Лекции по курсу Концепции современного естествознания


ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ "КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ"
    Тема 1. Основы науковедения              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
    Тема 2. История науки              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
    Тема 3. Современные концепции физики и космологии              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
    Тема 4. Современные концепции химии и биологии              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
    Тема 5. Человек как предмет естествознания              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]





1.1. Наука и ее роль в культуре
 
Предметом изучения курса «Концепции современного естествознания» является комплекс знаний о природе, который выступает в контексте человеческой культуры.
Культура (от греч. слова cultura - возделывание, воспитание, образование) - это исторически определенный уровень развития общества, выраженный в формах организации жизни и деятельности людей, и создаваемых ими материальных и духовных ценностях.
Исторически сложились два основных типа культуры: естественнонаучная и гуманитарная. К гуманитарной культуре относятся: средства бытия человека и общества, социальные отношения, система эстетических и духовных ценностей. Естественнонаучная культура включает комплекс знаний человека о природе.
Специфическим компонентом культуры является наука.
Наука - это часть культуры, представляющая собой совокупность объективных знаний о бытии.







1.2. Структура и функции науки
 
Понятие бытия включает в себя природу, человека и общество. В зависимости от этих трех сфер бытия выделяются три основных направления научного знания: естествознание, человекознание и обществознание.
Естествознание - это совокупность наук о природе, рассматриваемых как единое целое. Естествознание включает всю совокупность научных знаний о неживой и живой природе. Каждая естественная наука изучает определенную форму движения материи: физика - механическую и физическую, химия - химическую, биология - биологическую. В настоящее время спектр научных исследований в естествознании необыкновенно широк. В систему естественных наук, помимо физики, химии, биологии включены география, геология, астрономия и даже науки, стоящие на границе между естественными и гуманитарными науками, например, психология.
Человекознание представляет собой многоаспектный цикл наук о человеке, его мышлении, деятельности. Оно включает психологию, гуманитарные науки.
Обществознание изучает социальную форму движения материи. К нему относятся социология, экономика, право.
Граница между этими сферами носит условный характер. Ряд отраслей наук не вписывается в эту классификацию. Так, математика - наука о количественных отношениях действительности является междисциплинарной наукой. Ее результаты используются как в естественных, так и общественных науках. В особую группу выделяется науковедение - наука о сущности, критериях, закономерностях существования и развития науки.
Выделяются следующие функции науки:
1.      описательная - выявление существенных свойств и отношений действительности;
2.      систематизирующая - встраивание объективных знаний в систему;
3.      объяснительная - объяснение сущности изучаемого явления, причин его возникновения и развития;
4.      производственно-практическая - возможность применения полученных знаний на практике;
5.      прогностическая - возможность научного предвидения явлений в будущем;
6.      мировоззренческая - внесение полученных знаний в существующую картину мира.
 
Однако, за всю историю своего развития человечество накопило огромный объем знаний различного характера. В связи с этим весьма актуален вопрос о критериях научности знания.
 






1.3. Критерии науки
 
Выделяют 6 критериев научности знаний:
1.      системность знания - научные знания всегда имеют систематический, упорядоченный характер;
2.      целевой - всякая научное знание является результатом поставленной научной цели;
3.      деятельностный - научное знание всегда выступает итогом деятельности ученых по реализации поставленной научной цели;
4.      рационалистический - научное знание всегда основывается на разуме (в традициях Востока утвердился приоритет интуиции как сверхчувственного восприятия действительности);
5.      экспериментальный - научные знания должны быть подтверждены экспериментально;
6.      математический - к научным данным должен быть применим математический аппарат.
 
Знания, накопленные людьми, имеют три уровня: обыденный, эмпирический (опытный) и теоретический (уровень научного знания). Результатом научной деятельности являются научные знания, которые в зависимости от содержания и применения подразделяются на:
1.      фактологические - представляют собой набор систематизированных фактов объективной действительности;
2.      теоретические (фундаментальные) - теории, объясняющие процессы происходящие в объективной действительности;
3.      технико-прикладные (технологии) - знания о практическом применении полученных знаний;
4.      практически прикладные (праксеологические) - знания об экономическом эффекте, получаемом в результате применения научных достижений.
 
