадлежавшим к астрономической школе Насир эд Дина Туси (XII в.). Аль-Батани (по прозванию Альбатегниус, 850-929 гг. н.э.) заново и точнее определил и проверил многие из результатов Гиппарха и Птолемея. Абу-Райхану Бируни (972-1048 гг. н. э.) принадлежит определение размеров Земли по углу понижения горизонта с вершины горы. Он же выразил мнение о возможности движения Земли вокруг Солнца. Соорудив обсерваторию с весьма точными для того времени измерительными инструментами, талантливый самаркандский астроном Улугбек (Мухаммед Тарагай — внук известного завоевателя Тамерлана) составил новый каталог звезд — первый самостоятельный после Гиппарха и более точный: положения звезд даны в нем не только в градусах, но и в минутах дуги. В Средние века в научно-философской среде мусульманского Востока и христианского Запада предметом особого обсуждения стал вопрос о физической реальности птолемеевских эпициклов и деферентов. По мнению Абу Райхана Бируни, эпициклы и деференты имеют вполне реальное физическое существование. В то же время другой крупный представитель научно-философской мысли Средневековья Ибн Рушд (Авероэс), хотя и допускал, что эпициклы и деференты сами по себе нужны для расчета и предсказания положения планет, вместе с тем оспаривал мнение, согласно которому эпициклы и деференты существуют внутри реального космоса в актуальнофизическом смысле. 44 2. НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ XVI-XVII ВВ. Радикальный пересмотр устоявшейся геоцентрической системы мироздания совершил польский мыслитель Николай Коперник. Свои взгляды на устройство мира он изложил в книге «Об обращении небесных сфер» (1543 г.). Геоцентрическая система Птолемея с течением времени усложнялась, ибо повышенные требования к точности астрономических вычислений делали необходимым увеличение количества дополнительных окружностей (эпициклов, деферентов), чтобы согласовать систему с Землей в центре и вращающимися вокруг нее по окружностям планетами с наблюдаемыми движениями этих планет. Ко времени Коперника число деферентов и эпициклов возросло до 56 и имело тенденцию расти дальше. (Уже в античности многие мыслители не были удовлетворены такой сложной "неестественной" конструкцией. Один из них (Прокл) считал, что эпициклы — всего лишь умственные построения, созданные для "спасения явлений", и что пути планет на самом деле являются сложными и неравномерными, другие (Симплиций) вообще полагали, что сложные пути планет — всего лишь видимость, что за ней находится некая непознанная глубинная сущность). В основе гелиоцентрической системы Н. Коперника лежали следующие утверждения: 1. Мир конечен. В центре мира находится Солнце. 2. Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца в одном направлении и вращаются вокруг одного из своих диаметров. 3. Это движение происходит по круговым орбитам. Оно является равномерным, т. е. скорости движения планет по круговым орбитам постоянны. Последующие шаги в создании новой картины мира были сделаны Г. Галилеем и К. Кеплером, оба они были убежденными сторонниками учения Н. Коперника. Галилей заложил методологический канон современной науки: он первым использовал эксперимент как метод доказательства расчетных гипотез, первым утвердил 45 необходимость использования математики для исследования природы. Галилей впервые использовал подзорную трубу собственной конструкции для астрономических наблюдений, открыв горы на Луне, т. е. открыв, что Луна имеет не идеальную форму шара, присущую якобы лишь телам "небесной природы", а имеет вполне "земную" природу. Таким образом, была поколеблена идея, идущая еще от Аристотеля, о принципиальном различии между "совершенными" небесными телами и несовершенными земными, между физикой небесной и физикой земной. Другие его астрономические открытия: открытие четырех спутников Юпитера (1610 г.), обнаружение фаз Венеры, наличие пятен на Солнце — имели огромное мировоззренческое значение, подтверждающее материальное единство мира. Наглядно было показано, что Земля не является единственным центром, вокруг которого должны обращаться все тела. Это было важным доказательством в пользу системы мира Н. Коперника. При ее разработке Коперник исходил из предположения, что Земля и планеты обращаются вокруг Солнца по круговым орбитам. Поэтому, чтобы объяснить сложное движение планет по эклиптике, ему пришлось ввести в свою систему 48 эпициклов. И лишь благодаря усилиям И. Кеплера система мира Коперника приобрела простой и стройный вид. Кеплер совершил следующий шаг — открыл эллиптическую форму орбит и законы, по которым планеты движутся вокруг Солнца. Первые два кеплеровских закона были опубликованы в 1609 г., третий — в 1619 г. Наиболее важным для понимания общего устройства Солнечной системы был первый закон, утверждавший, что планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, а Солнце находится в фокусе одного из этих эллипсов. В свое время греки предполагали, что все небесные тела должны двигаться по кругу, потому что круг — самая совершенная из всех кривых. Хотя греки знали много вещей об эллипсах и тщательно изучили их математические свойства, им никогда не приходило в голову, что, возможно, небесные тела движутся как-то иначе, нежели по кругам или сложным сочетаниям кругов. Кеплер первым отважился высказать такую идею. Однако три 46 его закона имеют решающее значение в истории науки прежде всего потому, что они способствовали доказательству закона тяготения Ньютона. Другим выдающимся последователем Н. Коперника, старшим современником Галилея и Кеплера был Джордано Бруно. Он выдвинул идею множественности миров, которую можно трактовать как принцип эквивалентности разных мест во Вселенной, имеющей фундаментальное методологическое значение и в современной космологии. Основная идея натурфилософии Д. Бруно — бесконечность и однородность Вселенной и неисчислимость миров — звезд, тождественных по своей природе с Солнцем. У Бруно не только Земля, но и Солнце перестает быть центром Вселенной, последняя вообще не имеет центра. Он также допустил возможность существования внеземных цивилизаций. 3. МЕХАНИСТИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА . Обобщение достижений Галилея и Кеплера выпало на долю Исаака Ньютона. Он создал теорию, описывающую движение всех тел (и земных и небесных) тремя законами. Он также утвердил закон Всемирного тяготения. Он пытался доказать, что этих четырех законов вполне достаточно для объяснения взаимодействия всех без исключения тел и явлений. Основные положения механистического понимания природы: 1. Существует один вид материи – вещество, состоящее из большого количества мельчайших и неделимых твердых частиц (атомов), обладающих массой. 2. Существует один вид движения – перемещение материальных тел в пустом трехмерном пространстве с течением времени, т. е. механическое движение. 3. Законы динамики Ньютона и закон всемирного тяготения носят универсальный характер, т. е. позволяют свести все многообразие наблюдаемых явлений к механике атомов, молекул, тел – к их перемещениям, столкновениям, сцеплениям и разъединениям. 47 4. Взаимодействие материальных тел во вселенной имеет гравитационную основу и происходит с бесконечной скоростью. Массивные тела взаимодействуют друг с другом мгновенно, вне зависимости от расстояния между ними. 5. Все процессы, описываемые законами динамики, носят однозначный причинно-следственный характер (лапласовский детерминизм). 6. Все качественные изменения в мире сводятся к количественным. 7. Изучение механических явлений не оказывает существенного влияния на их течение. 8. Уравнения динамики обратимы во времени, т. е. для них безразлично, куда развивается процесс из настоящего времени – в будущее или прошлое. Механика Ньютона позволяла объяснять и предсказывать многие явления природы: приливы и отливы океана, движения комет, возмущения в движении планет и т.д. Утверждение Ньютона о том, что Земля сжата у полюсов, было экспериментально доказано в 1735-1744 гг. в результате измерения дуги земного меридиана в экваториальной зоне (Перу) и на севере (Лапландия) двумя экспедициями Парижской Академии наук. Следующим большим успехом закона всемирного тяготения было предсказание ученым Клеро времени возвращения кометы Галлея. В 1682 г. Галлей открыл новую комету и предсказал ее возвращение в сферу земного наблюдения через 76 лет. Однако в 1758 г. комета не появилась, и Клеро сделал новый расчет времени ее появления на основе закона всемирного тяготения с учетом влияния Юпитера и Сатурна. Назвав время ее появления – 4 апреля 1759 г., Клеро ошибся всего на 19 дней. Успехи теории тяготения в решении проблем небесной механики продолжались и в XIX веке. Так в 1846 г. французский астроном Леверье писал своему немецкому коллеге Галле: «направьте ваш телескоп на точку эклиптики в созвездии Водолея на долготе 326 градусов, и вы найдете в пределах одного градуса от этого места новую планету с заметным 48 диском, имеющую вид звезды приблизительно девятой величины». Эта точка была вычислена Леверье и независимо от него Адамсом (Англия) на основе закона всемирного тяготения при анализе наблюдаемых «неправильностей» в движении Урана и предположения, что вызываются они влиянием неизвестной планеты. И действительно, 23 сентября 1846 г. Галле в указанной точке неба обнаружил новую планету. Так родились слова «Планета Нептун открыта на кончике пера». Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. Каковы принципиальные отличия в понимании мира и природы у Аристотеля и Ньютона? 2. Как вы понимаете смысл «лапласовского детерминизма»? 3. Когда в науке появляется идея бесконечности Вселенной? 4. Каковы основные положения механистического понимания природы? СТАНОВЛЕНИЕ НЕКЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ 1. ТЕРМОДИНАМИКА. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КАР ТИНА МИРА. Механистическое понимание материального мира стало испытывать кризис, заходить в тупик при изучении новых видов и уровней материи. Большое значение здесь имеют исследования в области тепловых явлений (термодинамики механической теории теплоты) и электромагнитных явлений. В термодинамике Максвеллом и Больцманом зарождается статистический метод физики. Этот метод позволяет описывать поведение систем, состоящих из огромного количества малых тел. И такие системы, как оказалось, описываются вероятностными, статистическими законами, а не динамическими, как в классической механике. Исследования в области термодинамики начинались с изучения теплоты, энергии, возможности энергии производить механическую работу, превращаться из одной формы в другую. Фундаментальными здесь являются работы Карно, Цельсия, Фаренгейта, Джоуля, Гельмгольца, Ленца, Клазиуса, Макс- 49 велла, Больцмана. Благодаря их усилиям были сформулированы и осмыслены три начала термодинамики, понятия энергии, теплоты, работы, энтропии и т.д. 1 закон (начало) термодинамики: энергия в системе не возникает и не исчезает, но переходит из одного состояния в другое. 2 закон (начало) термодинамики: исключает возможность создания вечного двигателя. Формулировка Клаузиса: процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, т. е. теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе. Это явление называют рассеиванием или дисперсией энергии. 3 закон - Теорема Нернста: энтропия любой системы при абсолютном нуле температуры всегда может быть принята равной нулю. Мировоззренческий смысл этих законов заключается в следующем. Все виды энергии превращаются в конечном счете в тепловую энергию. Тепловая энергия не может накапливаться, а только рассеиваться. Невозможно никакими усилиями всю тепловую энергию перевезти в полезную работу. Если энергия – это мера потенциальной возможности системы совершать полезную работу, то есть упорядоченное действие, то энтропия – это мера качества энергии, т. е. реальной способности ее произвести работу без привлечения внешнего воздействия. При возрастании неупорядоченности системы энтропия возрастает. Отсюда следует, что Вселенная, которая может быть рассмотрена как закрытая система, должна прийти к тепловой смерти. Т.к. энергия в данной системе не может накапливаться и должна исчезнуть. Электромагнитные явления систематически стали изучаться в XVIII веке. Однако вплоть до 1820 г. электрические и магнитные явления изучались отдельно, потому что между ними не было замечено связи. В 1820 г. Эрстед открыл магнитное действие электрического тока, а значит, связь между электрическими и магнитными явлениями. Магнитное действие 50 токов было изучено Ампером, который пришел к выводу, что все магнитные явления в природе вызваны электрическими токами. М. Фарадей в 1831 г. открыл, что электрические и магнитные явления взаимообусловливают друг друга: ток способен вызывать магнитные явления, и при помощи магнитов можно получать электрические токи. Также М.Фарадей обнаружил определяющую роль промежуточной среды в электромагнитных явлениях. Электрические и магнитные взаимодействия передаются промежуточной средой, и мгновенного взаимодействия тел на расстоянии он не допускал. Оформил в стройную математическую теорию знания о электромагнитных явлениях Д. Максвелл. Именно он одним из первых вводит в физику статистические закономерности. Теория Максвелла содержит уравнения, выражающие основные законы электрического и магнитного полей, включая электромагнитную индукцию. Теория Максвелла допускает существование электромагнитных волн, т. е. переменного электромагнитного поля, распространяющегося с конечной скоростью в особом светоносном эфире, и позволяет рассматривать свет как электромагнитные волны. Благодаря исследованиям Ампера, Фарадея, Максвелла, Герца и многих других формируются основания электромагнитной картины мира. Согласно этой картине мира, материя существует в двух видах: в виде вещества (дискретного, обладающего массой, плотностного) и в виде поля (непрерывного, не обладающего массой, легко проницаемого). Причем между веществом и полем есть четкая граница. Один и тот же объект не может обладать свойствами поля и свойствами вещества. Законы, открытые Максвеллом и Больцманом, носят вероятностный, статистический характер. 2. ОПЫТЫ МАЙКЕЛЬСОНА И МОРЛИ . Напомним, что из теории Максвелла следует, что свет представляет собой электромагнитные волны, которые распространяются с конечной скоростью в особой светоносной 51 среде (эфире), подобно тому, как акустические волны распространяются в воздухе, а морские – в воде. В первой половине XIX века такой подход имел много сторонников. В 1887 г. два американских физика Альберт Майкельсон и Генри Морли решили провести эксперимент, который бы позволил продемонстрировать скептикам то, что светоносный эфир реально существует. Они использовали специальный прибор интерферометр, позволяющий выявить т.н. «эфирный ветер». Задумка физиков состояла в следующем. Земля движется по орбите вокруг Солнца со скоростью примерно равной 30 км/с. Полгода в одну сторону, полгода – в другую. Это должно было изменять показания интерферометра: полгода в сторону увеличения и полгода в сторону уменьшения. Но этого не происходило. При движении Земли вокруг Солнца никакого «эфирного ветра» выявить не наблюдалось. На основании этого можно было сделать однозначный вывод, что эфира нет. В отсутствие эфирного ветра и эфира как такового, стал очевидным эмпирически подтвержденный, неразрешимый конфликт между классической механикой Ньютона (где существует абсолютная система отсчета и скорость света величина неограниченная) и уравнениями Максвелла (согласно которым скорость света имеет предельное значение, не зависящее от выбора системы отсчета). Разрешить это конфликт попытался Альберт Эйнштейн своей релятивистской механикой. 3. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (СТО). Основу СТО, опубликованной в 1905 г., составляют два постулата: 1. Принцип относительности Эйнштейна. Он гласит, что все физические процессы при одних и тех же условиях в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Это значит, что все инерциальные системы равноправны и физические процессы, проходящие в них, описываются одними и теми же закономерностями. 52 2. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в вакууме – предельная скорость в природе. Это одна из важнейших физических постоянных, т.н. «мировых констант». Анализ этих постулатов и математических конструкций, созданных на их базе, показывает, что они противоречат представлениям о пространстве, времени, движении, одновременности событий, принятых в механике Ньютона. Из СТО следует ряд следствий: 1) Скорость движения любого тела в любой инерциальной системе отсчета не может быть больше скорости света с. Если одна из скоростей в такой системе равна с, то сумма скоростей тоже будет равна с. 2) Масса тела зависит от скорости его движения. На скоростях близких к скорости света, масса движущегося тела увеличивается по отношению к массе покоящегося. При скорости 260 000 км/с (87% от скорости света) масса объекта с точки зрения наблюдателя, находящегося в покоящейся системе, удвоится. 3) В системе, движущейся на скорости близкой к скорости света, наблюдается замедление хода времени, по сравнению с ходом времени покоящейся системы. Отсюда вытекает т.н. «парадокс близнецов», часто обыгрывающийся в научно-популярной литературе. Он заключается в следующем. Если один близнец остается на Земле (покоящаяся система), а другой улетает на ракете, движущейся со скоростью близкой к скорости света (движущаяся система), то, возвратившись на Землю, он обнаружит, что его брат-близнец стал намного старше его. 4) Взаимосвязь массы и энергии, выражаемая знаменитой формулой Эйнштейна E=mc2. Здесь энергия – это вся энергия, запасенная массой, а не кинетическая энергия. Эта энергия, высвобождаемая при радиоактивном распаде, термоядерном синтезе и др. 53 4. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (ОТО) . Общая теория была опубликована Эйнштейном через 11 лет после специальной. Основные принципы ОТО сводятся к следующему: 1) принцип постоянства скорости света СТО ограничен областями, где гравитационными силами можно пренебречь; 2) принцип относительности СТО распространяется на все движущиеся системы. Из ОТО был получен ряд важных выводов. 1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи 2. Луч света, обладающей инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения В частности, такое искривление должен испытывать луч, проходящий возле Солнца. Этот эффект, как писал Эйнштейн, можно обнаружить при наблюдении положения звезд во время солнечного затмения. В 1919 году научные экспедиции Лондонского Королевского общества, направленные для изучения солнечного затмения, подтвердили правильность этого утверждения. 3. Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений. В результате этого эффекта, при спектральном анализе солнечно света линии спектра должны смещаться в сторону красного цвета, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников. Экспериментально красное смещение линий спектра было обнаружено в 1923-1925 гг. при изучении Солнца и спутника Сириуса. Коротко говоря, ОТО включает в себя СТО как частный случай. ОТО рассматривает мир как четырехмерный: к трем пространственным измерениям добавляется время. Все четыре измерения неразрывны, образуют четырехмерный пространственно-временной континуум (пространство-время). Поэтому речь идет уже не о пространственном расстоянии между объек- 54 тами, как это имеет место в трехмерном мире, а о пространственно-временных интервалах между событиями. Классическая механика утверждает, что между любыми двумя телами во вселенной существует сила взаимного притяжения, и Земля вращается вокруг Солнца, потому что между ними действуют силы взаимного притяжения. ОТО рассматривает явление притяжения иначе. Согласно ОТО, гравитация – это следствие деформации («искривления») пространствавремени под воздействием массы. При этом, чем массивнее, тяже тело, тем сильнее пространство-время деформируется вокруг него. Образно это можно изобразить так. Представьте туго натянутое полотно (допустим, батут), на которое помещен массивный шар. Полотно деформируется под тяжестью шара, и вокруг него образуется впадина в форме воронки. Согласно общей теории относительности, Земля обращается вокруг Солнца подобно маленькому шарику, пущенному кататься вокруг конуса воронки, образованной «продавливанием» пространства-времени тяжелым шаром (Солнцем). А то, что нам кажется силой тяжести, на самом деле является внешним проявлением искривления пространства-времени. ОТО произвела настоящий переворот в космологии. На ее основе появились различные модели Вселенной. Вокруг теории развернулись широкие дискуссии специалистов, которые продолжаются и по сей день. Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. В чем выражался кризис механистического понимания природы? 2. В чем заключается мировоззренческий смысл второго начала термодинамики? 3. Сформулируйте основные положения электромагнитной картины мира? 4. В чем противоречия релятивисткой механики Эйнштейна от классической механики Ньютона? 55 5. Как меняется понимание гравитации в общей теории относительности? КВАНТОВО-ПОЛЕВАЯ (НЕКЛАССИЧЕСКАЯ) ФИЗИКА 1. СПЕЦИФИКА СУБАТОМНЫХ ОБЪЕКТОВ И КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ . В конце XIX века состоялись открытия в разных областях физики. Были обнаружены новые уровни организации материи, новые виды взаимодействий и т.д. Эти новые открытия не всегда могли быть объяснены исходя из сложившихся механистических представлений классической физики – в науке возник кризис, который привел к формированию новых неклассических представлений об устройстве и закономерностях материального мира. В 1895 г. В.