Формами научного знания являются: научные понятия, программы, типологии, классификации, гипотезы, теории.
Решение любой научной проблемы включает выдвижение различных догадок, предположений. Научное предположение, выдвигаемое для устранения ситуации неопределенности, называется гипотезой. Это не достоверное, а вероятное знание. Истинность или ложность такого знания нуждается в проверке. Процесс установления истинности гипотезы называется верификацией. Гипотеза, подтвержденная экспериментально, называется теорией.
 






1.4. Научная теория и ее структура
 
Основной формой научного знания являются научные теории. Теория выступает как наиболее сложная и развитая форма научного знания. Генетически ей предшествуют другие формы, такие, как программы, типологии, классификации, составляющие базу для ее формирования. Поэтому теории возникают на базе таких программ или парадигм. Эти программы в свою очередь, функционируют как в рамках всего культурно-исторического целого, так и в разных типах культур.
Поскольку культура общества не является однородной в рамках одного культурно-исторического целого может быть сформулировано несколько научных программ. В свою очередь, одна научная программа порождает, как правило, несколько научных теорий.
Приступая к описанию структуры научной теории, необходимо отметить, что его можно давать как с содержательной так и с формальной стороны.
С содержательной стороны теория состоит из эмпирического базиса, тo есть совокупности зафиксированных в данной области знания фактов установленных в ходе экспериментов и требующих своего теоретического обобщения, логического аппарата теории, то есть множества допустимых в рамках теории правил логического вывода и доказательства, с помощью которых делаются выводы из эмпирических фактов, собственно теории, то есть совокупности выведенных в теории утверждений с их доказательствами.
Однако более интересен анализ теории с формальной точки зрения. В этом случае теория предстает перед нами в виде множества допущений, постулатов, аксиом, общих законов, в совокупности описывающих объект теории. Они часто определяются через термины других теории, обычного естественного языка, либо вводятся в теорию в виде аксиом, предложений не требующих доказательств.
Можно выделить собственные основания теории это исходные термины и предложения теории, которые логически (с помощью правил и законов логики) обусловливают остальные ее термины и предложения. Собственные основания принадлежат самой теории, находятся внутри нее.
Также есть вспомогательные основания теории то, что служит для построения, обоснования теории, решения ее прикладных и теоретических проблем. Среди них выделяются несколько групп.
1.                       Семиотические основания - правила построения языка теории и теории в этом языке. Часть научных теории использует естественный язык (то есть язык, на котором мы говорим), вводя некоторые ограничения (например, запрещение многозначности терминов). Но многие теории требуют формализованных языков (например, многочисленные языки компьютерного программирования), построенных по специальным правилам, удобным для данной теории.
2.                       Методологические основания - методы которыми пользуется данная наука. Они могут привлекаться из других теории наук, философии.
3.                       Логические основания - те правила и законы логики, по которым из исходных терминов и предложении теории получаются производные при сохранении определенного изначального семиотического значения предложении. Это средства логической систематизации теории, приведения ее терминов и предложении в логическую систему. Современные теории используют не только общеизвестную классическую (аристотелевскую) логику, но и многочисленные неклассические логики, многие из которых создаются специально, с учетом запросов конкретной теории
4.                       Прототеоретические основания - те теории, которые используются в качестве основании данной теории. Например, для физики это математика для философии естествознания все частные естественные науки и т. д.
5.                       Философские основания - категории и принципы философии, используемые для построения, обоснования теории и решения ее проблем. Примерами философских проблем научных теорий являются: отношение теории к действительности, методы и критерии оценки истинности теории, введение и исключение абстракций, анализ содержания и формы теории.
 