К. Рентген, исследуя катодные лучи, обнаружил лучи, способные проникнуть сквозь непрозрачные для обычного света тела. Эти лучи были названы Х-лучами или рентгеновскими лучами. В 1896 г. Анри Беккерель обнаружил излучение, испускаемое солями урана. Это излучение теперь называют радиоактивным излучением. Т. е. Беккерель обнаружил новое явление природы – радиоактивность. В 1897 г. Джон Томпсон, обобщив все, что было известно о катодных лучах к тому времени, пришел к выводу, что эти лучи – это поток отрицательно заряженных частиц, которые были названы электронами. Электрон был первой открытой элементарной частицей. В 1900 г. Макс Планк обнаружил, что энергия света излучается не непрерывно (как это следует из электромагнитной теории), а отдельными порциями (квантами). Коротко говоря, в конце XIX – начале XX вв. был сделан ряд важных открытий – открытие радиоактивности электрона, взаимосвязи массы и энергии, конечности скорости света, кванта энергии, периодического закона Менделеева и др. – разрушавших прежнее представление об атоме как о первом и неделимом кирпичике мироздания. Физики переключились на 56 исследование строения атомного ядра, субатомных частиц и взаимодействий. Эта новая, неклассическая физика получила название квантовой физики. Важнейшая характеристика субатомных объектов, поставившая в тупик многих физиков, – это то, что субатомные объекты одновременно обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами, т. е. одновременно обладают свойствами твердых тел (веществ) и поля. Особенно ярко это противоречие проявилось при исследовании света. Начиная с XVII в. существовали две конкурирующие теории света. Большинство ученых считало, что свет представляет собой поток светящихся частиц, движущихся в пустоте. Так считал, например, Исаак Ньютон. Декарт, Гук, Гюйгенс рассматривали свет как механическую волну или как возмущение особой светоносной материи (эфира). В 1880 г. Г. Герцем было экспериментально подтверждено предположение Д. Максвелла о том, что свет представляет собой электромагнитные волны. Однако в явлениях фотоэффекта световой поток имеет свойства частиц. Фотоэффект – это явление выбивания электронов с поверхности проводника под действием света. В этом случае свет ведет себя как поток частиц. Для объяснения этого эффекта А. Эйнштейн предположил, что свет состоит из квантов, которые впоследствии назвали фотонами. Т. е. Эйнштейн предположил, что свет (энергия) не только излучается порциями, но и распространяется и поглощается порциями. При этом энергия фотона прямо пропорциональна частоте света. Таким образом, в начале XX в. было убедительно экспериментально доказано, что свет наряду с известными волновыми свойствами (интерференция, дифракция, поляризация) обладает и корпускулярными свойствами (фотоэффект). Возникло формальное противоречие: для объяснения одних явлений было необходимо считать свет волной, а для других – частицей. Для объяснения противоречивых свойств субатомных объектов в 1924 г. Л. де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волновых свойств. Смысл в том, что 57 все микрообъекты обладают одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами. Каждой частице он поставил в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна ее импульсу, а каждой волне – частицу. В этом и заключается корпускулярно-волновой дуализм материи. Развивая идею де Бройля о том, что всем микрочастицам соответствуют волны, Эрвин Шрединер в 1926 г. ввел дифференциальное уравнение, характеризующее волны материи (волны де Бройля). В частности, оно позволяет находить значение амплитуды этих волн. Развиваемый Шредингером подход приводил к тому, что электрон описывался не как частица, а как электронное облако. Электрон в атоме в конкретную секунду не имеет конкретного местоположения, а имеет тенденцию находиться на орбите в пределах электронного облака. В квантовой механике при описании состояния микрообъекта классические физические представления, выработанные для описания макрообъектов, теряют смысл. В классической физике состояние объекта задается координатами и скоростью. При этом методы исследования макрообъектов позволяют абстрагироваться от связи изучаемого объекта с другими объектами, не учитывать влияние самого процесса исследования на его результат и рассматривать получаемые свойства объекта как присущие ему «по природе». При изучении микрообъектов эта картина усложняется. Микрообъекты очень малы, обладают огромной энергией и движутся на огромных скоростях, поэтому при исследовании субатомных объектов макроприборами закономерности движения микрообъектов приобретают вероятностный характер. Рассмотрим пример. Электрон движется вокруг ядра водорода. Если мы зададимся вопросом, в каком конкретно месте находится электрон на орбите в данную секунду? И как мы это можем узнать? Узнать это мы можем, столкнув атом с другой разогнанной частицей. В момент столкновения электрона и этой частицы мы сможем узнать, где конкретно находился электрон на орбите в момент столкновения. Без этого столкновения мы не можем с вероятностью 100 % указать конкретное местополо- 58 жение электрона на орбите, а только вероятность его нахождения. Мы можем сказать, что он есть на орбите, и в данную секунду есть везде на этой орбите. Дело в том, что для микрообъектов секунда – это очень большая единица времени. Есть такие субатомные объекты, которые за секунду могут «родиться» и «исчезнуть» несколько десятков раз. И поэтому, когда мы задаемся вопросом о конкретных координатах электрона в данную секунду, мы становимся похожими на человека, который спрашивает «где конкретно находится Земля на своей орбите в данное тысячелетие?» В данное тысячелетие Земля находится везде на своей орбите. Описанная выше особенность движения электрона позволяет рассматривать электрон и как частицу с существующим «точечным» местоположением и как электронную оболочку, или электронное облако вокруг ядра. И противопоставление корпускулярных свойство вещества и континуальных свойств поля снимается. Эта же двойственная природа субатомных объектов меняет привычные представления о делимости материи. Классическая физика признавала делимость всех материальных тел, кроме атомов. Атом считался неделимым. Когда в конце XIX в. были обнаружены части атома, встал вопрос о том, являются ли эти части атома элементарными, неделимыми. Т. е. говоря иначе, встал вопрос, а делимы ли протоны, электроны, нейтрино и т.д.? Если мы каким-то образом разделим электрон пополам, получим ли мы две половинки электрона? Чтобы разделить электрон, необходимо «бомбардировать» его другой частицей. При этом происходит столкновение, «маленький взрыв». Энергия электрона и этой частицы соединяются, «сливаются» и это временное единство тут же нарушается с образованием трех других частиц, которые при этом не являются половинками частиц, вступивших в столкновение. Если говорить образно, то субатомные объекты представляют собой своеобразные «энергетические сгустки». При их столкновении их энергии на время объединяются, и происходит образовании других «сгустков» с несколько другими харак- 59 теристиками. Следует отметить, что эти «сгустки» не являются ни частицами с корпускулярными свойствами, ни полями с континуальными свойствами. Какие свойства мы выявим у субатомного объекта, во многом определяется способом исследования этого объекта. Если пропустить субатомный объект сквозь дифракционную решетку, то она позволит выявить волновые свойства этого объекта. Если столкнуть субатомный объект с другим субатомным объектом в камере Вильсона, то мы обнаружим корпускулярные свойства. Это связано с тем, что субатомные объекты (микрообъекты) очень сильно отличаются от привычных нам макрообъектов: они очень малы, обладают высоким уровнем энергии, движутся на околосветовых скоростях. Для адекватного исследования микрообъектов, в идеале, подошли бы приборы и инструменты однопорядковые с микрообъектами. Но таких микроинструментов у нас нет. Мы вынуждены использовать для изучения и описания микрообъектов макроприборами и понятиями, выработанными при исследовании макротел, тел, соотносимых с размерами человека. Физик Нильс Бор считал, что многие парадоксы и формальные противоречия микрообъектов связаны именно с тем, что мы пользуемся «макро-приборами» и «макропонятиями» для исследования микрообъектов. Мы думаем, что наши понятия и методы, которые подходят для описания макротел, универсальны. Но, возможно, это не так. Бор предложил использовать при интерпретации экспериментальных данных о микрообъектах принцип дополнительности. Он предложил считать, что формально-логические противоречия в поведении микрообъектов не связаны с противоречивостью свойств этих объектов самих себе «от природы», а с ограниченными возможностями методологического аппарата физиков. Он считал, что корпускулярные и волновые свойства субатомных объектов следует рассматривать не как противоречащие друг другу, а как взаимодополняющие друг друга. Собственно, в этом и есть смысл принципа дополнительности Нильса Бора. Осознание ограниченности применения методологических средств современной физики привело также к формулировке 60 принципа относительности к средствам наблюдения. Как уже было сказано, то, какие свойства проявляет субатомный объект, определяется не только теми свойствами, которые ему присущи «от природы», но и теми методами, которые использует исследователь. Когда исследуется микрообъект в камере Вильсона, то исследователь получает свойства не объекта как он есть сам по себе, а системы «микрообъект + камера Вильсона». Аналогично при пропускании микрообъекта сквозь дифракционную решетку, мы обнаруживаем не свойства микрообъекта как он есть сам по себе, а обнаруживаем свойства системы «микрообъект + дифракционная решетка». Т. е. если при исследовании макрообъекта мы можем не учитывать влияние средства исследования на результат исследования (т.к. в классическом естествознании, если метод правильный, то при любом методе исследования результат будет один и тот же), то при исследовании микрообъекта мы не можем абстрагироваться от применяемых методов исследования, т.к. они влияют на результат. Таким образом, для корректного описания свойств микрообъекта необходимо указывать, при помощи какого метода исследования были выявлены эти свойства микрообъекта. В этом состоит смысл принципа относительности к средствам наблюдения. 2. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ . Под взаимодействием в физике понимают такие процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами и системами происходит обмен квантами определенных полей, энергией, а иногда и информацией. В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу четырех основных видов фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерный 61 параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий. Кратко охарактеризуем каждый из этих четырех видов взаимодействий. Сильные (ядерные) взаимодействия. Наличие в ядрах одинаково заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что должны существовать взаимодействия, которые гораздо интенсивнее электромагнитных, ибо иначе ядро не могло образоваться. Эти взаимодействия (их называют сильными) проявляются лишь в пределах ядра. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 1. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия ), составляет примерно 10-13 см. Электромагнитные взаимодействия. Ими обусловлены связи в атомах, молекулах и обычных макротелах. Энергия ионизации атома, т. е. энергия отрыва электрона от ядра, определяет значение электромагнитного взаимодействия, существующего в атоме. Теплота парообразования, т. е. энергия перехода жидкость — пар (при атмосферном давлении) определит, правда довольно грубо, значение межмолекулярных взаимодействий в теле. Последние же имеют электромагнитное происхождение. Константа взаимодействия равна 10 -3. Радиус действия не ограничен ( ). Слабое взаимодействие. Это взаимодействие ответственно за все виды Р-распада ядер (включая е-захват), за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Константа взаимодействия равна по порядку величины 10-15. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. Как отмечалось, из большого списка элементарных частиц только электрон, протон, фотон и нейтрино всех типов являются стабильными. Под влиянием "внутренних причин" нестабильные свободные частицы за те или иные промежутки времени превращаются в другие частицы. Медленные распады с 62 характерным временем 10-10—10-6 с происходят за счет так называемого слабого взаимодействия, тогда как быстрый распад (10-16 с) происходит под влиянием электромагнитных взаимодействий. Гравитационные взаимодействия (тяготения). Притяжение тел к Земле, существование Солнечной системы, звездных систем (галактик) обусловлено взаимодействием сил тяготения, или иначе — гравитационными взаимодействиями. Эти взаимодействия универсальны, т. е. применимы к любым микро- и макрообъектам. Однако они существенны лишь для тел огромных астрономических масс и для формирования структуры и эволюции Вселенной как целого. Гравитационные взаимодействия очень быстро ослабевают для объектов с малыми массами и практически не играют роли для ядерных и атомных систем. Проявления гравитации количественно были изучены одними из первых. Это не случайно, ибо источником гравитации являются массы тел, а дальность гравитационного взаимодействия не ограничена. Константа взаимодействия имеет значение порядка 10-39. Радиус действия не ограничен (r =∞). Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. Характеристики видов взаимодействий приведены в таблице. В вопросах строения и развития мира как целого роль гравитации становится определяющей. Исследование же конкретных небесных объектов (звезд, пульсаров, квазаров и др.) невозможно без привлечения всех видов фундаментальных взаимодействий. Несомненно, приведенная классификация взаимодействий отражает современный уровень развития науки. В будущем, возможно, взаимодействия будут либо объединены, либо их останется меньше, если обнаружатся связи между константами взаимодействия. Например, уже удалось описать в рамках единой теории электромагнитное и слабое взаимодействия. Между константами взаимодействия и характеристиками Вселенной существует какая-то удивительная зависимость. Напри- 63 мер, отношение радиуса Метагалактики (R = 5 1027 см) к размерам атома равно отношению электромагнитных и гравитационных сил, действующих между элементарными частицами. 3. ТЕОРИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ И ВАКУУМА . Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития науки нельзя представить как совокупность других частиц. Элементарные частицы обычно подразделяют на 4 класса: 1) фотоны; 2) лептоны; 3) мезоны; 4) барионы. Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильновзаимодействующих частиц – адронов («адрос» с греч. значит крупный, массивный). 1. Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях. 2. Лептоны (от греч. «лептос» – легкий) не участвуют в сильных взаимодействиях. Сюда относятся мюоны, электроны, 64 электронные нейтрино, мюонные нейтрино. Все лептоны имеют спин 1/2, и следовательно, являются фермионами. Все лептоны участвуют в слабых взаимодействиях, а мюоны и электроны, имеющие электрический заряд, участвуют в электромагнитных взаимодействиях. 3. Мезоны – стабильные частицы без барионного заряда, участвующие в сильных взаимодействиях. К их числу относят πмезоны (пионы), к-мезоны (каоны), эта-мезоны. Мезоны участвуют в слабом, сильном, и если заряжены, то и электромагнитном взаимодействиях. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами. 4. Класс барионов объединяет нуклоны (протон и нейтрон) и гиперионы. Все барионы участвуют в сильном взаимодействии и активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен 1/2, так что барионы являются фермионами. За исключением протона все барионы нестабильны. При распаде барионов наряду с другими частицами обязательно образуется барион. Далее, кроме четырех перечисленных классов элементарных частиц, обнаружено большое число коротко живущих частиц, которые получили название резонансов. По современным представлениям адроны состоят из кварков – особых образований с дробным электрическим зарядом 1/3 или 2/3 от заряда электрона, которые в свободном виде не существуют. Кварки внутри адронов обмениваются глюнами, которые как «склеивают» их вместе. Таким образом, лептоны и кварки являются базисными объектами системы элементарных частиц. Физический вакуум. В настоящее время есть два подхода к пониманию природы вакуума: вещественный и полевой. Вещественный подход рассматривает вакуум как пустое пространство, не содержащее частиц вещества, газа и т.п. Тела, при движении в вакууме не испытывают трения. Полевой подход рассматривает вакуум как энергетическое состояние поля с наименьшими значениями. В таком вакууме нет реальных частиц, но есть т.н. виртуальные частицы. Это частицы, которые живут и распадаются очень быстро. Физик 65 П. Дирак предложил рассматривать вакуум не как обладающий сложной структурой, из которой могут рождаться пары «частица – античастица». По современным представлениям структура элементарных частиц описывается посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся виртуальных частиц. 4. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КВАНТОВО-ПОЛЕВОЙ КАРТИНЫ МИРА. 1) На микроуровне организации материи и вещество и поле состоят из элементарных частиц. Специфика частиц в том, что они очень малы, сильно связаны между собой, движутся на огромных скоростях и не имеют траектории. На микроуровне поле дискретно, а элементарные частицы континуальны (корпускулярно-волновой дуализм). Энергия излучается, распространяется, поглощается отдельными порциями (квантами). 2) Существует 4 вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Они носят обменный характер и осуществляются посредством частицыпереносчика (кванты взаимодействия). 3) Сложившиеся в классическом естествознании познавательные принципы не применимы в полной мере на микроуровне организации материи: а) изучение явлений микромира оказывает существенное влияние на их течение. Понятийный аппарат, методы, приборы определяют те свойства, которые может обнаружить исследователь (принцип относительности к средствам наблюдения); б) законы движения субатомных объектов носят вероятностный характер; в) взаимодополняющие свойства микрообъектов невозможно определить одновременно и точно. Если точно, то одно свойство, если два одновременно, – то с неустранимой погрешностью (принцип неопределенности). Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. Как связаны принципы неопределенности и дополнительности? 2. В чем смысл корпускулярно-волнового дуализма? 66 3. В чем выражается обменный характер фундаментальных взаимодействий? 4. Какие концепции физического вакуума вы знаете? 5. Сформулируйте основные положения квантово-полевой картины мира. КОНЦЕПЦИИ ХИМИЧЕСКОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 1. ПОНЯТИЕ ХИМИИ. ГЛАВНАЯ ЗАДАЧА ХИМИИ И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ЕЕ РАЗВИТИЯ. Химия – это наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения. Научный этап развития химии начинается примерно с 60-х годов XVII века. Ему предшествовал донаучный, алхимический этап развития химических знаний. Химики всегда ставили своей практической целью получать из природных веществ все необходимые для жизни металлы, керамику, известь, стекло, красители, лекарства и др. Это определило главную задачу химии – задачу получения веществ с необходимыми свойствами. Эта задача определяет двуединую основную проблему химии: 1) получение веществ с заданными свойствами как производственная и практическая задача; 2) выявление способов управления свойствами веществ как задача научно-исследовательская. Решение этих проблем осуществлялось в 4 основных этапа, породивших 4 концептуальные системы химии за период с XVII века по настоящий момент. Первая концептуальная система – это концепция химиических элементов вещества. Она началась с трудов Роберта Бойля (1627-1691) и завершилась созданием периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева. 67 Вторая концептуальная система – концепция структурной химии. Было обнаружено, что строение веществ определяет их химические свойства. С конца XVIII века до середины XX века. Третья концептуальная система – концепция химических процессов. Она установила особенности протекания химических процессов, выявила методы управления химическими реакциями, и позволила создать основы крупномасштабных химических технологий. Четвертая концептуальная система – концепция эволюционной химии. Она развивается последние 25-30 лет и связана с глубоким изучением природы реагентов, роли катализаторов в химических реакциях и биологических процессах. 2. ДОНАУЧНЫЙ (РЕМЕСЛЕННО-АЛХИМИЧЕСКИЙ) ЭТАП РАЗВИТИЯ ХИМИИ. Алхимия первоначально возникает в древнем Египте и происходит от египетского слова «хеми» (корень «хем» означает «черный». Египтяне называли свою родину Черная Земля). В арабской транскрипции «аль-кеми». Возможно, что есть связи с греческим корнем chemeia – искусство выплавки металлов или «египетское искусство». Алхимия связана с попытками получить совершенные металлы (серебро и золото) из несовершенных, т. е. с идеей трансмутации (превращения) металлов с помощью гипотетического вещества – «философского камня» или элексира. В древнем Египте (III-IV вв. до н.э.) были известны способы получения некоторых металлов и сплавов. Наибольшей ценностью обладало золото и получение золота стало одной из главных задач алхимии, наряду с поисками элексира, дававшего бессмертие, и универсального растворителя. Проникновение алхимии в Европу стало возможным благодаря Крестовым Походам (1096-1270) на ближний восток. Европейская алхимия находилась в этот начальный период под покровительством астрологии, приобрела статус тайной науки. Развитие алхимии выразилось в открытии и усовершенствовании способов получения практически ценных продуктов 68 (красителей, стекла, эмали, металлических сплавов, кислоты, щелочи, соли), а также в разработке некоторых приемов лабораторной техники. 3. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМ ЕНТАХ И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА. Представление о химических элементах возникает при попытках установить состав вещества. Простейшей процедурой для этого анализа является химическое разложение или химический анализ, в результате которого получаются вещества, не подвергающиеся дальнейшему разложению. Эти вещества и есть химические элементы, первоначально называвшиеся «простыми телами», в отличие от «сложных тел», состоящих из нескольких простых тел. Решающее значение в химии элементов сыграло открытие кислорода, в результате чего была опровергнута бытовавшая до того гипотеза о «флогистоне» – некотором «невесомом теле», благодаря которому вещества способны гореть. Постепенно были открыты водород, азот, сера, фосфор, углерод. Менделееву в 1869 г. было известно уже 62 элемента. В это же время химиками решалась проблема химического соединения. Француз Ж. Пруст в 1801-1808 гг. установил закон постоянства вещества. Точная современная его формулировка такова: всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав. В 1803 г. создатель химического атомизма Дж. Дальтон сформулировал закон кратных отношений. Этот закон гласит: если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества первого и второго элементов относятся между собой как целые числа. Дальтон ввел в химию понятие атомного веса. Д. И. Менделеев установил в качестве системного фактора упорядочивающего химические элементы именно атомный вес. В квантовой механике было показано, что индивидуальные свойства и положение каждого из элементов периодической таблицы определяются не 69 атомным весом, как считал Менделеев, а электрическим зарядом атомного ядра. Кроме того, оказалось, что атомов одного и того же элемента, может быть два, различающихся по атомному весу, но имеющих один и тот же ядерный заряд. Такие различающиеся по массе элементы стали называть изотопами. Всего же к началу ХХI столетия известно 118 химических элементов. 