В качестве философских оснований науки использовались различные философские концепции. Философские основания должны быть адекватны данной науке, то есть должны способствовать обновлению, развитию, практическому применению и решению основных проблем данной науки. Например, известно, что становлению геометрии Лобачевского, то есть становлению новых для своего времени собственных оснований геометрии (новой системы аксиом, допускающей пересечение параллельных прямых), существенно препятствовали метафизические философские основания математики, господствовавшие в науке того времени. Ведь никаких аргументов логического или методологического характера против геометрии Лобачевского не было. Ее противники выдвигали аргументы чисто гносеологического характера, их не устраивал способ решения Лобачевским проблем истинности.
Исследуя вопрос о сущности и происхождении научных теорий, необходимо обратить внимание на их классификацию. Ученые-науковеды обычно выделяют три типа научных теорий.
К первому типу теорий относятся описательные (эмпирические) теории - эволюционная теория Ч. Дарвина, физиологическая теория И. Павлова, различные современные психологические теории, традиционные лингвистические теории и т.п. На основании многочисленных опытных (эмпирических) данных эти теории описывают определенную группу объектов и явлений. На основе этих эмпирических данных формулируются общие законы, которые становятся базой теории.
Теории этого типа формулируются в обычных естественных языках с привлечением лишь специальной терминологии соответствующей области знания. Описательные теории носят по преимуществу качественный характер.
Второй тип научных теорий составляют математизированные научные теории, использующие аппарат и модели математики. В математической модели конструируется особый идеальный объект, замещающий и представляющий некоторый реальный объект. К этому типу теорий относятся логические теории, теории из области теоретической физики. Обычно эти теории основаны на аксиоматическом методе - наличии ряда базовых аксиом (принципов, принимаемых без доказательств), из которых выводятся все остальные положения теории. Часто к исходным аксиомам, которые отвечают признакам очевидности, непротиворечивости, добавляется какая-то гипотеза, возведенная в ранг аксиомы. Такая теория должна быть обязательно проверена на практике.
Третий тип - дедуктивные теоретические системы. Первой дедуктивной теорией явились «Начала» Евклида, построенные с помощью аксиоматического метода. Исходная теоретическая основа таких теорий формулируется в их начале, а затем в теорию включаются лишь те утверждения, которые могут быть получены логически из этой основы. Все логические средства, используемые в этих теориях, строго фиксируются, и доказательства теории строятся в соответствии с этими средствами. Дедуктивные теории строятся обычно в особых формальных языках. Такие теории вместе с тем остро ставят проблему интерпретации, которая является условием превращения формального языка в знание в собственном смысле слова.
Содержание и особенности каждого типа научной теории убеждают в том, что возникновение научных теорий неразрывно связано с процессами идеализации и абстрагирования, которые, в свою очередь, порождают научные термины - понятия.
Понятие - это отражение предметов и явлений со стороны их существенных свойств и отношений, форма мышления, которая обобщает и выделяет предметы по их общим признакам. Это означает, что предмет или явление исследуются только со стороны тех свойств и отношений, которые интересуют нас в этой теории, и отвлекаемся от всех прочих, неважных для данной теории. Таким образом происходит процесс огрубления действительности. Именно так получаются научные понятия и термины.
Их можно разделить на две группы: эмпирические и теоретические понятия. Абсолютной границы между ними нет. Обычно к эмпирическим понятиям относятся те, что связаны с явлениями и предметами реальной действительности, с данными чувственного опыта. В качестве существенных черт этими понятиями выделяются те, которые могут быть обнаружены при помощи органов чувств. Теоретические понятия также относятся к предметам и явлениям объективного мира, но в качестве существенных черт выступают ненаблюдаемые свойства, часто гипотетические. Например, понятие «температура» мы можем определить эмпирически и теоретически. На эмпирическом уровне это делается посредством термометра. Но можно ввести это понятие и теоретически как величину, пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.
Научные понятия формируются как результат двух процедур: абстрагирования и идеализации. Абстрагирование представляет собой мысленное отвлечение от всех свойств, связей и отношений изучаемого объекта, которые представляются несущественными для данной теории. В результате мы получаем абстрактный объект, который хотя и имеет аналог в действительности, но является по сравнению с ним очень обедненным. Результат процесса абстрагирования называется абстракцией. Именно так получаются такие абстракции, как точка, прямая, множество и т.д.
Идеализация представляет собой операцию мысленного выделения какого-то одного, важного для данной теории свойства или отношения. В результате возникает некий объект, обладающий только этим свойством или отношением. Необходимость идеализации обусловлена стремлением исключить из рассмотрения различного рода побочные факторы, представить исследуемые процессы в чистом виде. Так возникают понятия «абсолютно черное тело», «абсолютно упругая жидкость», «сплошная среда», «идеальный газ» и т.п. Вполне очевидно, что в действительности таких объектов не существует. Следует помнить, что для создания идеального объекта совсем не обязательно использовать какие-то реальные свойства и отношения, они могут быть и гипотетическими. Именно так было введено понятие атома как бесконечно малой бесструктурной единицы вещества.
Задача науки - выявление общих законов, которые выражают повторяющиеся в различных предметах и явлениях существенные свойства и отношения. Но, чтобы выделить существенные свойства и отношения, нужно уметь отвлекаться от несущественных, то есть создавать научные абстракции. Без их введения невозможна научная деятельность. Когда же мы начинаем применять созданную теорию на практике, мы должны вернуться вновь к предметам и явлениям действительности во всей совокупности их свойств и отношений. А это есть проблема исключения научных абстракций. Поэтому важно правильно вводить и исключать научные абстракции.