4. КОНЦЕПЦИИ СТРУКТУРНОЙ ХИМИИ . Концепции структурной химии основываются на атомистике Дальтона, учениях Й. Берцелиуса, Ф. Кекуле, А. М. Бутлерова. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы химических элементов обладают различной электроотрицательностью и, объединяясь между собой в молекулы, не компенсируют полностью свои заряды, оставаясь электрозаряженными. Так были заложены основания понятий «структура» и «электрохимия». Ф. Кекуле сформулировал основные положения теории валентности, обосновал наличие для углерода четырех единиц сродства, а для азота, кислорода и водорода соответственно, трех, двух и одной. Число единиц сродства, присущее атому того или иного элемента, получило название «валентность». Объединение атомов в молекулу происходит в результате замыкания свободных единиц сродства. Заслугой теории валентности Кекуле стало представление об атомной структуре углеводородов и других органических соединений. В дальнейшем химик Я. Г. Вант-Гофф выдвинул предположение, согласно которому четыре связи атома углерода направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится этот атом. Так в химии возникли и стали укрепляться пространственные модели молекул. А. М. Бутлеров показал, что помимо методики составления формул по Кекуле необходимо учитывать еще так называемую химическую активность реагентов, зависящую от структуры молекулы. Идеи Бутлерова блестяще подтвердились квантовой 70 механикой. По современным представлениям структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Открытия, сделанные Кекуле и Бутлеровым, способствовали успехам органического синтеза, были синтезированы сначала простейшие, а затем и более сложные углеводороды. Недостатками органического синтеза явились неспособность создать углеводороды с цепочкой из четырех атомов углерода, низкие выходы продуктов, большие побочные отходы, использование дорогостоящего сырья сельскохозяйственного производства (зерна, жиров, молочных продуктов). 5. КОНЦЕПЦИИ И ЗАКОНЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ . Третья концептуальная система в химии возникла на стыке химии, физики и открывает пути к пониманию биологических систем. Химический процесс в этой концепции – это мост от объектов физики к объектам биологии. Эта система дает возможность проследить путь от простых микрообъектов (электрон, атом, молекула) к биополимеру, к клетке, в которой совершаются химические реакции. Течение многих химических реакций весьма сложно, трудноуправляемо. Методы управления химическими реакциями подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых главенствующую роль играют катализаторы. Каждая химическая реакция обратима. Обратимость служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. В зависимости от природы реагентов и условий процессса, равновесие может смещаться в прямую либо в обратную сторону изменением температуры, давления и концентрации реагентов. Согласно принципу А. Ле Шателье, любое изменение одного из условий равновесия (t, p, конц.) вызывает смещение системы в таком направлении, которое уменьшает первоначальное изменение. Термодинамическое воздействие оказывает влияние на направленность реакции, а вот функции управления скоростью 71 химической реакции выполняет химическая кинетика, ускоряя или замедляя реакции с помощью катализаторов и ингибиторов. Химический катализ был открыт в 1812 г. русским химиком Константином Кирхгофом. Среди катализаторов особая роль принадлежит ферментам, без которых возникновение жизни на Земле было бы невозможно. 6. КОНЦЕПЦИИ И ПРИНЦИПЫ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ХИМИИ И С АМО- ОРГАНИЗАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ . Система и концепции эволюционной химии стали формироваться в 60-70 гг. ХХ века и в своей основе отвечают давней мечте химиков освоить и перенять опыт лаборатории живого организма; понять, как из неорганической материи возникает органическая, а затем живое вещество. Нобелевский лауреат по химии Н. Н. Семенов представлял химические процессы в тканях растений и животных как химическое производство живой природы, как производство неких «молекулярных машин» совершенно исключительной точности, быстроты и необычайного совершенства. Это подтверждается открытым недавно синтезом больших белковых молекул со строгим чередованием аминокислот. Клетки имеют в своем составе субмикроскопические «сборные заводики» – рибосомы, содержащие рибонуклеиновые кислоты (РНК), как сборные машины. Каждый вид коротких транспортных РНК захватывает один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и ставит каждую аминокислоту на свое место согласно информации, содержащейся в молекулах РНК. Тут же аминокислотам подходят катализаторы-ферменты и осуществляют «сшивку» аминокислот в одну молекулу белка со строгим чередованием. Это настоящий природный завод, строящий молекулу по плану, выработанному организмами в процессе эволюции. Вот эти планы живых организмов и предполагается использовать в новой эволюционной химии. Это направление начиналось в трудах французского биолога Луи Пастера. При исследовании деятельности молоч- 72 нокислых бактерий Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации ферментов, что в конечном итоге привело к созданию такой науки, как ферментология, к успехам эволюционного катализа и молекулярной биологии. Развитие этих областей науки показало, что состав и структура биополимеров имеют единый набор для всех живых организмов, что одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности. Кроме того, была доказана уникальная специифичность живого, проявляющаяся не только на высших уровнях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых организмов на молекулярном уровне. Специфика молекулярного уровня живых и неживых систем заключается в существенном различии принципов действия ферментов и катализаторов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров. Структура биополимеров определяется не только генетическим кодом, но и тем, что многие реакции окислительно-восстановительного характера могут происходить в клетке без непосредственного контакта между реагирующими молекулами. В современной химии доказано, что в процессе перехода от химических систем к системам биологическим (то есть на предбиологической стадии эволюции) решающую роль играл ферментный катализ. Исследователи самоорганизации химических систем Б. П. Белоусов и А. М. Жаботинский экспериментально подтвердили возможность образования специфических пространственных и временных структур (например, периодическое чередование цвета жидкости) за счет использования катализаторов, поступления новых и удаления использованных химических реагентов. В 60-х гг. ХХ в. начинаются попытки создания единой теории химической эволюции и биогенеза. Большую роль здесь сыграли работы А. П. Руденко, А. А. Баландина, И. В. Березина. Эта теория решает вопросы о законах химической эволюции, отборе элементов и структур. Сущность теории А. П. Руденко состоит в утверждении, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие открытых каталитических 73 систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакций происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности. Следует отметить, что эволюционный процесс предполагает дифференцированный отбор лишь тех химических элементов и соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. Назовите четыре концептуальные системы химии. 2. Сформулируйте главную задачу химии. 3. Можно ли сказать, что алхимия есть продолжение «античного проекта науки»? Ответ аргументируйте. 4. Что является критерием, упорядочивающим химические элементы, по Менделееву? 5. Какова роль ферментов в химических процессах, которые протекают в живых клетках? ЭЛЕМЕНТЫ АСТРОНОМИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ 1. СОЛНЦЕ Солнце — это наша звезда. Радиус Солнца в 109 раз, а объем в 1,3 млн. раз, масса в 333 000 раз больше соответственно радиуса, объема и массы Земли. Энергия, получаемая Землей от Солнца, характеризуется солнечной постоянной. Солнечной постоянной называется величина, определяемая полной энергией, которая падает в 1 с на площадку в 1м2, расположенную перпендикулярно солнеч- 74 ным лучам вне земной атмосферы на среднем расстоянии Земли и Солнца. Она составляет 1360 Вт/м2. Температура поверхности Солнца примерно 6000 К. При температуре 6000 К вещество находится на Солнце в газообразном состоянии, причем атомы некоторых химических элементов ионизированы. С глубиной температура растет, а вместе с тем увеличивается число ионизированных атомов. Поэтому основное состояние, в котором находится вещество на Солнце, — это плазма, а Солнце — это раскаленный плазменный шар. Самые распространенные элементы на Солнце — водород (около 70% всей массы Солнца) и гелий (более 28%). Гелий ("солнечный газ") был впервые открыт на Солнце и только почти через 30 лет — на Земле. Источником энергии Солнца является термоядерный синтез ядер водорода с образованием ядер гелия. Это происходит в ядре Солнца, составляющем четверть его радиуса. Температура в центре Солнца 14 млн. К. Перенос энергии, выделяющей при ежесекундном сгорании в ядре Солнца 600 млн. т. водорода, происходит в зоне лучистого переноса энергии, а затем конвективной зоне. Видимое излучение Солнца образуется в самом нижнем слое атмосферы Солнца — фотосфере. Атмосфера состоит также из хромосферы и короны. Кроме излучения от Солнца распространяется поток частиц — протонов, нейтронов, электронов, называемых солнечным ветром. На расстоянии Земли их скорость составляет 400 км/с. Солнечная активность на Солнце проявляется в виде пятен, факелов, вспышек, протуберанцев и других явлений. Она проявляется периодически в среднем через 11 лет. Солнечная активность влияет на земные процессы. 2. ЗВЕЗДЫ Звезды — это массивные горячие газовые шары. В них сосредоточено более 95% всего вещества, наблюдаемого в природе. Изучая, как распределены в пространстве звезды и их 75 скопления, ученые исследуют тем самым строение окружающего нас мира, структуру Вселенной. Звезды различаются большим разнообразием размеров, масс, светимостей, цветом, температурой. Цвет звезды зависит от температуры. При 3000 К звезда красная, при 6000 К — желтая, при 10 000 белая, при больших — голубая. Время существования звезд зависит от массы. Массивные звезды существуют меньше, чем легкие. Диапазон времен существования звезд составляет от 100 млн. до сотен миллиардов лет. В звездах произошло и происходит образование большинства химических элементов, из которых состоит вещество окружающего нас мира. Атомы любого вещества на Земле, включая и те, из которых состоим мы сами, когда-то, еще до того, как возникла Солнечная система, родились или пребывали в недрах звезд. У большинства звезд около 98% массы приходится на водород и гелий — самые легкие элементы, причем по массе водорода примерно в 2,5 раза больше, чем гелия. На долю всех остальных тяжелых элементов приходится менее 2% массы. Звездный газ обладает двумя важными особенностями. Во-первых, из-за высокой температуры молекулы распадаются (диссоциируют) на отдельные атомы, так что звездный газ атомарный. Во-вторых, основная масса звездного газа ионизирована. Это также вызвано высокой температурой газа. Температура и плотность газа внутри звезд быстро возрастает вглубь. Так, в центре Солнца температура составляет около 14 млн. градусов, а плотность газа примерно в 150 раз больше, чем у воды. По существующим оценкам, большинство звезд может светить, не переставая, многие миллиарды лет. Наше Солнце излучает свет уже около 5 млрд. лет. Это в несколько раз больше возраста самых древних ископаемых растений. Откуда звезды черпают излучаемую ими энергию? Основным источником энергии звезд считаются взаимодействие между атомными ядрами. Известно, что при термоядерных реакциях происходит слияние (синтез) легких ядер атомов с образованием более тяжелых ядер других атомов. В 76 недрах звезд происходит взаимодействие между ядрами водорода — протонами. При температуре 10-30 млн. градусов, существующей в центральных областях большинства звезд, средняя скорость движения протонов составляет несколько сотен километров в секунду. Наиболее энергичные протоны, сталкиваясь, взаимодействуют между собой довольно сложным образом. В результате этого взаимодействия четыре протона могут образовать одно ядро атома гелия. Такая реакция сопровождается выделением энергии. Это поддерживает высокую температуру в недрах звезды. У звезд, температура которых в центре существенно выше, чем у Солнца, может происходить синтез более тяжелых элементов из гелия. Эти реакции также сопровождаются выделением энергии, способной поддерживать излучение звезд. Так, в красных гигантах и сверхгигантах, в недрах которых температура превышает сотни миллионов градусов, могут идти реакции слияния ядер гелия, приводящие к образованию ядер углерода и кислорода (из трех и четырех ядер гелия соответственно). В звездах путем слияния атомных ядер возникают новые химические элементы, которых, таким образом, в природе становится все больше и больше. Химические элементы, составляющие нашу Землю и все, что на ней существует, в большинстве своем также сформировались в недрах звезд миллиарды лет назад, когда еще не существовало ни Земли, ни Солнца. Согласно современным представлениям, звезды образуются путем конденсации весьма разряженной межзвездной газопылевой среды. Плотность межзвездной газовой среды ничтожна. Преобладают атомы водорода и гелия, атомов металлов сравнительно немного. В довольно заметных количествах присутствуют простейшие молекулярные соединения (например, СО, CN). Возможно, что значительная часть межзвездного газа находится в форме молекулярного водорода. Кроме газа в состав межзвездной среды входит космическая пыль. Размеры таких пылинок составляют 10 -4-10-5 77 см. Они являются причиной поглощения света в межзвездном пространстве. 3. ГАЛАКТИКИ . Окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют лишь ничтожно малую часть гигантского коллектива звезд и туманностей, которая называется Галактикой. Наша галактика называется Млечный Путь. Галактика имеет довольно сложную структуру. В первом, самом грубом приближении мы можем считать, что звезды и туманности, из которых она состоит; заполняют объем, имеющий форму сильно сжатого эллипсоида вращения. Основная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске, диаметр которого около 100 тыс. световых лет, а толщина около 1600 световых лет. В этом диске насчитывается 200 млрд. звезд самых различных типов. Галактика имеет спиральную структуру и состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. А такие галактики составляют около 50% всех звездных систем. Диаметр звездного ядра Галактики составляет не менее 4000 световых лет, а его масса равна примерно 5% массы всей Галактики. В состав ядра Галактики входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид — пульсирующих звезд. Они периодически расширяются и сжимаются. Наше Солнце — одна из этих звезд, находящаяся на периферии Галактики вблизи от ее экваториальной плоскости (точнее, "всего лишь" на расстоянии около 30 световых лет — величина достаточно малая по сравнению с толщиной звездного диска). Расстояние от Солнца до ядра Галактики (или ее центра) составляет около 30 тыс. световых лет и 22 000 световых лет от края Галактики. Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом. Прежде всего они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной к ее экваториальной плоскости. Солнце и окружающие его звезды совершают полный оборот за время около 200 млн. лет. Так как Солнце вместе с семьей планет существует, по-видимому, 78 около 5 млрд. лет, то за время своей эволюции (от рождения из газовой туманности до нынешнего состояния) оно совершило примерно 25 оборотов вокруг оси вращения Галактики. Значительная роль в Галактике принадлежит темной диффузной материи. Плотность диффузных туманностей очень мала, в среднем 10 -23г/см3, или несколько атомов водорода на 1 см3. Размеры туманностей огромны — от нескольких световых лет до сотни световых лет. Но ввиду огромной протяженности туманностей их масса весьма велика и составляет несколько сот миллионов солнечных масс. В начале XX в. были обнаружены другие галактики. Наблюдаемая нами часть Вселенной, называемая Метагалактикой, представляет собой совокупность звездных систем — галактик, движущихся в огромном пространстве Космоса. Ближайшие к нашей звездной системе галактики — Магеллановы Облака, хорошо видные на небе Южного полушария как два больших пятна примерно такой же поверхностной яркости, как и Млечный Путь. Расстояние до Магеллановых Облаков около 200 тыс. световых лет, что вполне сравнимо с общей протяженностью нашей Галактики. Другая "близкая" к нам галактика — это туманность в созвездии Андромеды. Она видна невооруженным глазом как слабое световое пятнышко. На самом деле это огромный звездный мир, по количеству звезд и полной массе раза в три превышающий нашу Галактику, которая, в свою очередь, является гигантом среди галактик. Многие из галактик удалены от нас на расстояния, которые свет проходит за миллиарды лет. Мир галактик поражает своим разнообразием. Галактики резко отличаются размерами, числом входящих в них звезд, светимостями, внешним видом. По внешнему виду галактики условно разделены на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильной формы. Первоначальной стадией являются галактики неправильной формы. Из них возникают спиральные галактики, имеющие ярко выраженную форму вращения. И, наконец, третьей стадией являются эллиптические галактики, имеющие сфероидальную форму. 79 Развитие галактик, по-видимому, начинается с огромного, медленно вращающегося протооблака газа и пыли, которое по мере сжатия начинает вращаться с увеличивающейся скоростью. В процессе сжатия происходит образование звезд различных масс и светимостей. Постепенно в неправильной галактике возникают ядро и звездные спиральные ветви, имеющие центральную перемычку из темного диффузного вещества. В начале ядро Галактики относительно невелико по своей массе, но с развитием системы оно увеличивается, так что постепенно спиральная галактика переходит в эллиптическую. В эллиптической галактике темное диффузное вещество присутствует уже в относительно небольшом количестве, так как оно уже пошло на образование звезд. Галактики, подобно звездам, наблюдаются группами. Например, нашу Галактику, Магеллановы Облака и еще около 20 небольших спутников нашей Галактики можно рассматривать как кратную систему. Согласно современным представлениям, для Вселенной характерна ячеистая (иногда говорят, сетчатая или пористая) структура. Есть данные о возможном наличии во Вселенной несветящегося вещества, так называемой скрытой массы. Ее средняя плотность может раз в десять превышать среднюю плотность светящегося вещества, сосредоточенного в звездах и галактиках. В какой форме реализована эта скрытая масса, пока неизвестно. Астрономы обнаружили, что система галактик не является статичной, а расширяется. Закон расширения устанавливается наиболее четко для системы скоплений галактик. Обычно рассматривают ярчайшие члены скоплений, расположенные, как правило, в центрах скоплений. Из огромного числа наблюдений вытекает, что для любой пары таких объектов скорость их удаления друг от друга пропорциональна расстоянию между ними. Эту закономерность сформулировал американский астроном Хаббл. Коэффициент пропорциональности между скоростью разбегания галактик и расстоянием между ними называется параметром Хаббла. 80 При расширении средняя плотность вещества падает, следовательно, в догалактическую эпоху оно было более плотным и горячим. Можно с уверенностью сказать, что 10-20 млрд. лет назад Вселенная была совершенно не похожа на ту, которую мы сейчас наблюдаем. Этот вывод убедительно подтверждается существованием так называемого реликтового излучения, открытого в 1965 г. с помощью радиотелескопов. От излучения изолированных объектов оно отличается тем, что приходит не от отдельных источников, а со всех направлений, равномерно заполняя всю небесную сферу. Исторически представление о нестационарности Вселенной было впервые введено нашим соотечественником А. А. Фридманом еще до экспериментального доказательства явления "разбегания" галактик. В своих работах А. А. Фридман исходил из простейших предположений об однородности и изотропности непрерывного распределения вещества. Он использовал уравнение релятивистской теории тяготения А. Эйнштейна и доказал, что соответствующие решения обязательно зависят от времени. В зависимости от начальных условий оно может либо расширяться с замедлением, либо сжиматься. Окончательная судьба расширяющейся гравитирующей системы зависит от того, достаточно ли велика средняя плотность вещества, чтобы силы тяготения затормозили расширение и в дальнейшем перевели расширение в сжатие. Если средняя плотность вещества больше некоторого значения, называемого критическим, то расширение сменится сжатием, в противном случае оно будет продолжаться неограниченно. В соответствии с фридмановскими решениями можно рассчитать ход изменения плотности и температуры как в будущее, так и в прошлое. Пользуясь этими расчетами, Г. Гамов предсказал, что современная Вселенная должна быть заполнена электромагнитным излучением с температурой около 6 градусов. Хотя действительное обнаружение реликтового 3градусного излучения произошло случайно, в принципе его существование ожидалось. 81 Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. Как определяется солнце по астрономической классификации звезд? 2. Что является источником излучения звезд? 3. Как возникают галактики? 4. В чем смысл закона Хаббла? ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ КАК ОБЪЕКТ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 1. ЗЕМЛЯ Земля — это наша планета. По форме Земля близка к двуосному эллипсоиду вращения. На XVI съезде Международного астрономического союза, состоявшемся в Гренобле (Франция) в августе 1976 г., приняты следующие элементы земного сфероида: экваториальный (наибольший) радиус Rэ = 6378,140 км, полярный (наименьший) радиус Rп = 6356,755 км, различие в радиусах Rэ - Rп = 21,385 км, сжатие = 1/298,25. Сфероид Земли близок к геоиду — поверхности океанов, продолженной под материками, в каждой точке которой перпендикуляр совпадает с направлением силы тяжести. За средний радиус Земли принимают Rcp = 6371 км, который соответствует радиусу шара по объему, равному объему эллипсоида Земли. Относительно геоида производятся измерения высот на суше и глубин в океане. Наибольшую высоту над поверхностью мирового океана — 8848 км — имеет вершина Джомолунгма (Эверест), находящаяся в Гималаях (Евразия), а наибольшую глубину — 11 022 м — имеет Марианский желоб в Тихом океане. Земля участвует в двух движениях, происходящих с запада на восток: она вращается вокруг собственной оси и обращается вокруг Солнца. Положение точки или тела на земной поверхности определяют с помощью географической 82 сетки. Географическую сетку образуют полюса, параллели и меридианы. Точки пересечения оси вращения Земли с ее поверхностью называются географическими полюсами. Имеются северный и южный географические полюса. Большой круг земной поверхности, образованный пересечением плоскости, проходящей через центр Земли перпендикулярно оси ее вращения, называется экватором. Он делит земной шар на Северное и Южное полушария. Линии сечения поверхности Земли плоскостями, параллельными плоскости экватора, называются параллелями, а линии сечения, образованные плоскостями, проходящими через ось вращения Земли, называются меридианами. Для определения положения точки на земной поверхности используют две географические координаты — широту и долготу. Географическая широта - это угол между плоскостью экватора и отвесной линией в точке, положение которой определяется. Широты отсчитываются в пределах от нуля (на экваторе) до 90° (на полюсах) в сторону Северного и Южного полюсов и называются соответственно Северной и Южной широтой. Географическая долгота – это угол между нулевым (Гринвичским) меридианом и плоскостью меридиана, проходящего через точку, положение которой определяется. Долгота отсчитывается в пределах от нуля (на Гринвичском меридиане) до 180° на восток или на запад. Соответственно этому различают восточную или западную долготу. Орбита обращения Земли вокруг Солнца близка к окружности и представляет собой эллипс с малым эксцентриситетом (е = 0,017). Солнце находится не в центре орбиты, а в одном из фокусов эллипса. Поэтому на протяжении года расстояние от Солнца до Земли периодически меняется: от 147,1 млн. км (3 января) до 152,1 млн. км (4 июля). Большая полуось земной орбиты определяет среднее расстояние Земли от Солнца и равно 149,6 млн. км. Фокус орбиты отстоит от центра эллипса на 2,5 млн. км. Самая близкая к Солнцу точка земной орбиты называется перигелием, а самая далекая — афелием или апогелием. 83 Количество поступающей солнечной энергии в данную точку земной поверхности в течение года изменяется. Поэтому на Земле происходит смена времен года. Это изменение количества энергии происходит по двум причинам. Из-за изменения расстояния от Земли до Солнца в перигелии (3 января) количество энергии, поступающее на Землю, на 7% больше, чем в афелии (4 июля). Более существенно изменяется солнечная энергия, поступающая на данную поверхность Земли, из-за изменения наклона падения солнечных лучей. Это происходит в течение года вследствие обращения Земли вокруг Солнца, наклона земной оси к плоскости орбиты под углом 66°33' и сохранения этого наклона при обращении вокруг Солнца. Например, в Москве в 4,6 раза больше солнечной энергии в день летнего солнцестояния 22 июня, чем в день зимнего солнцестояния 22 декабря. Количество падающей солнечной энергии зависит от географической широты и полуденной высоты Солнца над горизонтом. В соответствии с видимым движением Солнца земная поверхность разделена на тепловые (климатические) пояса. Области земной поверхности, отстоящие от полюсов на 23°27', называются полярными кругами, или северным и южным холодным поясами. На границах полярных кругов один раз в году наблюдается полярный день и полярная ночь. Пояс земной поверхности, ограниченный по обе стороны от экватора географическими параллелями 23°27' (северным и южным тропиками), называется жарким или тропическим поясом. В этом поясе два раза в год Солнце в полдень проходит через самый зенит, и его лучи падают на земную поверхность отвесно. На самих тропиках Солнце проходит через зенит только один раз в год — 22 июня на северном тропике и 22 декабря — на южном тропике. Между полярными кругами и тропиками лежат умеренные пояса; в них никогда не бывает полярных дней и ночей, и Солнце никогда не проходит через зенит. Данные геофизики, геохимии, геологии, физической географии и других наук позволяют рассматривать земной шар как состоящий из ряда концентрических оболочек, или геосфер. Геосферы одна от другой отличаются по химическому составу и 84 агрегатному состоянию вещества, что определяется их термодинамическими условиями существования. В направлении от центра земного шара к космическому пространству выделяются следующие геосферы: литосфера, биосфера, гидросфера, атмосфера. Литосфера и атмосфера, в свою очередь разделяются на ряд сферических слоев, не одинаковых по своим физическим свойствам. 2. ЛИТОСФЕРА , Литосфера т. е. твердая сфера Земли, изучена методами анализа распространения сейсмических волн. Эти исследования показали, что плотность земных пород, увеличивающаяся к центру Земли, в некоторых местах дает скачкообразный рост. По этим изменениям строение Земли разделяют на ядро, мантию и кору. Причем внешнее ядро находится в расплавленном состоянии, внутри которого имеется твердое ядро. Вещество внешнего ядра имеет свойства тягучей жидкости и обладает электропроводностью. Температура внутри Земли повышается с градиентом 2° С на 100 м глубины. Причиной разогрева земного грунта является радиоактивный распад элементов в мантии. Сейчас считают, что кора вместе с гидросферой и атмосферой образовалась в результате вулканической деятельности — выбросы лавы, пара и газов из внутренних частей мантии. Вулканическая деятельность также привела к образованию гор. Возраст земной коры оценивается примерно в 3,8 млрд. лет. В верхней части она образована осадочными, т. е. вторичными породами, кое-где с участием молодых вулканогенных пород. В океанических впадинах под осадочными имеется базальтовый слой. У материков между осадочной толщей и базальтовым слоем залегает еще гранитный слой. В морфоструктурном отношении Земля резко отличается от других планет, в частности, широким распространением линейных форм, которых там или вообще нет, кроме тектонических разломов, или они единичны и слабо выражены. Для человечества недра Земли являются кладовой полезных 85 ископаемых. Их добыча из года в год растет, и в настоящее время человечество ежегодно извлекает из недр Земли более 1 млрд. т. железной руды, более 3 млрд. т. нефти, более 2,5 млрд. т. угля, миллиарды тонн строительных и других материалов. Процесс формирования полезных ископаемых связан с эволюцией Земли. Дрейф крупных плит литосферы с возвышающейся на них сушей называется неомобилизмом. Теория неомобилизма сегодня является основой всех наук о Земле. Она, в частности, вносит весомый вклад в описание таких процессов, происходящих в земной коре, как извержения вулканов и землетрясения. 3. АТМОСФЕРА Атмосфера Земли представляет собой газовое образование, которое окутывает нашу планету сплошной оболочкой. Верхняя граница атмосферы лежит на высоте нечетко, так как с высотой газы разреживаются и переходят в мировое пространство постепенно. Атмосфера сохраняет тепло солнечных лучей, защищает живое от губительного воздействия далеких ультрафиолетовых солнечных излучений и космических лучей. Без атмосферы на Земле был бы резкий температурный контраст между освещенной и неосвещенной солнечным излучением сторонами планеты. Атмосфера Земли образована смесью газов, влаги и частиц пыли. Сухой воздух вблизи поверхности Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. На долю всех остальных газов, вместе взятых, приходится 0,01%. Состав атмосферы до высоты 100 км существенно не изменяется, а выше кислород, а затем и азот находятся в атомарном состоянии. Влага попадает в атмосферу вследствие испарений с поверхности Земли. Около 90% ее сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое. Половина массы атмосферы находится до высоты 5-6 км, а 90% — до 16 км. 86 С высотой изменяется не только сама атмосфера (давление, плотность и температура воздуха), но и электрическое состояние атмосферы, а на больших высотах еще и состав. Поэтому в атмосфере выделяют несколько сфер с различными свойствами. К ним относятся: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера (или ионосфера), экзосфера. Тропосфера простирается от поверхности Земли до высоты 812 км. В тропосфере находится почти весь водяной пар. Здесь формируется погода. Характерная особенность тропосферы — понижение температуры в среднем на 6 °С на каждый километр высоты. Над тропосферой находится стратосфера. Ее верхняя граница расположена на высоте 50-55 км. Стратосфера характеризуется возрастанием температуры с высотой. Стратосфера отличается от тропосферы малой турбулентностью воздушных масс, ничтожным содержанием водяного пара, повышенным содержанием озона. На высотах 20-25 км концентрация озона наиболее высокая, и этот тонкий слой называют озоносферой. Выше стратосферы до высот порядка 80 км находится мезосфера. В ней температура с высотой падает и у верхней границы составляет - 80 °С. Между высотами 80 км и 800 км располагается термосфера. В термосфере температура растет до 2000 °С из-за влияния радиации Солнца. Учитывая способность газов термосферы ионизировать, ее называют также ионосферой. Экзосфера — самая верхняя, сильно разряженная часть атмосферы с температурой 2000 °С. 4. ГИДРОСФЕРА , Гидросфера или водная оболочка Земли, не является сплошной и занимает 70,8% земной поверхности. Гидросфера влияет на климат, создавая значительный парниковый эффект, сглаживает температурные контрасты различных участков земной поверхности за счет большой теплоемкости и переноса тепла из экваториальной области в умеренные и полярные широты. К гидросфере относятся Мировой океан и воды суши: реки, озера, подземные воды, ледники. Все они связаны между 87 собой в планетарном процессе круговорота воды, газов и минеральных солей. Самое большое скопление воды на поверхности Земли составляет Мировой океан, который делится на Тихий, Атлантический, Индийский, и Северный Ледовитый. Интенсивное перемещение океанических вод происходит как за счет мощных течений, так и вследствие приливов и отливов. Поверхность океанов и морей постоянно покрыта волнами. Различают волны ветровые, цунами и барические. Первые из них возникают при ветре. Особенно большие волны вызывают штормы и ураганы. Волны цунами образуются при извержениях подводных вулканов и при подводных землетрясениях. Барические волны возникают при прохождении циклона. Мировой океан является самым большим скоплением воды на Земле, основным водохранилищем и колыбелью жизни нашей планеты, играет роль гигантского геохимического реактора и аккумулятора тепловой энергии. В гидросферу Земли входят также реки и озера. Различают четыре вида питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое, подземное. Озера занимают 2% поверхности суши. В целом гидросфера Земли представляет собой уникальное образование. Ничего подобного пока что не обнаружено ни на какой другой планете. Именно благодаря гидросфере на Земле присутствует живое вещество, и вполне возможно, что именно наличие гидросферы является основной причиной его возникновения. 5. БИОСФЕРА Биосфера является одной из оболочек Земли, свойства которой обусловили появление, существование и развитие в ее пределах органической жизни. В биосферу включают нижнюю часть атмосферы (тропосферу), гидросферу и верхнюю часть литосферы. Таким образом, верхняя граница биосферы поднимается до высоты 33 км, где встречены бактерии, а нижняя граница находится в литосфере на глубине 11 км, где обнаружены микроорганизмы в водах нефтяных место- 88 рождений. С жизнедеятельностью организмов связаны процессы газообмена, круговорот кислорода, углекислого газа, углекислоты и воды, а также малый биологический круговорот биогенных химических элементов. Кроме того, организмы принимают значительное участие в формировании геологических напластований в земной коре (ископаемые угли, ракушечные известняки и др.); изменяют рельеф поверхности Земли и играют первостепенную роль в развитии почв. 6. ПОГОДА И КЛИМАТ . Для людей важным процессом на Земле является погода. Погода определяется явлениями, происходящими в атмосфере при ее взаимодействии с земной поверхностью, Мировым океаном и Вселенной. Совокупность и последовательная смена всех возможных в данной местности условий погоды за многолетний промежуток времени называется климатом. Различают климат материка, какой-то его части, зоны, района, города. Погода и климат воздействуют на живое, существенно влияют на деятельность людей. Наука о земной атмосфере и происходящих в ней процессах называется метеорологией. Метеорологи разрабатывают и совершенствуют методы прогноза погоды, ищут способы изменения погоды и климата в необходимом для людей направлении. Прежде всего климат любой части земного шара зависит от географической широты. Имеется зональность и высотная поясность растительности, связанная с изменением количества приходящего на Землю тепла. Основными причинами зональности природы Земли являются ее шарообразность, суточное вращение и годовое обращение Земли вокруг Солнца. Количество поступающей солнечной энергии убывает от экватора к полюсам в зависимости от угла падения солнечных лучей и длины их пути через атмосферу. Это и является причиной географической зональности. Поверхность Земли обладает различной отражающей способностью солнечных лучей (величиной альбедо). Больше всего солнечных лучей (от 80 до 97%) поглощает гидросфера. 89 Поэтому Мировой океан является накопителем и главным источником тепла на Земле. Однообразием свойств водной поверхности объясняется равномерность и малая величина колебаний температуры над океанами. В отличие от водной, свойства поверхности суши разнообразны и ее участки поглощают разное количество солнечной энергии. Основной причиной движения воздуха на земном шаре, т. е. причиной возникновения ветров, является неравномерное распределение на поверхности Земли лучистой энергии Солнца. К метеорологическим элементам, определяющим погоду, относятся: солнечная радиация, температура воздуха и почвы, влажность воздуха, атмосферное давление, ветер, облачность, осадки, снежный покров, видимость, метель, туманы и т. д. При сближении теплового и холодного потоков воздуха горизонтальные перепады температуры, влажности и давления увеличиваются, а скорость ветра возрастает. Зоны, в которых холодные и теплые воздушные массы сближаются, называют переходными, или фронтальными. На этих фронтах из-за разности температур и давлений возникают обширные вихри, называемые циклонами и антициклонами. Как и на всякое движение относительно Земли, на направление и силу ветра существенное влияние оказывает вращение Земли (силы Кориолиса). Развиваясь, эти вихри охватывают всю тропосферу, достигая десятков тысяч километров в диаметре. Обычно с циклонами связана облачная с осадками погода, с антициклонами — ясная и малооблачная. В циклоне преобладают восходящие движения воздуха, которые способствуют конденсации влаги, в антициклоне — нисходящие, при которых степень насыщения влагой уменьшается. На низких географических широтах преобладают ветры, называемые пассатами и муссонами. Пассаты — это ветры, возникающие из-за различия атмосферного давления в экваториальной зоне. В Северном полушарии они имеют северо-восточное направление, в Южном — юго-восточное. Муссоны — это сезонные ветры, возникающие из-за разности температур воздуха над материками и океанами. Зимой они 90 дуют с холодных материков к теплым океанам, летом — со сравнительно холодных океанов на нагретые материки. Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. Какова форма Земли? 2. Какие геосферы Земли вы знаете? 3. В чем смысл теории неомобилизма? 4. Из каких слоев состоит атмосфера? 5. Какие факторы определяет погоду? А климат? КОНЦЕПЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 1. ОБЪЕКТЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПОЗНАНИЯ И СТРУКТУРА БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК . С современной точки зрения, биология – это совокупность наук о живой природе, многообразии существовавших и существующих живых организмов, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает закономерности, возникающие в живых системах во всех их проявлениях (н-р, метабилизм или обмен веществ, наследственность, изменчивость, раздражимость, приспособляемость и др.). В биологии, как ни в какой другой науке, важную роль играли и играют методы анализа, систематизации и классификации эмпирического материала, заложенные впервые Аристотелем, затем продолженные К. Линнеем, Ж. Бюффоном, Ж. Ламарком, Э. Сент-Илером, Ч. Дарвином. Современную биологию можно классифицировать по нескольким критериям: по объекту исследования, по свойствам, по уровням организации живого. В биологии также можно выделить основные этапы и биологические парадигмы. 91 По объектам исследования биологию подразделяют на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию. По свойствам и проявлениям живого на: морфологию – науку о строении живых организмов, физиологию – науку о функционировании живых организмов, молекулярную биологию – науку о микроструктуре живых организмов, биоэкологию – науку об образе жизни сообществ растительного и животного мира, и их взаимосвязях с окружающей средой, генетику – науку о наследственности и изменчивости. По уровню организации живых организмов выделяют: анатомию – науку о макроскопическом строении животных и человека, гистологию – науку о строении тканей организма, цитологию – науку о строении живых клеток. Исторически в биологии можно выделить 3 этапа развития: 1) этап систематики (К. Линней); 2) эволюционный этап (Ч. Дарвин); 3) этап биологии микромира (Г. Мендель). Каждый из этапов порождал соответствующую биологическую парадигму (научно-исследовательскую программу). Можно предложить следующую схему уровней организации живых систем, в которой выражены их сложность и закономерности функционирования: 1. Биосферный уровень – рассматривающий целостность всех живых организмов и окружающей среды, порождающий глобальную экосистему планеты. 2. Уровень биогеоценозов – структурный уровень единства флоры и фауны с населяемой географической областью планеты. 3. Популяционно-видовой уровень – образующийся свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. 4. Организменный или органо-тканевой уровень – образуется отношениями между органами внутри организма. 5. Клеточно-субклеточный уровень – отражающий особенности функционирования и специализацию клеток, внутриклеточных особенностей. 92 6. Молекулярный биотехнологий. 2. уровень – уровень генетики, ГИПОТЕЗЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ И ГЕНЕТИЧЕС КОГО КОДА. 1. Креационизм — это такая точка зрения, согласно которой, жизнь на земле возникла в результате творческой активности Бога. Здесь признается, что Бог создал мир, живые существа, в том числе и человека, из ничего. Считается, что это произошло единожды и в дальнейшем в этот процесс Бог не вмешивается. 2. Спонтанное зарождение. С этой точки зрения, живое возникает из неживого по некому внутреннему закону природы, которая здесь зачастую понимается пантеистически. Принимается принципиальное единство живого и неживого. В веществах есть некое «активное», жизненное, витальное начало в скрытом, потенциальном виде. При благоприятных условиях это витальное начало может развиться и создать живой организм. Христианство не принимало подобную точку зрения и боролось с такой идеей. Интересный факт: еще в период Ренессанса считалось, например, что если в банку положить мясо и несколько дней держать в тепле, то из него (мяса) возникнут мухи. Этот эксперимент как бы доказывал способность живого появляться от неживого. Однако этот эксперимент был быстро опровергнут. Если накрыть банку марлей, то мухи не образовывались. Это подтверждало, что в мясе появляются мухи, если они имеют возможность отложить туда свои личинки. Господствующим стал принцип Франциско Реди (1626–1698) — живое возникает из живого. Доказать "принцип Реди" удалось лишь два века спустя, в 1860 г., Луи Пастеру. В серии изящных опытов с хитро изогнутыми колбами он показал, что "зарождение" микроорганизмов в стерильном бульоне происходит только в том случае, если их зародыши могут попасть в бульон из воздуха или иным путем. Если преградить путь "зародышам" (оставив при этом доступ воздуху), никакого самозарождения не происходит. 93 3. Концепция стационарного состояния. Согласно этой точке зрения, жизнь никогда не возникала. Она была всегда. Виды живого также никогда не возникали. Происходят только увеличения или уменьшения популяции того или иного вида. То есть эта концепция отказывается объяснять то, как и где возникла жизнь. Частным случаем подобной точки зрения можно считать концепцию панспермии. 4. Панспермия — это такая точка зрения, согласно которой жизнь на земле возникла вследствие ее заноса на землю из какого-то другого места, из Космоса. Сейчас проверяется гипотетическая возможность заноса микроорганизмов вместе с астероидами. На метеоритах находят вещества, близкие к органическим, но эти вещества не обладают дисимметрией, свойственной живым веществам. Сторонники этой концепции считают примерно так: вселенная огромна, бесконечна, неизведанна. Не может быть, что бы жизнь на земле была уникальной, чтобы нигде во вселенной не было других форм жизни. Они считают, что мы не одиноки во вселенной. А если это так, то есть вероятность того, что инопланетная жизнь могла попасть на землю и начать ее осваивать. Эта концепция стала набирать своих сторонников в связи с фиксированием и муссированием в СМИ необъяснимых на сегодняшний день явлений, таких как «Н.Л.О.», «встречи с инопланетянами» и т.д. 5. Наиболее представительной и популярной в научной среде сейчас является точка зрения, согласно которой живое возникает в результате естественных физико-химических процессов из неживого. На ней мы и остановимся более подробно. Гипотезы абиогенного синтеза органических соединений в условиях первобытной Земли выдвигали: русский биохимик А.И. Опарин (1894-1980), английский физиолог Дж. Холдейн (1860-1936) и английский физик Дж. Бернал (1900-1971). Гипотезу о происхождении жизни путем биохимической эволюции молекул выдвинул А.И. Опарин в 1924 г. Он полагал, что органические вещества могли создаться из более простых неорганических около 3,5 млрд. лет назад в существовавшем тогда океане. Эти органические вещества, с его точки зрения, в 94 дальнейшем эволюционировали, усложнялись, появились первые органические молекулы, потом одноклеточные, многоклеточные и т.