1.5. Методы науки
 
Метод - это совокупность приемов и операций практического и теоретического познания действительности.
Методы естествознания неотделимы друг от друга и находятся в тесном единстве и взаимосвязи. Все научные методы можно условно разделить на две группы: общие и особенные. Общие методы позволяют связывать воедино все стороны процесса познания. К ним относят метод восхождения от абстрактного к конкретному, единство логического и исторического. Особенные методы касаются только одной стороны изучаемого предмета. Это наблюдение, эксперимент, анализ, синтез, индукция, дедукция, измерение, сравнение.
1.   Наблюдение - целенаправленный процесс восприятия предметов действительности.
2.   Эксперимент - метод исследования, при котором явления действительности исследуются в контролируемых и управляемых условиях
3.   Аналогия - метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного при рассмотрении какого-то одного объекта на другой, менее изученный, в данный момент изучаемый.
4.   Моделирование - научный метод, основанный на изучении объектов посредством их моделей. Применяется в случаях, когда изучаемый объект или явление оказываются недоступными для изучения. В науке используются следующие типы моделирования:

·        предметное моделирование - исследование ведется на модели, воспроизводящей определенные геометрические, физические, динамические или функциональные характеристики объекта-оригинала.

·        знаковое моделирование - в качестве моделей выступают схемы, чертежи, формулы. Важным видом такого моделирования является математическое моделирование.

·        мыслительное моделирование - при этом типе вместо знаковых моделей используются мыслительно-наглядные представления этих операций. В последнее время в науке получил большое распространение модельный эксперимент с использованием компьютеров. В этом случае в качестве модели выступает программа функционирования изучаемого объекта.
5.   Анализ - метод научного познания, в основу которого положена процедура мыслительного или реального расчленения предмета на составляющие части. Анализ обычно является начальной стадией любого исследования.
6.   Синтез - метод научного исследования, основанный на соединении различных элементов предмета в единое целое, в систему. Синтез выступает не как метод конструирования целого, а как метод представления целого в форме единства знаний, полученных при анализе. При синтезе происходит не просто объединение, а обобщение аналитически выделенных и изученных особенностей объекта.
7.   Индукция - метод научного познания, представляющий собой формулирование логического умозаключения путем обобщения данных наблюдения и эксперимента (от частного к общему). Различают:

·        полную индукцию, при которой строится общий вывод на основании изучения всех предметов или явлений; при этом полученное умозаключение имеет характер достоверного вывода.