д. Особенность живого заключается в том, что живое использует для жизнедеятельности кислород. В чистом виде кислород, кстати, – это сильнейший яд. Но появление живых существ или живых образований происходило в то время, когда в атмосфере земли почти не было кислорода. Принято считать, что жизнь на земле стала появляться около 3,8-3,5 млрд. лет назад. На земле в это время были координально другие условия. Атмосфера тогда состояла из углекислого газа, аммиака, присутствовали соединения серы. В это период развития земля представляла собой раскаленную планету, около +4000 ºС. По мере остывания планеты, углерод и другие тугоплавкие вещества конденсировались и образовывали земную кору. Дальнейшее снижение температуры до +100 ºС привело к конденсации водяных паров и образованию водоемов. Атмосфера и гидросфера возникли за счет выделения газов из лавы при вулканической активности. Существует мнение, что химические реакции, приведшие к появлению первых органических соединений, происходили под воздействием ультрафиолетового излучения. Другая точка зрения, утверждает возникновение органических соединений под воздействием мощных электрических зарядов (молнии). Необходимым условием возникновения жизни являлась вода. Первые органические соединения могли сохраняться только в воде. В иной среде они должны были бы неизбежно разложиться на более простые соединения. Скапливаясь в воде, органические соединения образовали так называемый «первичный бульон». В этом первичном бульоне начал действовать предварительный отбор. Представим, что происходит какая-то сложная химическая реакция А между несколькими молекулами X и Y. В результате этой реакции получается новое химическое вещество Z. Это вещество является катализатором реакции А, то есть скорость реакции и количество нового вещества увеличивается. С появлением вещества Z, реакция А превращается в реакцию В. Образуется 95 цикл: молекулы одного множества воспроизводят себе подобные молекулы с помощью другого множества. Такая связь между молекулами называется кросс-каталитической. Именно кросс-каталитическая связь, как считается, является основой гиперцикла, основой воспроизводства белковых молекул. Из многих соединений в этом первичном бульоне сохранялись самые устойчивые, а также способные к дальнейшему усложнению. По современным представлениям для построения самых сложных живых организмов нужно сравнительно небольшое число простых веществ (25-29). Это небольшое количество соединений образовалось в результате длительного, многомиллионного отбора. В конечном итоге эволюция привела к возникновению сложных высокомолекулярных соединений – биополимеров. Эти белковые высокомолекулярные вещества способствовали возникновению других молекул. В результате действия первичных ферментов появились одни из важнейших биополимеров, которые называются «нуклеиновые кислоты» и «гены». В нуклеиновых кислотах мономеры, входящие в состав этих кислот, выстраиваются определенным образом и этим задают программу самовоспроизводства нуклеиновых кислот. Эта программа контролирует осуществление обмена с внешней средой веществом и энергией, управляет синтезом белковых веществ. К концу биохимической эволюции органических веществ появились первые структурные образования органических живых существ — мембраны, состоящие из слоев белков и липидов, которые могли защищать зачатки живых существ от окружающей среды. Без возникновения мембран не могло бы быть достигнуто состояние высокой концентрации органических веществ, при котором и проходят сложнейшие реакции органического синтеза. А. И. Опарин называет подобные органические образования, отделенные от окружающей среды органической мембраной, коацерватами (сгустками). Эти коацерватные капли могли сливаться друг с другом, расти, избирательно поглощать отдельные вещества. Образовавшиеся позже из них белковые вещества стали клетками, способными к росту. 96 Эта гипотеза привлекла внимание большинства ученых тем, что специалистам удалось на практике подтвердить возможность получения органических соединений из неорганических в лабораторных условиях. Так, например, А. М. Бутлеров в середине XIX в. синтезировал формальдегид из углерода. В 50-х гг. XX в. химиками различных стран были синтезированы многие органические соединения в условиях, близких к условиям первичной атмосферы земли. Были искусственно получены вещества, многие из которых имеют важное биологическое значение: аминокислоты, аденин, простые сахара и другие. Однако нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, имеют очень сложное строение. Практически невероятно случайное их возникновение. По остроумному замечанию Ф. Хойла, мысль о возникновении живого в результате случайных взаимодействий молекул «столь же неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над местной свалкой, может привести к сборке самолета Боинг-747». Против концепции Опарина говорит тот факт, что во время экспериментов по получению органических соединений из неогранических, получались соединения с неподходящей для живого хиральностью. Из экспериментальных органических соединений могли бы получаться только правовращающие аминоксилоты. (Живое вещество обладает оптической активностью. При пропускании солнечного света через молекулы вещества, молекулы искажают, преломляют, поляризуют свет. Причиной этого являются направления, в которых закручиваются спиральные молекулы. Например, аминокислоты белков поворачивают плоскость поляризации света влево, т. е. их рнк-спирали закручены влево и они являются левовращающими изомерами. Наоборот, сахара могут быть только правовращательными, благодаря чему они и способны усваиваться живыми организмами. Это свойство поляризовать свет связано с общей дисимметрией (асимметрией) молекул живого вещества. Эта асимметрия живого вещества была открыта Луи Пастером. Иначе она 97 называется хиральностью (от корня «хиро» – ладонь, рука, отсюда же – хиромантия). Хиральностью называется свойство одной половины молекулы не совмещаться с зеркальным отражением другой половины). Таким образом, в проблеме происхождения жизни есть трудноразрываемая круговая проблема: для саморепродукции нуклеиновых кислот (а они являются основой генетического кода) необходимы ферментные белки, а для синтеза белков – нуклеиновые кислоты. Существуют концепции, основывающиеся на первичности структур типа клеток, способных к элементарному обмену. Это – концепции голобиоза. Это концепция Опарина и его последователей. Генобиоз, напротив, первичными признает системы со свойствами генетического кода. Эта концепция Дж. Холдейна, гипотеза так называемого «голого гена». Проблема противостояния концепций голобиоза и генобиоза сводится к вопросу первичности или старшинства – генетической репродукции перед метаболизмом или, наоборот, метаболизма перед генетической репродукцией. 5.1. Одна из последних гипотез о происхождении жизни основана на идее Н. К. Кольцова о матричном синтезе протоклеток и их структурных элементов на кристаллах апатита. Предложена она биологом Э. Я. Костецким и геологом В. В. Чернобровкиным. Они обнаружили значительное сходство в периодичности элементарной ячейки апатита и двойной спирали ДНК. Они предположили возможность абиогенного синтеза нуклеиновых кислот, белков, нуклепротеидов и полисахаридов на матрице апатита как основном источнике неорганического фосфата. Эта гипотеза учитывает тот факт, что все клеточные элементы и целые организмы являются жидкокристаллическими гомеостатическими структурами. Эта гипотеза позволяет отказаться от рассмотрения возникновения очень сложных, упорядоченных живых систем в результате спонтанной и очень длительной эволюции. Участие минералов в процессе возникновения жизни делает его закономерным, а время этого процесса весьма кратким. 98 Первичные структуры протоклеток, первичные пробионты, в гипотезе Костецкого и Чернобровкина, по сути, являются органическими кристаллами. Эти органические кристаллы возникли 4,0 млрд. лет назад (для сравнения возраст Земли – 4,6 млрд. лет). В то время поверхность Земли была нагрета до 600-700 ºС, а из ее недр шло активное выделение газов в виде свободных радикалов. Из магматических пород шло формирование пегматитов (апатит, кальцит, слюда, кварц и др.). Решетка апатита в этот период была достаточно подвижна. В кристалле происходило замещение элементов решетки свободными радикалами газов. Это было возможно благодаря высокой температуре, космическим, ультрафиолетовым излучениям, действующим на кристалл сверху, и газам, действующим на кристалл снизу. Этот синтез происходил в безводной среде при температуре около 200 ºС. Структурные элементы будущих протоклеток полностью повторяют особенности кристаллической решетки. Эволюция пробиотических систем привела в дальнейшем к переходу их из кристаллического состояния в жидкокристалллическое. Гипотеза Костецкого позволяет ответить на некоторые вопросы, стоящие перед исследователями возникновения жизни: 1) вопрос о том, как в воде случайным образом возникли биополимеры; 2) вопрос о том, как возникли упорядоченные живые системы, действующие против законов термодинамики – гипотеза Костецкого позволяет считать, что часть энергии живой системы отдается вовне за счет смены типов связей в решетке и замены решетки на жидкокристаллическую; 3) вопрос о возникновении универсального генетического кода – синтез происходил на единой матрице апатита; и др. 5.2. Другой русский ученый Ю. А. Колесников строит свою гипотезу происхождения жизни, основываясь на особых свойствах воды. Он называет свою гипотезу гипотезой биопоэза. Недавние исследования показали, что вода имеет сложную структуру. При некоторых условиях молекулы воды образуют группы из 4 молекул. Это так называемые тэтрамеры. В сложных растворах кремнезема и биополимеров тетрамерная вода образует правые и левые спиральные 99 цепочки, в которых может быть записана информация. Их возникновение обусловлено наличием в них правых и левых Нсвязей (водородных связей), что по-другому можно назвать хиральностью тетрамеров. Первоначально синтезируется левовращающая аминокислота, а затем идет синтез правовращающих сахаров (сахара – основы нуклеиновых кислот). Такой синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов вел к образованию сложных нуклепротеидных комплексов, к появлению в них примитивной РНК. 5.3. Существует также концепция Ф. Дайсона. Он считает, что сначала возникла примитивная клетка, затем ферменты и только затем гены. Дайсон полагает, что: 1) на первых этапах живые организмы представляли собой метаболические ячейки без механизма репликации; 2) огромное разнообразие живых организмов возникло на основе сравнительно небольшого ассортимента молекул органических веществ; 3) центральная догма о ключевом положении нуклеиновых кислот и их первичном возникновении полностью несостоятельна. 3. КОНЦЕПЦИИ БИОЛОГИЧЕС КОЙ ЭВОЛЮЦИИ . 1) Ламаркизм (концепция Жана Батиста Ламарка). Ламаркизм — эволюционная концепция, основывающаяся на теории, выдвинутой в начале XIX в. Жаном Батистом Ламарком. Взгляды самого Ламарка достаточно сложны для понимания, поскольку базируются на ряде совершенно неинтерпретируемых в рамках современной науки концепций XVIII в.: первичносотворенные Богом материя как пассивное начало и природа как порядок и энергия для его осуществления; концепция пяти элементов, из которых важнейшую роль играет эфир, в виде «тонких флюидов» циркулирующий в органических телах; постоянное самопроизвольное зарождение жизни, в том числе ее сложных форм, из неорганической и органической материи; отрицание вымирания видов; отрицание наличия нервной системы и полового размножения у «низших животных» и т. п.). В связи с этим, современный «ламаркизм» напоминает их лишь в самых общих чертах. 100 В широком смысле к ламаркистским относят различные эволюционные теории (в основном, возникшие в XIX — первой трети XX вв.), в которых в качестве основной движущей силы эволюции (изменения видов) рассматривается внутренне присущее организмам стремление к совершенствованию и приспособлению к окружающей среде. Как правило, большое значение в таких теориях придается и влиянию «упражнения» и «неупражнения» органов на их эволюционные судьбы, поскольку предполагается, что последствия упражнения или неупражнения могут передаваться по наследству. Тезис ламаркизма о наследовании приобретенных изменений вызвал наибольшее количество споров, которые продолжаются и по сей день. Во второй половине XX в. ламаркизм был скомпрометирован в профессиональном сообществе благодаря тому, что советский агроном Т. Д. Лысенко, методы которого шли вразрез с представлениями большинства биологов, придерживался взглядов, близких к ламаркизму (так называемый «советский творческий дарвинизм»). Тем не менее и в настоящее время ряд ученых продолжают выступать с ламаркистскими концепциями. Из наиболее значимых попыток следует отметить труды австралийского иммунолога Д. Стила, который полагает, что описанные им явления в области трансплантации тканей получают более удовлетворительное объяснение с ламаркистских позиций. 2) Дарвинизм (концепция Ч. Дарвина – А.Р. Уоллеса и последователей). Дарвинизм — по имени английского натуралиста Чарльза Дарвина — в узком смысле — направление эволюционной мысли, приверженцы которого вслед за Дарвином традиционно придают большое значение естественному отбору как фактору эволюции. В широком смысле нередко употребляется для обозначения эволюционной теории или эволюционной биологии в целом. Своеобразным толчком к развитию теории эволюции для Ч. Дарвина послужила книга Т. Мальтуса «Трактат о народонаселении» (1778), в котором Мальтус показал, к чему бы привел рост народонаселения, если бы он ничем не 101 сдерживался. Дарвин применил подход Мальтуса на другие живые системы. Исследуя изменения численности популяций, он пришел к объяснению эволюции путем естественного отбора. Таким образом, наибольший вклад Дарвина заключается не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил как она может происходить. Дарвин долго не решался опубликовать свою рукопись «Происхождение видов». Толчком к публикации послужила статья в одном биологическом журнале, где молодой ученый А.Р. Уоллес, (незнакомый ни с Дарвиным, ни с его идеями), высказывал идеи, очень схожие с идеями Дарвина. В 1858 г. Дарвин и Уоллес выступили с докладами о своих эволюционных идеях на заседании Линнеевского общества в Лондоне. Согласно концепции Дарвина-Уолесса, механизмом, с помощью которого возникают новые виды, служит естественный отбор. Эта концепция основывается на 3 наблюдениях и 2 выводах. Наблюдения 1. Особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом. 2. Число особей в каждой популяции примерно постоянно. 3. Во всех популяциях существует изменчивость. Выводы 1. Многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции идет «борьба за существование». 2. В «борьбе за существование» те особи, признаки которых наилучшим образом приспосабливают их к условиям сущестования, облают «репродуктивным преимуществом» и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи. 102 Центральные положения дарвинизма следующие: в популяциях существуют случайные мутации отдельных особей и «естественный отбор»; все живые организмы имеют общее начало, общее происхождение; изменение признаков происходит по всем направлениям очень медленными темпами без скачков. Из концепции Дарвина, в частности, следовало, что новые признаки возникают случайным образом и передаются потомкам от их родителей, причем дети наследуют признак с вероятностью 50%, внуки с вероятностью 25% и т.д. Фактически новый признак в этой ситуации должен исчезать. Нерешенной была проблема механизма передачи наследственных признаков. Концепция Дарвина активно критиковалась как биологами, так и религиозными деятелями. В результате этой критики возникли новые концепции эволюции. 3) Неодарвинизм (синтетическая теория эволюции). Проповедниками дарвиновского учения стали Эрнст Геккель и Герберт Спенсер. Благодаря их исследованиям и трудам Георга Менделя, открывшего законы передачи наследственной информации, возникает новая версия эволюционного течения – неодарвинизм или по-другому синтетическая теория эволюции. Новая, синтетическая теория эволюции представляет собой синтез основных эволюционных идей Дарвина (и, прежде всего, идеи естественного отбора) с новыми результатами биологических исследований в области наследственности и изменчивости, палеонтологии, эмбриологии, морфологии, молекулярной биологии. Основные положения современной теории эволюции следующие: элементарной единицей эволюции является популяция; элементарный процесс эволюции – это устойчивое, постепенное и непрерывное изменение генотипа популяции; движущая сила эволюции – естественный отбор, который является результатом взаимодействия популяций и окружающей среды; основные факторы эволюции – мутационный процесс, популяционные волны (отклонения от 103 среднего значения), обособленность (изолированность) популяции. В современной теории эволюции выделяют микроэволюцию и макроэволюцию. Микроэволюция – это совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов. Макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого. Изменения в рамках микроэволюции доступны наблюдению. Оба вида эволюции, в конечном итоге, происходят под влиянием изменений в окружающей среде. В современной теории эволюции выделяются 3 формы естественного отбора: 1) стабилизирующий отбор – это форма естественного отбора, направленная на поддержание и повышение устойчивости в популяции среднего, ранее сложившегося признака или свойства. Он способствует укреплению «нормы» признаков, способствующих выживанию популяции в данных условиях; 2) движущий (направленный) отбор – отбор, способствующий сдвигу среднего значения признака или свойства. Он способствует закреплению новой нормы взамен старой, пришедшей в несоответствие с изменившимися условиями; 3) дизруптивный (разрывающий) отбор – форма отбора, благоприятствующая более чем одному фенотипу и действующая против средних, промежуточных форм. Он направлен против особей с нормальным значением признака и ведет к установлению множества форм в пределах одной популяции, которая как бы разрывается на части. 4. НЕКЛАССИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ЭВОЛЮЦИИ (ОРТОГЕНЕЗ Т. ЭЙЕРА, НОМОГЕНЕЗ Л. С. БЕРГА, КОЭВОЛЦИОНИЗМ А. П. КРОПОТКИНА). Как известно, дарвинизм не является полностью подтвержденной теорией. Сам Дарвин реальных примеров естественного отбора в природе не привел, ограничившись аналогией его с искусственным. Однако искусственный отбор 104 требует принудительного скрещивания желаемых особей при полном исключении размножения всех остальных, а в природе этой избирательной процедуры нет. Естественный отбор – это не избирательное скрещивание, а избирательная размножаемость. Позже пытались естественный отбор найти в природе, но не нашли. Точнее, нашли несколько примеров того, как благодаря избирательной размножаемости изменяется частота носителей определенного признака, но и только. Нет ни одного реального примера "происхождения вида путем естественного отбора". 4.1. Ортогенез – (от греч. os – прямой и генез) – концепция в эволюционном учении, утверждающая, что развитие живой природы, обусловлено внутренними причинами, направляющими ход эволюции по определѐнному пути, строго определяя его направление. По этой концепции, направленность эволюции определяется тем, что сама изменчивость изначально имеет определѐнную направленность. Направленность эволюции не зависит от естественного отбора. Все изменения живых форм происходят по немногим, строго предопределѐнным природой организма направлениям и передаются по наследству. Термин ввел немецкий зоолог Вильгельм Гааке в 1893 г. В наиболее развѐрнутом виде эту концепцию излагал Т. Эймер, в 1888-1897 гг. В последствии, сторонники ортогенеза в качестве факторов, предопределяющих ход эволюции, предлагали особенности последовательностей ДНК или каких-либо клеточных структур. Концепцией, принципиально сходной с ортогенезом, или происходящей из него является номогенез. 4.2. Номогенез — это эволюция на основе закономерностей. Если дарвинизм и ламаркизм полагают всякое сходство либо свидетельством общего происхождения, либо итогом независимого приспособления, то номогенез утверждает другое: всякое сходство – результат общности законов формообразования, если не доказано иное. Эта эволюционная концепция была изложена в книге Льва Семѐновича Берга «Номогенез, или эволюция на основе закономерностей» (Петроград, 1922), одним из основных 105 положений которой было признание закономерного характера изменчивости организмов, лежащей в основе эволюционного процесса. Но основу номогенеза заложил американский палеонтолог Эдвард Коуп (E.D. Cope, 1840-1897) теорией гомологических рядов. Следует различать собственно теорию Л. С. Берга, изложенную в его работах 1920–30-х гг., и широко распространѐнные в 1960-1990-е умеренные номогенетические взгляды (например, С. В. Мейена и его ученика Ю. В. Чайковского). Принципы номогенеза были кратко суммированы самим Л. С. Бергом в виде таблицы, в которой основные постулаты номогенеза противопоставлены постулатам дарвинизма. Следует отметить, что «дарвинизм» в изображении Л. С. Берга отличается как от представлений самого Чарльза Дарвина, так и от представлений большинства учѐных, относивших себя к дарвинистам. 4.3. Коэволюционизм – точка зрения, согласно которой движущей силой эволюции является не борьба за существование и естественный отбор, а взаимопомощь и кооперация особей в процессе жизнедеятельности. Одним из первых ученых признавшим взаимопомощь в качестве главного фактора эволюции был русский зоолог К. Ф. Кесслер. Он писал: "Я ведь не отрицаю борьбы за существование, но только утверждаю, что прогрессивному развитию, как всего животного царства, так специально человечества, не столько содействует взаимная борьба, сколько взаимная помощь... Всем органическим телам присущи две коренные потребности, потребность питания и потребность размножения. Потребность в питании ведет их к борьбе за существование и к взаимному истреблению друг друга, а потребность в размножении ведет их к сближению между собою и к взаимной помощи друг другу. Но на развитие органического мира, на преобразование одних форм в другие оказывает едва ли не более влияния сближение между особей одного и того же вида, нежели борьба между ними". Наиболее известной является коэволюционная концепция А. П. Кропоткина. Она изложена в книге «Взаимопомощь как 106 фактор эволюции». Он писал: «Виды животных, у которых индивидуальная борьба доведена до самых узких пределов, а практика взаимной помощи достигла наивысшего развития, оказываются неизменно наиболее многочисленными, наиболее процветающими и наиболее приспособленными к дальнейшему прогрессу. Взаимная защита, получающаяся в таких случаях, а вследствие этого – возможность достижения преклонного возраста и накопления опыта, высшее умственное развитие и дальнейший рост общежительных навыков, – обеспечивают сохранение вида, его распространение на более широкой площади и дальнейшую прогрессивную эволюцию. Напротив, необщительные виды, в громадном большинстве случаев, осуждены на вырождение». Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. Какие уровни организации живых систем вы знаете? 2. Каковы сильные и слабые стороны концепции Опарина? 3. Сформулируйте основные положения теории дарвинизма. 4. Что такое микро- и макроэволюция? 5. В чем смысл коэволюционизма в биологии? ЧЕЛОВЕК С ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ 1. МЕСТО ЧЕЛОВЕКА В СИС ТЕМЕ ЖИВОТНОГО МИРА И АНТРОПОГЕНЕЗ. Вопрос о происхождении человека имеет не только научное значение: с позиций эволюционной биологии или чисто зоологической точки зрения – это частный филогенетический вопрос. Здесь речь идет, с одной стороны, об огромном философском, мировоззренческом значении ответа на этот вопрос, а с другой – о возможности проследить, как закономерности биологической эволюции уступают место 107 другим закономерностям, связанным уже с возникновением социальной формы движения материи. Представления о естественном возникновении человека от обезьяноподобных существ в результате эволюции существовали еще в глубокой древности. Аристотель отмечал сходство высших обезьян с человеком, считая, что «обезьяна менее красива, чем лошадь, она больше похожа на человека». В начале I тысячелетия до н.э. в Индии существовали философские школы, которые отстаивали идею развития материального мира. В еще более древних текстах «Аюрвед» утверждается, что человек произошел от обезьян, живших около 18 млн. лет назад на материке, объединявшем Индостан и Юго-Восточную Азию. По этим представлениям, около 4 млн. лет назад предки современных людей перешли к коллективному добыванию пищи, а современный человек появился около 1 млн. лет назад (интересно, что эти представления не так уж далеки от современных). Карл Линней в первом издании своей «системы природы» в 1735 г. объединил человека и обезьян в один отряд и дал ему имя «приматы» (лат. «первые, главенствующие»). Интересно, что Ж. Ламарк в 1809 г. изложил гипотезу происхождения человека от обезьян путем исторического развития организмов, но, боясь церкви, приписал буквально следующее: «Вот каким могло бы выглядеть происхождение человека, если б оно не было иным». Надо заметить, что лишь в середине ХХ в. католическая церковь была вынуждена признать естественное происхождение человека как биологического существа. В своей энциклике «Происхождение человека» (1950) римский папа Пий XII провозгласил: «Учение церкви не запрещает эволюционному учению в соответствии с состоянием человеческой науки и теологии быть предметом исследований... специалистов до тех пор, пока они проводят исследования о происхождении человеческого тела из уже существующей живой материи, несмотря на то, что католическая вера обязывает нас придерживаться взгляда, что души созданы непосредственно Богом». Т. е. спор здесь идет лишь о возможности возникновения души. Тем не менее, 108 анализ формирования высшей нервной деятельности в ряду предковых и родственных человеку современных млекопитающих свидетельствует о том, что все проявления психической сферы также являются результатом естественно-исторических процессов. Однако основную роль в доказательстве животного происхождения человека сыграла книга Ч. Дарвина «Происхождение человека и половой отбор» (1851), которая содержала огромное число систематизированных фактов из разных областей биологии. Ч. Дарвин подчеркивал при этом, что человекообразные обезьяны не могут рассматриваться как предки человека – они как бы наши «двоюродные братья». (Именно поэтому современные обезьяны никогда не превратятся в людей). Высшим обезьянам (например, шимпанзе) свойственна «человечность» бытового поведения на воле: они обнимаются при встречах, похлопывают друг друга по плечу или по спине, соприкасаются руками. В экспериментальных условиях обезьяны пытаются делать примитивные орудия (например, расщепляют острым камнем доску), обучаются и общаются с человеком на жестовом языке глухонемых, а также с помощью специального компьютера и т.п. Важным аргументом в пользу теории антропогенеза оказалось установление иммунологического и биохимического родства человека с обезьянами. Человекообразные высшие обезьяны намного ближе к человеку, чем к низшим обезьянам по структуре лейкоцитов, генетическим особенностям. Так, у человека диплоидное число хромосом равно 46, а у человекообразных обезьян – 48, в то время как у низших обезьян это число колеблется в пределах от 54 до 78. Известны случаи успешного переливания крови шимпанзе людям, имеющим соответствующую группу крови и наоборот. Для низших же обезьян кровь человека абсолютно чужеродна. Тонкие методы, основанные на определении аминокислотных последовательностей белков, показывают, что человек и шимпанзе отличаются на 1% аминокислотных замен. Многие 109 белки человека и шимпанзе, например, гормон роста, взаимозаменяемы. Тем не менее, анатомические отличия человека от высших обезьян весьма значительны. И главные из них те, что обеспечивают человеку возможность полноценной трудовой деятельности и богатого речевого общения. Говоря о месте человека в системе животного мира можно выразиться следующим образом: человек – один из видов млекопитающих, относящихся к отряду приматов, подотряду узконосых. Современные человекообразные обезьяны – шимпанзе, горилла, орангутанг, гиббоны – представляют формы, около 10-15 млн. лет назад уклонившиеся от линии развития, общей с человеком. Таблица. Место человека в структуре живого Основные характеристики Тип Хордовые Подтип Позвоночные Класс Млекопитающие Подкласс Отряд В эмбриональном развитии хорда; жаберные щели в полости глотки; нервная трубка на спинной стороне; двухсторонняя симметрия тела. Позвоночный столб; сердце на брюшной стороне тела; две пары свободных конечностей; формирование черепа и челюстного аппарата; 5 отделов головного мозга. Теплопроводность; развитие молочных желез; наличие волос на поверхности тела; потовые и сальные железы кожи; наличие диафрагмы; 5 отделов позвоночника; 4камерное сердце. Плацентарные Развитие детеныша внутри матки и питание его через плаценту. Приматы Расположение глаз в одной плоскости (объемное зрение); конечность хватательного типа (один палец противопоставлен четырем); ногти; одна пара сосков, хорошо развитые ключицы; рождение обычно одного детеныша; замена молочных зубов. 110 Подотряд Высшие Развитые лобные доли головного мозга; плоские ногти; редукция хвостового отдела позвоночника: наличие рудиментов (аппендикса и др.); 4 основные группы крови; развитие мимической мускулатуры; слабо развитая обонятельная зона; большое число извилин коры больших полушарий. Семейство Homo Люди вымершие (австралопитек, питекантроп, синантроп, неандерталец). Вид Прямохождение; мощная мускулатура нижних конечностей; сводчатая стопа; подвижная кисть руки; позвоночник с 4 изгибами; широкий таз, расположенный под углом 60° к горизонтали; крупные кости мозгового и мелкие лицевого черепа, плечевой сустав, обеспечивающий движение до 180°; ограниченная плодовитость (вид с самой медленной сменой поколений); плоская грудная клетка; большой палец нижних конечностей приблизился к остальным и принял на себя функцию опоры. 2. Homo sapiens ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЧЕЛОВЕКА . За последние 40-50 лет в антропологии накопились данные, позволяющие не только ответить на многие вопросы, связанные с антропогенезом, но и поставить ряд новых проблем. Находки, сделанные главным образом в Южной Африке, позволяют представить облик существ, находившихся в основании развития линии приматов, приведшей к возникновению рода Homo. Их стали называть австралопитеками (лат. australis – южный, pithecus – обезьяна). Австралопитеки – сравнительно крупные, около 20-65 кг массой, 100-150 см ростом ходили на коротких ногах при выпрямленном положении тела, масса мозга – 450-550 г. Это были обитатели открытых пространств. Свободные руки служили для нападения и защиты. Австралопитеки широко использовали как ударные орудия палки, камни, кости копытных 111 и т.д. Судя по строению зубов, эти животные были всеядными. Одновременно существовало несколько разных видов австралопитеков и одним из наиболее вероятных «кандидатов» в непосредственные предки ствола рода Homo является так называемый афарский австралопитек, остатки которого найдены в Эфиопии, в слоях возраста около 3,5 млн. лет. Специализированные австралопитеки обитали уже вместе с ранними формами человека и могли быть его жертвами. В целом австралопитеки намного ближе к человеку, чем современные человекообразные обезьяны. Род Homo, появившийся на Земле, продолжал претерпевать эволюционные изменения. В настоящее время известны несколько переходных форм. 1. Австралопитек 2. Человек умелый (Homo habilis). – 2 млн. лет назад. 3. Архантропы (Человек прямоходящий, Homo erectus) – 2 млн. лет назад – 140 тыс. лет назад. 3.Палеоантропы (Homo Neanderthalensis, человек неандертальский) – от 250 до 40-25 тыс. лет назад. Последние исследования показывают, что неандертальцы – неоднородная группа. Интересно, что более древние по возрасту находки неандертальцев морфологически (т. е. по форме) более прогрессивны, чем более поздние формы. Ранние неандертальцы с менее мощным физическим развитием, по-видимому, впоследствии дали начало ветви современного человека, неоанропа – кроманьонца (Homo sapiens). Поздние же неандертальцы, более крупные и более развитой мускулатурой, оказались тупиковой ветвью и были вытеснены Человеком разумным – Homo sapiens – видом, к которому принадлежим и мы. Важно иметь в виду, что это – весьма приближенная схема. Дело в том, что современные палеонтологические данные опровергают прежние представления о «прямолинейности» эволюционного древа человека, в которых все, что существовало рядом с «основным» стволом, провозглашается «боковой» и «тупиковой» ветвью. Такая прямолинейность природе не свойственна. Появлению нового 112 вида предшествует «лихорадка эволюционной активности». Иными словами, возникает множество разновидностей, слегка, а потом и не так уж слегка отличающихся от типичной прежней. Многие из этих разновидностей продолжают сосуществовать и далее, постепенно все более расходясь, образуя новые виды и продолжая тем же путем эволюционировать и дальше. И никто из них не «выше» и не «ниже» других, нет среди них «главного ствола» и «боковых ветвей». Поэтому нельзя воображать себе эволюцию как ствол, неукротимо тянущийся к некой вершине, — эволюция больше похожа на гигантский кустарник, покрывающий огромное поле и состоящий из множества более мелких, но тоже очень сложных кустов. По отношению к человеку это означает, что могли одновременно сосуществовать многие веточки соответствующего эволюционного куста и ученым еще предстоит их отыскать. Всякая же попытка провести через известные ископаемые находки, как более, так и менее «прогрессивные», некую «прямую», которая изображала бы эволюцию древнего человека, становится попросту невозможной. Один из палеоантропологов хорошо сказал по этому поводу: «Пока в нашем распоряжении было мало черепов, такую прямую можно было легко провести. Но чем больше накапливается «точек», тем труднее оказывается это сделать». Это распространенное правило: чем меньше фактов существует (или принимается во внимание), тем легче выстроить стройную концепцию, теорию или гипотезу. Больше фактов, конечно, лучше, но зачастую накопление новых фактов заставляет пересматривать существующие теории. Последние палеонтологические открытия свидетельствуют о том, что на протяжении всей человеческой эволюции, во все ее периоды, от времен жизни нашего общего с приматами предка и до самых поздних времен, в каждую отдельную эпоху одновременно сосуществовали как минимум два-три очень разных вида и даже разных семейства гоминидов («куст»), и проводить прямую линию через кого-то из них к человеку пока еще рано: неизвестно, через какие точки ее проводить. Это справедливо и по 113 отношению к эволюции других млекопитающих. Крупнейший палеантрополог современности доктор М. Лики сказал по этому поводу: «В разнообразии гоминидных останков нет ничего удивительного, потому что ранние гоминиды, ответвляясь от общего предка человека и приматов и двигаясь на двух ногах, имели возможность перемещаться в разные регионы Африки и там развиваться в новые виды». Культурные модели и выводы антропологии. В рассмотренном изменении парадигм антропологии можно усмотреть свидетельство того, что антропология, как и вся наука в целом, рассматривает свои объекты и делает из этого свои выводы под влиянием господствующих культурных моделей. Действительно, прежнее представление о линейной эволюции человечества и всех прочих видов, держалось до тех пор, пока господствовали типичные для XIX века представления об экономическом, социальном и моральном прогрессе, растущем, как дерево, в одном направлении, — ко все лучшему и лучшему. Теперь на смену этим представлениям пришли идеи постмодернизма и мультикультурализма, провозглашающие равенство всех культур при полном отсутствии понятия «прогресса». Антропологи тоже переняли взгляд на древнюю историю человечества как на беспорядочную, хаотическую груду равноценных видов, никому из которых нельзя отдать предпочтение как единственному предку человечества; идея «многообразия равных» и «отсутствия порядка и направления» сменила идею «прогресса» в качестве бессознательной установки при интерпретации новых и старых данных. Такая трактовка развития науки в общем виде сводится к утверждению, что так называемая научная истина сама по себе не существует вообще, а есть «социальные конструкты», то есть субъективные интерпретации, которые, в свою очередь, определяются влиянием на ученых социальных и культурных стереотипов среды и эпохи. (Подобный подход впервые выдвинул Томас Кун в своей книге «Структура научных революций»). 114 В то же время сложный, нелинейный характер эволюции человека как вида носит объективный характер и не зависит от культурных стереотипов. Разнообразие ранних гоминидов – предков человека связано с тем, что приобретя прямохождение, далекие предки человека неминуемо должны были рассеяться в поисках новых мест обитания и новых источников пищи и тем самым приобрели шансы на разнообразие, благодаря необходимости адаптироваться к новым условиям и использованию для этого случайных мутаций. Изменение наших представлений о происхождении человека говорит о том, что научная картина эволюции стала сложнее, но зато и намного реальнее. Согласно разрабатываемой в настоящее время комплексной гипотезе широкого моноцентризма, человек современного типа возник где-то в Восточном Средиземноморье, где, по-видимому, был совершен последний шаг на пути к современному виду неоантропов (Homo Sapiens). Фигура человека стала более стройной, увеличился рост. Величина головного мозга существенно не изменилась, однако произошли значительные перемены в его строении: большое развитие получили лобные доли и зоны, связанные с развитием речи и сложной, конструктивной деятельностью. После этого началось интенсивное и широкое расселение неоантропов по разным континентам. Не исключено, что при этом люди современного типа могли смешиваться с неандертальцами. Это, вероятно, было не простое вытеснение или уничтожение, а различные формы слияния, при которых происходило генетическое скрещивание пришлых и местных людей, а с точки зрения развития культуры начинала преобладать новая, прогрессивная культура кроманьонцев. В настоящее время картина развития вида Homo Sapiens развертывается на основе палеонтологических данных с применением современных молекулярно-генетических методов. Тщательный анализ показывает, что несколько десятков тысяч лет назад численность исходной популяции Homo Sapiens была не более 5000 размножающихся пар. Затем, по-видимому, эта популяция разделилась на несколько групп, причем каждая из 115 вновь образованных популяций в свое время проходила через так называемое «бутылочное горлышко» – период исключительно малой численности, когда число размножающихся пар могло насчитывать всего несколько десятков. 3. ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ НА РАСЫ. РАСЫ И ЭТНОСЫ. Все современное человечество принадлежит к единому полиморфному виду – Homo sapiens. Единство человечества основано на общности происхождения, социально-психического развития, способности к скрещиванию людей различных рас, практически одинаковом уровне общего физического и умственного развития. Вид Homo sapiens распадается, как известно, на три большие расы: австрало-негроидную, европеоидную и монголоидную. Но, строго говоря, не все группы человечества можно разделить по трем основным стволам. Например, американские индейцы выпадают из этой классификации. Их часто относят к монголоидам, однако у них редко встречается эпикантус (складка во внутреннем крае глаза, прикрывающая слезный бугорок), а лицо с выступающим узким носом имеет такую же форму, как и у европеоидов. Поэтому их иногда выделяют в особую расу америндов. То же можно сказать об австралийцах-аборигенах. Хотя они темнокожи, волосы у них не курчавы, а волнистые борода и усы растут обильно как у европеоидов, а вот по составу крови и пальцевым узорам они оказываются ближе к монголоидам. Можно, кроме того, каждый из этих пяти стволов разделить на множество группировок, хотя такое деление будет в значительной мере условным. Так, например, известно, что среди жителей северной Европы намного чаще встречаются голубоглазые и светловолосые люди, чем среди жителей южной Европы, хотя здесь речь идет скорее о вероятности появления того или иного признака. В результате антропологи выделяют несколько десятков человеческих рас – так называемых рас второго и третьего порядков. Точную цифру здесь назвать вообще невозможно, 116 тем более, что многие такие группировки сливаются, исчезают или, наоборот, возникают. Это так называемые контактные группы. Например, в нашей стране около 45 млн. населения относится к переходному европеоидно-монголоидному типу. Можно даже сказать, что сейчас, в эпоху интенсивных контактов между народами и отмирания расовых предрассудков практически нет «чистых рас». Три основных человеческих расы возникли, по-видимому, очень давно. В последнее время близость рас исследовали методами биохимической генетики. По этим данным получается, что общий предок всех рас жил около 90-92 тыс. лет назад. Именно тогда произошло разделение двух стволов – большого монголоидного (включая америндов). Коренные австралийцы проникли на свой материк около 50 тыс. лет назад и, по-видимому, по этой причине сохранили больше черт своего общего предка. Разделение европеоидов и негроидов произошло около 40 тыс. лет назад, причем долгое время они обитали совместно: на стоянке Маркина Гора вблизи Воронежа вместе с черепами кроманьонцев европеоидного типа найден череп с австралоидными чертами. Механизм расогенеза. Известно, что существуют два основных механизма изменения генного состава (генофонда популяции) – естественный отбор и так называемый дрейф генов. При возникновении рас человека действовали оба этих механизма, но роль каждого из них в образовании того или иного признака остается до конца невыясненной. Многие признаки имеют несомненно адаптивный (приспособительный характер), например, темная кожа и курчавые волосы негроидов. Не так все ясно с признаками европеоидной расы: светлая кожа, светлые глаза, прямые, светлые волосы – признаки рецессивные по отношению к доминантным – темной коже, курчавым и темным волосам. Поэтому вероятно допустить, что при заселении Европы малыми по численности популяциями древних людей по внешности сходных с австралоидами, в результате близкородственных браков возникали и закреплялись рецессивные гомозиготы. Сходные процессы наблюдаются и в изолированных популяциях. С 117 другой стороны, сильно пигментированная кожа препятствует проникновению ультрафиолетовых лучей, под действием которых синтезируется витамин D, и на севере это оказывается вредным. Понятие расы следует четко отличать от понятия этнос, национальность, нация, которые являются признаками социальными, а не биологическими. Грубейшая ошибка – отождествлять народы с расами. Представители разных рас могут образовывать одну нацию. Практически каждый достаточно большой народ разнороден по расовому составу. В истории известны случаи, когда расовый облик этноса в течении нескольких столетий полностью менялся. 4. ЭКОЛОГО-ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЧЕЛОВЕКА . С возникновением человека как социального существа биологические факторы эволюции постепенно ослабляют свое действие и ведущее значение в развитии человечества приобретают социальные факторы. Рассмотрим изменение роли основных биологических факторов эволюции. Естественный отбор как основная и направляющая сила эволюции с переходом материи на социальный уровень развития резко ослабляет свое действие, однако не исчезает совсем (ранняя абортивность зигот, составляющая около 25% от всех зачатий является результатом естественного отбора). Изоляция как эволюционный фактор еще недавно играла заметную роль, однако с развитием средств массового перемещения людей на планете остается все меньше генетически изолированных групп. Волны численности еще в недавнем прошлом играли заметную роль в истории человечества. Например, во время эпидемий холеры и чумы всего лишь несколько сотен лет назад население Европы сокращалось в десятки раз. Такое сокращение могло быть основой для рада случайных процессов изменения генофонда. Теперь численность человечества не подвержена таким колебаниям. 118 Мутационный процесс – единственный эволюционный фактор, сохраняющий прежнее значение, в человеческом обществе. Вновь возникающие мутации постоянно меняют генотипический состав населения отдельных районов. В последнее время мутационный процесс в ряде районов нашей планеты может несколько повышаться за счет локального химического и энергетического загрязнения биосферы. Создавая и поддерживая разнообразие, мутации, в то же время являются крайне опасными из-за ослабления естественного отбора. Рождение неполноценных детей, передача неполноценных генов – все это реальные опасности на современном этапе развития общества. Здесь человечество сталкивается с огромной нравственной проблемой. Единственный приемлемый выход видится в развитии генной инженерии, которая даст возможность исправлять поврежденные геномы. Человечество изменятся и сейчас, причем особенно распространены процессы грацилизации и акселерации. Грацилизация – снижение общей массивности скелета – связана в основном с тем, что человек все меньше занимается физической работой. Параллельно идет процесс акселерации – ускорение развития всего организма. Теперь у грудных детей раньше удваивается масса. На год раньше, чем в прошлом веке, молочные зубы сменяются на постоянные. За последние 100 лет подростки 14 - 16 лет стали почти на 20 см выше. Все эти изменения идут параллельно у представителей разных рас. Сами же расы постепенно теряют характерные для них наборы признаков. Это объясняется тем, что все больше и больше людей как бы изолируется от внешней среды. Так сейчас более трети населения живут и работают в одинаковых условиях при «комнатной» температуре. В таких условиях расовые признаки перестают быть адаптивными, и отбор практически не действует. 