·        неполную индукцию - при этом общий вывод строится на основании наблюдения ограниченного числа фактов. Добытая таким путем истина неполна и получается вероятностное знание, требующее дополнительного подтверждения.
8.   Дедукция - метод научного исследования, который заключается в переходе от некоторых общих посылок к частным результатам (следствиям). Метод дедукции не позволяет получить содержательно нового знания, но дает возможность логически развернуть систему положений на базе исходного знания. Применяется как способ выявления конкретного содержания общих посылок.
9.   Частные методы - это специальные методы, применяемые в пределах отдельных отраслей наук. Возможно применение частных методов в смежных науках, например, методов физики в химии, биологии и т. д.
 
Весь, окружающий нас мир, материален. Материя - это объективная реальность, существующая независимо от человека и его представлений о ней.
Одним из основных свойств материи является ее неисчерпаемость. Неисчерпаемость материи предполагает ограниченную применимость любых законов, схем, моделей. Практически любой закон имеет границы применения. Некоторые законы, теории существуют для «идеальных» систем, например, идеальный газ, идеальный проводник и т. д. Неисчерпаемость материи предполагает ее бесконечность. Различают:

·        Экстенсивную бесконечность (бесконечность вширь) - бесконечность Вселенной;

·        Интенсивную бесконечность (бесконечность вглубь) - бесконечность микромира. Современная физика элементарных частиц утверждает, что в природе нет абсолютно элементарных объектов.
 
Изучение материи предполагает системный подход.
 







1.6. Системный подход
 
Система - это внутренне организованная целостность, в которой все элементы настолько тесно связаны друг с другом, что выступают как нечто единое.
Система состоит из элементов. Элемент системы – это минимальная единица в составе целого, выполняющая в нем определенную функцию. Системы могут быть простыми и сложными.
Сложной считается такая система, элементы которой сами рассматриваются как системы. Системами являются и живые организмы, и компьютеры, и общественные структуры, и научные теории, и Вселенная, и атом.
В неживой природе множество объектов будет целостной системой только в том случае, если энергия связи между ними больше их суммарной кинетической энергии совместно с энергией, направленных на разрушение системы. В противном случае система не возникнет или распадется. Стабильность и целостность систем косвенно обусловлена действием закона сохранения энергии. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.
Но не всякая совокупность явлений представляет собой систему. Характер связи, существующий между элементами системы, определяется понятием структуры.
Под структурой материи понимается совокупность связей элементов в системе, определяющая качественную специфику системы. Из всего многообразия форм объективной реальности (материи) эмпирически доступной для наблюдения является область материального мира от 10-15 см до 1028 см (около 20 млрд. световых лет). В этих доступных для человека масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации в виде множества взаимосвязанных систем: Метагалактика, отдельная галактика, звездная система, планета, отдельные тела, молекулы, атомы, элементарные частицы.
Ни один элемент системы не может измениться без того, чтобы вся система не претерпела того или иного изменения. Структура любой системы опирается на коррелятивные связи. Гармонические, согласованные коррелятивные действия элементов – необходимое условие существования системы. Закон коррелятивной изменчивости органов в процессе биологической эволюции установил Ч. Дарвин. Принцип корреляции был использован отечественным антропологом М. М. Герасимовым в работах по реконструкции черт лица по черепу. В настоящее время коррелятивная методика используется практически во всех гуманитарных и естественных науках.
Становление структуры во времени подчиняется определенным периодическим или циклическим закономерностям, которые носят название ритмичности процесса развития. Ритмы пронизывают все существование материи. Ритмичны геологические процессы (горообразование, опускание и поднятие суши, сухой и влажный климат и т. д.). Ритмичны и биологические процессы (биоритмы), информационные процессы, где без соблюдения ритмических законов нарушается сама возможность передачи информации. На ритмической основе существует музыка.
Общность ритмов различных процессов свидетельствует об общности самих этих процессов. Изменение ритма процесса говорит о смене качества функционирующей системы. Например, изменение в частотах электромагнитных излучений, идущих от различных органов человека, говорит о заболевании этих органов.
Ритмы, в зависимости от частоты подразделяются на:
1.      мегаритмы (многолетние);
2.      мезоритмы (окологодичные, длительность в несколько дней);
3.      циркадные (околосуточные)
4.      микроритмы (минутные).
 