119 5. БИОСОЦИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЕДЕНИЯ . Этот вопрос в сущности, сводится к следующему: рождается ли человек «безморальным», и только воспитание прививает ему принципы морали, или же человек появляется на свет с каким-то набором врожденных чувств и представлений о том, что хорошо, и что плохо. Нельзя сводить целиком человеческую мораль к врожденным программам (редукционизм), поскольку она продукт длительного социального развития, культуры (в том числе – религии), однако следует признать, что многие признаки, присущие человеку, генетически обусловлены. Эти поведенческие признаки рассматриваются в настоящее время с позиций биоэтики. Биоэтика, сложные поведенческие программы, присущие животному миру, рассматриваются как естественное обоснование человеческой морали. Поведение животных рассматривается в рамках специальной науки – этологии. Этологи открыли у животных большой набор инстинктивных запретов, необходимых и полезных в общении с сородичами. Впервые глубокий анализ поведенческих программ животных провел в своей книге «Агрессия» выдающийся австрийский этолог Конрад Лоренц. Он рассматривает мораль животных как создание естественным образом врожденного запрета выполнять обычные программы поведения в определенных случаях, возникающих при общении с себе подобными. То есть в тех случаях, когда проявление инстинкта может оказаться вредным, вводится в действие механизм его торможения. Интересно, что аналогичным образом происходит и культурно-историческое развитие человеческого общества. Действительно, важнейшие требования моральных заповедей в большинстве своем не предписания, а запреты. Врожденные запреты создаются под жестоким давлением отбора ради выполнения задачи сохранения вида. К важнейшим из таких запретов относятся следующие: 1) «не убей своего», 120 2) «нельзя нападать неожиданно и сзади, без предупреждения и без проверки» – этот запрет непосредственно вытекает из предыдущего; 3) у хорошо вооруженных природой животных есть запреты применять смертоносное оружие или убийственный прием в драке со своими (у «слабо вооруженных природой» существ, к которым относится и человек, этот врожденный запрет развит плохо). 4) «нельзя бить того, кто принял позу покорности» – этот запрет также более всего выражен у сильно вооруженных животных (в основном хищников). Более слабое, проигравшее в схватке животное останавливает победителя, подставляя ему самое уязвимое место. (Сходная ситуация встречается у людей – «на бей!»). 5) «победа с тем, кто прав»; животное, защищающее свою территорию, свою нору, самку, детенышей, чаще выигрывает в конфликте даже у более сильного и агрессивного соперника. Это происходит не только потому, что противник заранее психически ослаблен. Его агрессивность также сдерживается запретом. Аналоги этого запрета в человеческом обществе – неприкосновенность жилища, личной жизни и имущества. Разумеется, у животных возможны и сбои, поломки этого врожденного механизма. Такое животное, по существу, «выродок», становится опасным для своих сородичей. К. Лоренц пишет, что можно лишь пожалеть, что человек не имеет «натуры хищника», поскольку большая часть опасностей, которые ему угрожают, происходят от того, что по натуре он сравнительно безобидное и всеядное существо, и у него нет естественного оружия, принадлежащего его телу, которым он мог бы убить крупное животное. Именно поэтому у него нет и тех механизмов безопасности, возникших в процессе эволюции, которые удерживают сильных животных от применения оружия против сородичей. 121 Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. В чем сходства между современными человекообразными обезьянами и людьми? 2. Назовите основные переходные формы гоминид. 3. Каковы основные факторы расогенеза? 4. Можно ли сказать, что в основе человеческой морали лежат биологические задачи выживания человека как вида? Ответ аргументируйте. КОНЦЕПЦИИ САМООРГАНИЗАЦИИ 1. ПОНЯТИЕ САМООРГАНИЗАЦИИ . В широком смысле слова под самоорганизацией понимается упорядочение системы за счет внутренних факторов, без внешнего воздействия. Догадки о возможности упорядочения в системе за счет ее внутренней динамики высказывались, начиная с Нового времени. Рене Декарт в пятой части «Рассуждений о методе» пишет о такой возможности. В труде «Всеобщая естественная история и теория неба» Иммануил Кант утверждает небулярную гипотезу, согласно которой планеты солнечной системы образовались из туманности естественным путем благодаря силам притяжения и отталкивания, внутренне присущим материи. В 1947 г. понятие самоорганизация появляется в научной публикации. В научный оборот понятие самоорганизация (self-organizing) вводит Уильям Эшби. В 1960-е гг. термин использовался в теории систем. В 1970-80-е гг. стал использоваться в физике сложных систем. 2. ТРИ НАПРАВЛЕНИЯ ТЕОРИИ САМООРГАНИЗАЦИИ . В настоящее время можно выделить 3 направления теории самоорганизации: 122 1) диссипативная самоорганизация (синергетический подход). Возникает в 1970-е гг. как проект особой дисциплины – синергетики. С точки зрения синергетики, самоорганизация – это процесс упорядочения (пространственного, временного, пространственно-временного) в открытой системе, за счет согласованного взаимодействия множества элементов ее составляющих. Для того, чтобы можно был говорить о самоорганизации в системе, она должна быть: открытой (могла обмениваться энергией, веществом с окружающей средой), сложной (содержать неограниченно большое число подсистем), обладать стационарным устойчивым режимом, в котором все элементы взаимодействуют хаотически, неравновесной. При увеличении степени обмена информацией со средой в системе может наблюдаться спонтанный переход на новый уровень упорядоченности, основанный на когерентном поведении большого числа элементов, заметный лишь на макроскопическом уровне. Стандартными примерами диссипативной самоорганизации являются: 1) лазер, 2) ячейки Рэлея-Бенара, 3) реакция Белоусова-Жаботинского. Большой вклад в становление синергетики внес бельгийский ученый российского происхождения Илья Пригожин. 2) консервативная самоорганизация (супрамолекулярная химия и теория фазовых переходов) наблюдается в равновесных условиях при самоорганизации высокомолекулярных соединений (при образовании ДНК), при образовании кристаллов без внешнего воздействия, при равновесных фазовых переходах. Это направление самоорганизации разработал нобелевский лауреат, основатель супрамолекулярной химии Жан-Мари Лен. 3) континуальная самоорганизация (концепция эволюционного катализа) разработана первоначально на материале химических и биологических систем А. П. Руденко. В отличие от когерентной самоорганизации в диссипативных системах с большим числом элементов, континуальная самоорганизация разработана для индивидуальных 123 микросистем. Самоорганизация здесь понимается как саморазвитие системы, которое происходит за счет внутренней полезной работы против равновесия. Примером подобной самоорганизации индивидуальных систем может быть биологическая эволюция с естественным отбором. 3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СИНЕРГЕТИКИ . Синергетика – от греч. сотрудничество, содействие, соучастие – междисциплинарное направление научных исследований, в рамках которого изучаются общие закономерности процессов перехода от хаоса к порядку и обратно (процесс самоорганизации и самопроизвольной дезорганизации) в открытых нелинейных системах физической, химической, биологической, экологической, социальной и другой природы. Термин синергетика в современном значении ввел Герман Хакен в 1969 г. К синергетическому подходу относят ряд научных направлений, в рамках которых исследуются процессы самоорганизации и эволюции, упорядоченного движения сложных нелинейных систем: нелинейная динамика, теория сложных адаптивных систем, теория диссипативных структур (И. Пригожин), теория детерминированного хаоса, или фрактальная геометрия (Б. Мандельброт), теория автопоэзиса (У. Матурана и Ф. Варела), теория нестационарных структур в режимах с обострением (А. А. Самарский, С. П. Курдюмов). Синергетику можно рассматривать как современный этап развития идеи кибернетики (Н. Винер, У. Р. Эшби) и системного анализа, в том числе построения общей теории систем (Л. фон Берталанфи). Основное понятие синергетики – структура, понимаемая как состояние, возникающее в результате поведения многоэлементной и многофакторной среды, не демонстрирующей стремления к усреднению термодинамического типа. В отдельных случаях образование структур имеет волновой характер и иногда называется автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями). 124 Синергетический подход в современном познании основан на следующих постулатах: - наука имеет дело с системами различных уровней организации - в системе целое не равно сумме частей - системы всегда открыты и обмениваются энергией с окружающей средой - процессы локальной упорядоченности совершаются за счет притока энергии извне - неравновесность в системе является источником порядка - в сильно неравновесных условиях системы начинают воспринимать те факторы, которые они не восприняли бы в более равновесном состоянии - в неравновесных состояниях независимость элементов уступает место кооперативному поведению - в неравновесных состояниях действуют бифуркационные механизмы – наличие точек раздвоения продолжения развития. В этих точках варианты развития системы непредсказуемы. Суть синергетического подхода заключается в том, что сложноорганизованные системы, состоящие из большого количества элементов, находящихся в сложных взаимодействиях друг с другом и обладающих огромным числом степеней свободы, могут быть описаны небольшим числом существенных типов движения (параметров порядка), а все прочие типы движения оказываются «подчиненными», и могут быть достаточно четко выражены через параметры порядка. Поэтому сложное поведение систем может быть описано при помощи иерархии упрощенных моделей, включающих небольшое число наиболее существенных степеней свободы. В замкнутых, изолированных и близких к равновесию системах процессы протекают, согласно II началу термодинамики, к тепловому хаосу, т. е. к состоянию с наибольшей энтропией. В открытых системах, находящихся вдали от состояния термодинамического равновесия, могут возникать упорядоченные пространственно-временные 125 структуры, т. е. протекать процессы самоорганизации. Структуры-аттракторы (аттрактор – это состояние, к которому стремится динамическая система с течением времени) показывают, куда эволюционируют процессы в открытых и нелинейных системах. Для всякой сложной системы, как правило, существует определенные набор возможных форм организации, дискретный спектр структур-аттракторов эволюции. Критический момент неустойчивости, когда сложная система осуществляет выбор дальнейшего пути эволюции, называют точкой бифуркации. Вблизи точки бифуркации резко возрастает роль незначительных случайных возмущений, или флуктуаций, которые могут приводить к возникновению новой макроскопической структуры. Структуры самоорганизации, обладающие свойством самоподобия, или масштабной инвариантности, называют фрактальными структурами. Будучи междисциплинарным направлением исследований, синергетика влечет за собой глубокие мировоззренческие следствия. Возникает качественно иная, отличная от классической науки, картина мира. Изменяется все концептуальная система мышления. Происходит переход от категории бытия к со-бытию, событию. От существования к становлению, от представлений о стабильности и устойчивом развитии к представлениям о нестабильности и метастабильности. От образов порядка к образам хаоса, генерирующего новые упорядоченные структуры; от самоподдерживающихся систем к быстрой эволюции через нелинейную положительную обратную связь; от эволюции к коэволюции – взаимосвязанной эволюции сложных систем. В новой синергетической картине мира акцент падает на становление, коэволюцию, когерентность, кооперативность элементов мира, нелинейность и открытость (различные варианты будущего), возрастающую сложность формообразований и их объединений в эволюционирующие целостности. Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. Назовите основные направления теории самоорганизации. 126 2. Сформулируйте основные положения синергетики. 3. При каких условиях возможна самоорганизация в системе? 4. Что такое точка бифуркации? 5. В чем заключается междисциплинарность синергетики? УЧЕНИЕ О РАЗВИТИИ БИОСФЕРЫ 1. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ . Под биосферой понимают тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера находится на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы, располагаясь в диапазоне от 11 км в глубь Земли до 33 км над Землей. Живые организмы, включающие в себя все известные химические элементы, в процессе жизнедеятельности осуществляют превращение энергии. Все живое разделено на пять царств: бактерии, водоросли, грибы, растения и животные. Современная наука считает, что примерно 1 млрд. лет назад произошло разделение живых существ на царства растений и животных. Различия между ними можно разделить на три группы: 1) по структуре клеток и их способности к росту; 2) по способу питания; 3) по способности к движению. Одним из первых предложил рассматривать живое, жизнь как целое, выдающийся русский ученый Владимир Иванович Вернадский в своем учении о биосфере. Основные выводы учения Вернадского о биосфере сводятся к следующему: 1. Принцип целостности утверждает, что биосфера, жизнь существуют как единое целое. Жизнь является необходимой и закономерной частью стройного космического механизма. 2. Принцип гармонии биосферы заключается в ее организованности, стройности, неразрывной связи в ней живых и неживых компонентов. 3. Принцип значительности роли живого в эволюции Земли утверждает, что на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей и более могущественной 127 по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом. Облик Земли как небесного тела фактически сформирован жизнью. 4. Основная роль биосферы состоит в трансформации солнечной энергии в действенную энергию Земли. Космическая энергия вызывает развитие жизни, которое достигается размножением. 5. Правило инерции заключается в распространении жизни по земной поверхности из-за проявления ее геохимической энергии. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. 6. Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел утверждает, что раз вошедший в организм элемент проходит длинный ряд состояний и при этом организм вводит в себя только необходимое количество элементов. 7. Пределы жизни определяются физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. 8. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени. Биосфера, по В. И. Вернадскому, — это организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью. Пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни. Быть живым — значит быть организованным, отмечал В. И. Вернадский, и в этом состоит суть понятия биосферы как организованной оболочки Земли. По В. И. Вернадскому, вещество биосферы разнородно по своему физико-химическому составу, а именно: 1) живое вещество (биота) — совокупность живых организмов; 2) биогенное вещество — непрерывный биогенный поток 128 атомов из живого вещества в косвенное вещество биосферы и обратно; 3) косное вещество (атмосфера, газы, горные породы и пр.); 4) биокосное вещество, например почвы, илы, поверхностные воды, сама биосфера, т. е. сложные закономерные косноживые структуры; 5) радиоактивное вещество; 6) рассеянные атомы; 7) вещество космического происхождения. Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43 • 1012т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и на 0,8% — животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов — 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03 • 1012, или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле. В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов — беспозвоночные и только 4% — позвоночные, из которых десятая часть — млекопитающие. Кроме растений и животных В. И. Вернадский включает в понятие "живое вещество" и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, вопервых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальные живые существа. 129 Жизнь на Земле ныне полностью зависит от фотосинтеза. Фиксируя энергию солнечного света в продуктах фотосинтеза, растения выполняют космическую роль энергетического очага на Земле. Под фотосинтезом понимается превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами при участии энергии света и поглощающих свет пигментов (хлорофилл и др.) простейших соединений (воды, углекислого газа и минеральных элементов) в сложные органические вещества, необходимые для жизнедеятельности всех организмов. Ежегодно растения образуют до 100 млрд. т органических веществ и фиксируют 9 • 1020 Дж энергии солнечной радиации. При этом растения усваивают из атмосферы до 170 млрд. т углекислого газа и разлагают до 130 млрд. т воды, выделяя до 115 млрд. т свободного кислорода. Биотические компоненты экосистем делят на три основные группы: продуценты (зеленые растения и организмы, могущие использовать химическую энергию, — хемосинтетики), консументы, или потребители (могут быть нескольких трофических уровней), и редуценты, или разрушители (организмы, преобразующие, минерализующие органику и тем самым замыкающие биологический круговорот). Все живые организмы, так или иначе используя друг друга, образуют гигантский биологический круговорот биосферы. Этот круговорот не полностью замкнут: кроме энергетического входа (солнечная энергия) он имеет и выход — часть отмирающего органического вещества после разложения микроорганизмамиминерализаторами может попадать в водные растворы и откладываться в виде осадочных пород, а другая часть образует отложения таких биогенных пород, как каменный уголь, торф, сапропель и т. п. В этом большом биогеохимическом круговороте вещества и энергии выделяется целый ряд более частных круговоротов веществ — воды, углерода, кислорода, азота, серы, фосфора и др., в ходе которых происходит обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой. 130 2. ЭКОЛОГИЯ И ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. Термин экология (от греческого oikos — жилище) предложен в 1866 г. немецким биологом Э. Геккелем для обозначения специальной биологической науки об организмах, о взаимоотношениях организмов, в первую очередь диких, и среды их обитания. Примерно с 60-х гг. XX в. под экологией (наукой об окружающей среде) стали понимать науку о различных аспектах взаимодействия организмов между собой и с окружающей средой. Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, сообществ, экосистем. К важным положениям экологии, можно отнести следующие: 1) каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи со средой, т. е. с другими организмами и неживой природой; 2) жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись по планете, стимулируя перераспределение энергии и веществ; 3) размеры популяций возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность их колеблется вблизи равновесного уровня. Принцип равновесия играет в живой природе огромную роль. Равновесие существует между видами, и смещение его в одну сторону, скажем уничтожение хищников, может привести к исчезновению жертв, которым не будет хватать пищи. Естественное равновесие существует также между организмом и окружающей его неживой средой. Великое множество равновесий поддерживают общее равновесие в природе. В экологии наибольшее значение для изучения структуры ее систем приобретает анализ тех трофических, или пищевых связей, которые соединяют различные популяции друг с другом. В экосистеме можно выделить два уровня: 131 - на верхнем, автотрофном уровне, который называют также зеленым поясом, мы встречаемся с растениями, содержащими хлорофилл и перерабатывающими солнечную энергию и простые неорганические вещества в сложные органические соединения. - на нижнем, гетеротрофном уровне происходит преобразование и разложение этих органических соединений в простые. Таким образом, в механизме трофических связей можно выделить следующие элементы: - продуценты автотрофных организмов, главным образом зеленых растений, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ; - фагототрофы, к которым принадлежат гетеротрофные животные, питающиеся другими живыми организмами, растительными и животными; - сапротрофы, которые получают энергию путем разложения мертвых тканей или растворенного органического вещества. Одна из характерных черт всех экосистем состоит в том, что в них происходит постоянное взаимодействие автотрофных и гетеротрофных подсистем организмов. Такое взаимодействие приводит к круговороту вещества в природе, несмотря на то что иногда организмы разделены в пространстве. Современные экологические проблемы. Загрязнение природной среды различными отходами производства приводит к нарушению стабильности экосистем, к их разрушению. В стабильном состоянии экосистемы могут самоочищаться, восстанавливаться, в нестабильном — нет. Это нарушение стабильности принято называть экологическим кризисом. Его разделяют на локальный и глобальный. Локальный экологический кризис выражается в местном повышении уровня загрязнений — химических, тепловых, шумовых, электромагнитных — за счет одного или нескольких близко расположенных источников. Глобальный экологический кризис является следствием всей совокупности хозяйственной 132 деятельности нашей цивилизации и проявляется в изменении характеристик природной среды в масштабах планеты. В настоящее время глобальный экологический кризис включает четыре основных компонента: кислотные дожди, парниковый эффект, загрязнение планеты суперэкотоксикатами и озоновые дыры. Кислотные дожди — это атмосферные осадки, рН которых ниже, чем 5,5. Закисление осадков происходит вследствие попадания в атмосферу оксидов серы и азота. Источники S02 в основном связаны с процессами сгорания каменного угля, нефти и природного газа, содержащих в своем составе сераорганические соединения. Часть S02 в результате фотохимического окисления в атмосфере превращается в серный ангидрид, образующий с атмосферной влагой серную кислоту. Кислотные осадки (их рН иногда достигает 2,5) губительно действуют на биоту, технические сооружения. Под действием кислотных дождей и снегов за 1955-1985 годы сильно понизился водородный показатель тысяч озер Европы и Северной Америки, а это в свою очередь привело к резкому обеднению их фауны и гибели многих видов организмов. Кислотные осадки вызывают деградацию лесов. Парниковый эффект обусловлен нагревом внутренних слоев атмосферы за счет поглощения "парниковыми газами" (прежде всего С02) основной инфракрасной части излучения поверхности Земли, нагреваемой Солнцем. Этот эффект может привести к существенному изменению климата, которое чревато непредсказуемыми последствиями, например к повышению уровня Мирового океана и затоплению низменных участков суши из-за таяния арктических и антарктических льдов. За последние 100 лет концентрация С02 в атмосфере выросла на 20%. Загрязнение суперэкотоксикатами поверхности Земли, к которым относятся хлордиоксины, полихлорированные бифенилы, полициклические ароматические углеводороды, некоторые тяжелые металлы (в первую очередь свинец, ртуть и кадмий); долгоживущие радионуклиды попадают в окружающую 133 среду в результате аварий на химических производствах, неполного сгорания топлива в автомобильных двигателях, неэффективной очистки сточных вод, катастроф на ядерных реакторах и даже сгорания полимерных изделий в кострах на садовых участках. Суперэкотоксикаты ответственны за многочисленные болезни, аллергии, повышенную смертность, нарушения генетического аппарата человека и животных. Истончение озонового слоя. Он расположен на высоте 25 ± 5 км, как известно, поглощает опасное для всех живых существ биологически активное ультрафиолетовое излучение Солнца (длина волны 240_260 нм). Наблюдения за концентрацией озона в этом слое, ведущиеся только в последние годы, фиксируют ее существенное локальное понижение (до 50% от исходной). Такие места, получившие название озоновых дыр, обнаружены над Антарктидой (1985) и Арктикой (1992). В настоящее время однозначного объяснения причин возникновения и затягивания озоновых дыр не существует. Тем не менее средства массовой информации и многочисленная учебно-методическая литература активно распространяют фреоновую теорию разрушения озонового слоя. Суть ее заключается в следующем. Фреоны (хлорфторуглероды) широко используются в качестве хладагентов, вспенивателей пластмасс, газов в аэрозольных баллончиках, средств пожаротушения и т. п. Выполнив свою рабочую функцию, большая часть фреонов попадает в верхнюю часть атмосферы, где под действием света разрушается с образованием свободных атомов хлора. Далее атомы хлора интенсивно взаимодействуют с озоном и регенерируются. Таким способом один атом хлора может разрушить не менее 10 тыс. молекул озона. Следует, однако, отметить, что представления о роли фреонов в разрушении озонового экрана нашей планеты являются всего лишь гипотезой. С ее помощью трудно объяснить причины периодического убывания концентрации озона над Антарктикой, тогда как не менее 90% фреонов попадают в атмосферу в Европе и США. Известна еще одна гипотеза появления озоновых дыр, основанная на взаимодействии озона с потоками водорода и 134 метана, поступающего в атмосферу через разломы в земной коре, тем более что географические координаты озоновых дыр очень близки к координатам зон разломов в земной коре. Если это так, то колебания концентрации озона следует отнести к природным факторам. Итак, глобальный экологический кризис, обусловленный антропогенным вмешательством в природные процессы, представляет опасность для жизни на Земле. Возникает вопрос: может ли он быть преодолен? Большинство специалистов сегодня отвечают на этот вопрос положительно, отмечая, однако, что решение этой задачи потребует от человечества грандиозных усилий. Для преодоления глобального экологического кризиса необходимо, чтобы каждый житель нашей планеты осознал, что экологическая угроза исходит не от безымянного человечества вообще, а от каждого конкретного человека, т. е. от нас с вами. Главную роль в решении этой задачи играет экологическое просвещение всех слоев и всех возрастных категорий общества. Следующий шаг — создание эффективного природоохранного законодательства. Ключевым элементом в борьбе с экологическим кризисом является поиск грамотных и действенных научно-технических решений. 3. УЧЕНИЕ О НООСФЕРЕ . В 20-е гг. XX в. в Париже на семинаре А. Бергсона русский ученый Владимир Иванович Вернадский заинтересовался идеей П. Тейяра де Шардена, французского палеонтолога и философа, рассматривавшего феномен человечества с точки зрения глобальной эволюционной перспективы. Тейяр оперировал терминами отправного пункта эволюции, которая началась с появления элементарных частиц, привела к формированию молекул, клеток, многоклеточных организмов и, наконец, социальных групп. Он полагал, что следующей эволюционно-критической точкой станет появление коллективного человеческого сознания, которое станет контролировать направление будущей эволюции биосферы. Он 135 называл эту новую эволюционную фазу ноосферой. Переход к ноосфере был движением от биологической к психологической и духовной эволюции. Для Тейяра ноосфера была последовательным шагом в направлении развертывания и усложнения универсума. В. И. Вернадский принял такое понятие, помогающее объяснить следствия растущего вторжения человека в планетарные геохимические циклы. Для Вернадского процесс преобразования биосферы путем вмешательства человека был процессом ноогенезиса. Интенсивное и сбалансированное сосуществование в рамках ноосферы обеспечивает управление биохимическими циклами. Он был убежден, что переход к ноосфере происходит под влиянием научных достижений, и ждал, когда человечество, наконец, осознает это. Требование перехода к ноосфере означает для человечества реконструкцию биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни. В задачу человека эпохи ноосферы входит правильное, рациональное использование ресурсов Земли, не нарушая его экологического равновесия во всех направлениях. Земная ноосфера оказывается непосредственно связанной с Космосом. Итак, что же такое ноосфера: утопия или реальная стратегия выживания? Труды Вернадского позволяют более обоснованно ответить на поставленный вопрос, поскольку в них указан ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы. Перечислим эти условия: 1) заселение человеком всей планеты; 2) резкое преобразование средств связи и обмена между странами; 3) усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли; 136 4) начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере; 5) расширение границ биосферы и выход в космос; 6) открытие новых источников энергии; 7) равенство людей всех рас и религий; 8) увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики; 9) свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических воззрений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли; 10) продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить голода, нищеты и ослабить влияние болезней; 11) разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения; 12) исключение войн из жизни общества. Тейяр и Вернадский дают две возможные интерпретации ноосферы. В первом случае ноосфера представляет собой тотальный образец мыслящих организмов и их активности. Во втором случае это образец специфической жизненной среды, состоящий из систем организованной мысли и материальной культуры, среди которых живет человек. Дж. Хаксли называет первую — ноосферой, вторую — ноосистемой. Для Тейяра ноосфера была планетарным слоем сознания и духовности, который возникает из биосферных масс, обладающих жизнью субстанции. Для Вернадского ноосфера была прежде всего средой, в которой человечество может самореализовываться. Основоположники учения о ноосфере верили, что человеческий разум, превращаясь в планетарную геологическую силу, приведет к упорядочению природной и социальной действительности, к более совершенным формам 137 бытия. Как результат сознательного, планомерного преобразования биосферы, ее перехода в качественно новое состояние возникнет ноосфера. В некоторых контекстах ноосфера рассматривалась как полное устранение зла, как всеобщее благо (особенно в космических вариантах, например, у К. Э. Циолковского). Современные тенденции развития, к сожалению, не свидетельствуют о приближении к ноосферному идеалу. Оптимистические прогнозы утверждают, что новые технологии будут безотходными, менее энергоемкими и более совершенными. Пессимистические прогнозы считают, что из-за технологического и энергетического загрязнения мир идет к гибели. В этой связи заслуживает внимания инициатива ученых и общественных деятелей, объединившихся в рамках Римского клуба, изучающих пределы роста и актуальные проблемы человечества. Они показали, что если потребление ресурсов и промышленный рост вместе с увеличением численности населения будут продолжаться прежними темпами, то будет достигнут предел роста, за которым последует катастрофа. Вопросы для самоконтроля и обсуждения 1. Каковы границы биосферы? 2. Какое вещество входит в состав биосферы? 3. Какие главные экологические проблемы вы знаете? 4. Перешла ли современная биосфера в состояние ноосферы? Каковы критерии наступления состояния ноосферы? 138 ЛИТЕРАТУРА ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА Белкин П.Н. Концепции современного естествознания : учебное пособие для вузов / П.Н. Белкин. – М. : Высшая школа, 2004. – 335 с. 2. Гайденко П.П. История новоевропейской философии в ее связи с наукой : учебное пособие для вузов / П.П. Гайденко. – М. : Пер Сэ ; Спб. : Университетская книга, 2000. – 456 с. 3. Гайденко П.П. Научная рациональность и философский разум / П.П. Гайденко. – М. : Прогресс-Традиция, 2003. – 528 с. 4. Горелов А.А. Концепции современного естествознания / А.А. Горелов. – М. : Центр, 1997. – 208 с. 5. Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания : учебник / М.К. Гусейханов, О.Р. Раджабов. – М. : Издат.-торговая корпорация «Дашков и К°», 2007. – 540 с. 6. Новая философская энциклопедия / Рос. акад. наук, Ин-т философии ; научн.-ред. совет : предс. В.С. Степин. – М. : Мысль, 2000. – Т.1–4. – 2659 с. 7. Савченко В.Н. Начала современного естествознания : концепции и принципы : учебное пособие / В.Н. Савченко, В.П. Смагин. – Ростов н/Д. : Феникс, 2006. – 608 с. 8. Современная западная философия : словарь / сост. : В.С. Малахов, В.П. Филатов. – М. : Политиздат, 1991. – 414 с. 9. Степин В.С. Теоретическое знание / В.С. Степин. – М. : Прогресс-Традиция, 2003. – 744 с. 10. Философия науки : учебное пособие для вузов / под ред. С.А. Лебедева. – М. : Академический проект ; Трикста, 2004. – 736 с. 1. 139 ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. Горелов А. А. Концепции современного естествознания / А. А. Горелов. – М. : Центр, 2003. – 208 с. Грушевицкая Т. Г. Концепции современного естествознания / Т. Г. Грушевицкая, А. П. Садохин. – М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2003. – 670 с. Денисов С. Ф. Естественные и технические науки в мире культуры / С. Ф. Денисов, Л. М. Дмитриева. – Омск : ОмГТУ, 1997. – 448 с. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания / Т. Я. Дубнищева. – М. : Академия, 2006. – 608 с. Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания / С. Х. Карпенков. – М. : ЮНИТИ, 1997. – 520 с. Концепции современного естествознания / под ред. В. Н. Лавриненко, В. П. Ратникова. – М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2005. – 317 с. Концепции современного естествознания / С. И. Самыгин и др. – Ростов-на-Дону : Феникс, 1997. – 434 с. Найдыш В. М. Концепции современного естествознания / В. М. Найдыш. – М. : Гардарики, 2001. – 475 с. Рузавин Г. И. Концепции современного естествознания / Г. И. Рузавин. – М. : Культура и спорт ; ЮНИТИ, 1997. – 287 с. Савченко В. Н. Начала современного естествознания: концепции и принципы / В. Н. Савченко, В. П. Смагин. – Ростов-на-Дону : Феникс, 2006. – 608 с. Савченко В. Н. Начала современного естествознания: тезаурус / В. Н. Савченко, В. П. Смагин. – Ростов-на-Дону : Феникс, 2006. – 336 с. Современное естествознание: Энциклопедия: в 10 т. / гл. ред. В. Н. Сойфер. – М. : Флинта-Наука, 1999–2000. Солопов Е. Ф. Концепции современного естествознания / Е. Ф. Солопов. – М. : ВЛАДОС, 2001. – 232 с. 140 14. Суханов А. Д. Концепции современного естествознания / А. Д. Суханов, О. Н. Голубева и др. – М. : Агар, 2000. – 451 с. 15. Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания / С. Г. Хорошавина. – Ростов-на-Дону : Феникс, 2000. – 478 с. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА Аверьянов А. Н. Системное познание мира: методологические проблемы / А. Н. Аверьянов. – М. : Политиздат, 1985. – 263 с. 2. Автономова Н. С. Рассудок. Разум. Рациональность / Н. С. Автономова. – М. : Наука, 1988. – 285 с. 3. Агафонова Н. В. Прогресс и традиции в науке / Н. В. Агафонова. – М. : Изд-во Моск. ун-та, 1991. – 129 с. 4. Андреев Э. П. Пространство микромира / Э. П. Андреев. – М. : Наука, 1969. – 88 с. 5. Аршинов В. И. Синергетика как феномен постнеклассической науки / В. И. Аршинов. – М. : ИФ РАН, 1999. – 203 с. 6. Астрономия и современная картина мира / отв. ред. В. В. Казютинский – М. : ИФРАН, 1996. – 247 с. 7. Астрофизика, кванты и теория относительности. – М. : Мир, 1982. – 566 с. 8. Афанасьев В. Г. Мир живого: системность, эволюция и управление / В. Г. Афанасьев. – М. : Политиздат, 1986. – 334 с. 9. Барбур И. Религия и наука: история и современность / И. Барбур. – М. : Библейско-богословский институт св. апостола Андрея, 2001. – 430 с. 10. Берталанфи Л. Общая теория систем: критический обзор / Л. Берталанфи // Исследования по общей теории систем. – М. : Прогресс, 1969. – С. 23–28. 1. 141 11. Бестужев-Лада И. В. У истоков мироздания: От Большого Взрыва и до той поры, когда на Земле появился Человек Разумный / И. В. Бестужев-Лада. – М. : Детская литература, 1987. – 192 с. 12. Блауберг И. В. Становление и сущность системного подхода / И. В. Блауберг, Э. Г. Юдин. – М. : Наука, 1973. – 269 с. 13. Богданов А. А. Тектология. Всеобщая организационная наука: кн. 1 / А. А. Богданов. – М. : Экономика, 1989. – 303 с. 14. Богданов А. А. Тектология. Всеобщая организационная наука: кн. 2 / А. А. Богданов. – М. : Экономика, 1989. – 350 с. 15. Бочков Н. П. Генетика человека (наследственность и патология) / Н. П. Бочков. – М. : Медицина, 1978. – 377 с. 16. Вернадский В. И. Размышления натуралиста: в 2 кн. / В. И. Вернадский. – М. : Наука, 1975. 17. Визгин В. П. Границы новоевропейской науки: модерн /постмодерн / В. П. Визгин // Границы науки. – М. : ИФРАН, 2000. – С. 192–227. 18. Визгин В. П. Идея множественности миров / В. П. Визгин. – М. : Наука, 1988. – 294 с. 19. Войткевич Г. В. Возникновение и развитие жизни на Земле / Г. В. Войткевич. – М. : Наука, 1988. – 144 с. 20. Вселенная, астрономия, философия : сб. статей. – М. : МГУ, 1988. – 191 с. 21. Гайденко П. П. Научная рациональность и философский разум / П. П. Гайденко. – М. : Прогресс-Традиция, 2003. – 528 с. 22. Гайденко П. П. Эволюция понятия науки: становление и развитие первых научных программ / П. П. Гайденко. – М. : Наука, 1980. – 567 с. 23. Гайденко П. П. Эволюция понятия науки (формирование научных программ нового времени XVII – XVIII вв.) / П. П. Гайденко. – М. : Наука, 1987. – 447 с. 24. Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое / В. Гейзенберг. – М. : Наука, 1990. – 400 с. 142 25. Гинзбург В. Л. О теории относительности : сб. статей / В. Л. Гинзбург. – М. : Наука, 1979. – 240 с. 26. Глобальный эволюционизм (философский анализ) / отв. ред. Л. В. Фесенкова. – М. : ИФРАН, 1994. – 149 c. 27. Грибанов Д. П. Философские взгляды А. Эйнштейна и развитие теории относительности / Д. П. Грибанов. – М. : Наука, 1987. – 272 с. 28. Грибанов Д. П. Философские основания теории относительности / Д. П. Грибанов. – М. : Наука, 1982. – 220 с. 29. Добронравова И. С. Синергетика: становление нелинейного мышления / И. С. Добронравова. – Киев : Лыбидь, 1990. – 149 с. 30. Закономерности развития и методы познания современной науки / под ред. Д. И. Широканова, А. К. Манеева. – Минск, 1978. – 296 с. 31. Зельдович Я. Б. Строение и эволюция Вселенной / Я. Б. Зельдович, И. Д. Новиков. – М. : Наука, 1975. – 735 с. 32. Ильин В. В. Природа науки / В. В. Ильин, А. Т. Калинкин. – М. : Высшая школа, 1985. – 228 с. 33. Казютинский В. В. Антропный принцип: история и современность / В. В. Казютинский, Ю. В. Балашов // Природа. – М., 1989. – № 1. – С. 23–32. 34. Капица С. П. Синергетика и прогнозы будущего / С. П. Капица, С. П. Курдюмов, Т. Г. Малинецкий. – М. : Эдиториал УРСС, 2001. – 288 с. 35. Капра Ф. Дао физики / Ф. Капра. – К. : София ; М. : Гелиос, 2002. – 352 с. 36. Капра Ф. Паутина жизни. Новое научное понимание живых систем / Ф. Капра. – К. : София ; М. : Гелиос, 2002. – 336 с. 37. Касавин И. Т. Рациональность в познании и практике. Критический очерк / И. Т. Касавин, З. А. Сокулер. – М. : Наука, 1989. – 192 с. 38. Кедров Б. М. Предмет и взаимосвязь естественных наук / Б. М. Кедров. – М. : Наука, 1967. – 436 с. 39. Князева Е.Н., Основания синергетики. Режимы с обострением, самоорганизация, темпомиры / РАН, Ин-т 143 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. философии, Ин-т прикладной математики ; Князева Е.Н., Курдюмов С.П. – СПб. : Алетейя, 2002. – 414 с. Когнитивный подход : научн. монография / РАН, Ин-т философии ; Отв. ред. В.А. Лекторский. – М. : Канон+, 2008. – 464 с. Конструктивизм в теории познания : сб. ст. / РАН, Ин-т философии ; Отв. ред. В.А. Лекторский. – М. : ИФРАН, 2008. - 172 с. Коуэн Р. История жизни / Р. Коуэн. – Киев : Наук. думка, 1982. – 218 с. Культура, человек и картина мира : сб. ст. – М. : Наука, 1987. – 350 с. Кун Т. Структура научных революций / Т. Кун. – М. : Прогресс, 1975. – 288 с. Кутырев В. А. Разум против человека: (Философия выживания в эпоху постмодернизма) / В. А. Кутырев. – М. : ЧеРо, 1999. – 229 с. Лакатос И. Фальсификация и методология научноисследовательских программ / И. Лакатос. – М. : Медиум, 1995. – 236 с. Лекторский В. А. Эпистемология классическая и неклассическая / В. А. Лекторский. – М. : Эдиториал УРСС, 2001. – С. 103–114. Лоскутов А. Д. Введение в синергетику / А. Д. Лоскутов, А. С. Михайлов – М. : Наука, 1990. – 230 с. Любимова Т. Б. Интуиция – творчество – знание – опыт / Т. Б. Любимова // Ориентиры… – М. : ИФРАН, 2001. – С. 8– 33. Методологические проблемы научного познания : сб. статей. – Новосибирск : Наука, 1977. Методологические проблемы современной науки. – М. : Политиздат, 1979. – 295 с. Микешина Л. А. Философия познания. Полемические главы / Л. А. Микешина. – М. : Традиция, 2002. – 624 с. Микешина Л.А. Философия науки : учебное пособие / Л. А. Микешина. – М. : Издательской дом Международного ун-та в Москве, 2006. – 440 с. 144 54. Микешина Л.А. Эпистемология ценностей / Л. А. Микешина. – М. : РОССПЭН, 2007. – 439 с. 55. Моисеев Н. Н. Расставание с простотой / Н. Н. Моисеев. – М. : Аграф, 1998. – 473 с. 56. Наука и богословие : Антропологическая перспектива / под ред. : В. Н. Поруса. – М. : Библейско-богословский институт св. апостола Андрея, 2004. – 320 с. 57. Наука и культура : сб. ст. / отв. ред. В. Ж. Келле. – М. : Наука, 1984. – 336 с. 58. Новиков И. Д. Черные дыры и Вселенная / И. Д. Новиков. – М. : Молодая гвардия, 1985. – 190 с. 59. Новиков И. Д. Эволюция Вселенной / И. Д. Новиков. – М. : Наука, 1983. – 190 с. 60. Окунь Л. Б. Лептоны и кваpки / Л. Б. Окунь. – М. : Наука, 1990. – 304 с. 61. Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц / Л. Б. Окунь. – М. : Наука, 1988. – 272 с. 62. Опарин А. И. Возникновение жизни на Земле / А. И. Опарин. – М. : Изд-во АН СССР, 1957. – 395 с. 63. Опарин А. И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие / А. И. Опарин. – М. : Наука, 1968. – 173 с. 64. О современном статусе глобального эволюционизма. – М. : ИФРАН, 1986. – 175 с. 65. Петров М. К. Социально-культурные основания развития современной науки / М. К. Петров. – М. : Наука, 1992. – 229 с. 66. Познание в социальном контексте / отв. ред. В. А. Лекторский. – М. : ИФРАН, 1994. – 171 с. 67. Познание, понимание, конструирование : сб. ст. / РАН, Ин-т философии ; Отв. ред. В.А. Лекторский. – М. : ИФРАН, 2008. – 167 с. 68. Поппер К. Р. Логика и рост научного знания. Избранные работы / К. Р. Поппер. – М. : Прогресс, 1983. – 606 с. 69. Пригожин И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой / И. Пригожин, И. Стенгерс. – М. : Прогресс, 1986. – 431 с. 145 70. Пуанкаре А. О науке / А. Пуанкаре. – М. : Наука, 1983. – 560 с. 71. Рогинский Я. Я. Проблемы антропогенеза / Я. Я. Рогинский. – М. : Высш. шк., 1977. – 262 с. 72. Розов М. А. Проблемы эмпирического анализа научных знаний / М. А. Розов. – Новосибирск : Наука, 1977. – 220 с. 73. Роль среды и наследственности в формировании индивидуальности человека / под ред. И. В. Равич-Щербо. – М. : Педагогика, 1988. – 336 с. 74. Романовская Т. Б. Объективность науки и человеческая субъективность, или в чем состоит человеческое измерение науки / Т. Б. Романовская. – М. : Эдиториал УРСС, 2001. – 208 с. 75. Руденко А. П. Химическая эволюция и абиогенез / А. П. Руденко // Философия и социология науки и техники. – М. : Наука, 1987. – С. 70–85. 76. Савенков В. Я. Новые представления о возникновении жизни на Земле / В. Я. Савенков. – Киев : Вiща школа, 1991. – 231 с. 77. Синергетическая парадигма : многообразие поисков и подходов / редкол.: Степин В. С. и др. – М. : ПрогрессТрадиция, 2000. – 535 с. 78. Сокулер З. А. Методология гуманитарного познания и концепция «власти-знания» Мишеля Фуко / З. А. Сокулер // Философия науки, 1998. – Вып. 4. – С. 174–182. 79. Степин В. С. Теоретическое знание / В. С. Степин. – М. : Прогресс- традиция, 2000. – 744 с. 80. Степин В. С. Философия науки и техники / В. С. Степин, В. Г. Горохов, М. А. Розов. – М. : Гардарика, 1996. – 400 с. 81. Фейерабенд П. Избранные труды по методологии науки / П. Фейерабенд. – М. : Прогресс, 1986. – 542 с. 82. Фейнберг Е. Л. Две культуры. Интуиция и логика в искусстве и науке / Е. Л. Фейнберг. – Фрязино : Век 2, 2004. – 288 с. 83. Фролов И. Т. Философия и история генетики: поиски и дискуссии / И. Т. Фролов. – М. : Наука, 1988. – 414 с. 84. Хакен Г. Синергетика / Г. Хакен. – М. : Мир, 1980. – 404 с. 146 85. Швырев В. С. Теоретическое и эмпирическое в научном познании / В. С. Швырев. – М. : Наука, 1978. – 382 с. 86. Шербаков А. С. Самоорганизация материи в неживой природе : Филос. аспекты синергетики / А. С. Шербаков. – М. : Изд-во Моск. ун-та, 1990. – 111 с. 87. Эйнштейн А. Собрание научных трудов: в 4 т. Т. 1. Работы по теории относительности (1905-1920) / А. Эйнштейн. – М. : Наука, 1965. – 700 с. 88. Энциклопедия эпистемологии и философии науки / РАН, Ин-т философии ; сост. и общ. ред. И.Т. Касавина. – М. : Канон+, 2009. – 1248 с. 89. Югай Г. А. Общая теория жизни / Г. А. Югай. – М. : Мысль, 1985. – 256 с. 90. Яблоков А. В. Эволюционное учение / А. В. Яблоков, А. Г. Юсуфов. – М. : Высшая школа, 1998. – 276 с. 91. Проблема ценностного статуса науки на рубеже XXI века / отв. ред. Л. Б. Баженов. – СПб. : РХГИ, 1999. – 280 с. 92. Философия и методология науки / под ред. В. И. Купцова. – М. : Аспект-Пресс, 1996. – 551 с. 93. Юдин Э. Г. Методология науки. Системность. Деятельность / Э. Г. Юдин. – М. : Эдиториал УРСС, 1997. – 450 с. 147 Учебное издание Концепции современного естествознания Конспект лекций Учебное пособие для студентов высших учебных заведений Составитель Воробьев Дмитрий Николаевич Компьютерная верстка Е. П. Воробьевой. Подписано в печать 24.12.2010. Формат 60х84/16. Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. печ. л. 9,5. Тираж 50 экз. Заказ №______ ГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева» 428000, Чебоксары, ул. К. Маркса, 38 Отпечатано в отделе полиграфии ГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева» 428000, Чебоксары, ул. К. Маркса, 38 148