Основными формами материи являются вещество и поле.
Вещество - это различные частицы и тела, имеющие массу покоя.
Поле - это специфическая форма распределения материи в пространстве и времени. Поля и их кванты не имеют массы покоя, хотя обладают энергией и импульсом. Вещества и поля тесно взаимосвязаны между собой. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет заполнено полями, а на долю частиц приходится ничтожная часть общего объема системы (10-36-10-40 объема). Таким образом, поля входят в структуру вещества. Это доказывает единство непрерывности (континуальности) и прерывистости (дискретности) материи.
Частицы обладают относительной дискретностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они ведут себя дискретно, в виде квантов. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы неотделимы от полей, и не существует резкой границы, где кончается частица и начинается ее внешнее поле.
Единство непрерывного и прерывистого в структуре материи проявляется в единстве корпускулярных и волновых свойств всех частиц вещества. Обладая относительной дискретностью, объекты микромира при взаимодействиях и движении могут проявлять волновые свойства: способность к дифракции, интерференции, характеризуются длиной волны ((), обратно пропорциональной их массе (m) и скорости (v).
 

 
где h - постоянная Планка (вторая скорость света в вакууме);
 
Это соотношение устанавливает взаимосвязь корпускулярного параметра частицы (массы) с волновым (длина волны).
Поле и вещество обладают определенными физическими параметрами. Движущееся поле (волна) описывается длиной волны, фазой, амплитудой и их изменениями в пространстве и времени. Частицы характеризуются массой покоя, зарядом, временем жизни, квантовыми числами, спином (моментом количества движения).
Вещество может находиться в четырех состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном (сильно ионизированного газа). Разновидностями плазмы являются: пламя, взрыв, электрические заряды (искровой, тлеющий, дуговой, коронный, шаровой).
Поля бывают: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое (связывают частицы в ядрах атомов). В настоящее время ряд ученых признает существование биополя, но пока его реальность недостаточно подтверждена экспериментально.
Способом существования материи является движение.
Движение - это всякое изменение вообще, а именно в пространстве и времени. Материя и движение сущностно едины, их нельзя разделить. Это доказывает формула Эйнштейна:
 

 
где Е - энергия (характеристика движения);
m - масса;
c - скорость света.
 
Выделяют пять форм движения материи, расположенных иерархически: механическое (прямолинейное равномерное, ускоренное движение, взаимодействие и т. д.), физическое (броуновское движение, электрический ток, движение элементарных частиц, ядерные реакции), химическое (движение атомов, ионов, радикалов в химических реакциях), биологическое (питание, дыхание, выделение, размножение, т. е. основные физиологические процессы) и социальное (миграции, экономика, политика, войны, революции и т.д.).
 






1.7. Самоорганизация материи
 
Идея самоорганизации материи утвердилась в научном мировоззрении во второй половине ХХ века в связи с заменой стационарной модели Вселенной развивающейся моделью. Стационарная модель Вселенной считала господствующей тенденцию материи к разрушению случайно возникшей упорядоченности и возвращению ее к исходному хаосу. Прежние представления базировались на основе статистической механики и равновесной термодинамики, которые описывают поведение изолированных систем, не обменивающихся ни веществом, ни энергией с окружающей средой. Вселенная тоже рассматривалась как замкнутая система.
Сегодня наука считает все известные системы, от самых малых, до самых больших, открытыми, т. е. обменивающимися веществом, энергией, информацией и находящимися в термодинамически неравновесном состоянии. На этой основе возникло представление о самоорганизации материи.
Самоорганизация - это природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую критического состояния в своем развитии, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.
Критическое состояние - это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного эволюционного развития.
Сложные объекты обладают новыми качествами, которых лишены исходные простые элементы, составляющие их. Процесс объединения простых элементов в более сложные системы протекает лишь при определенных условиях, при которых наступает критический момент. Существуют пороговые значения управляющих параметров (температура, плотность, давление и т. д.), называемые критическими значениями, которые отделяют область возможного образования от области, где этот процесс невозможен.
Наиболее высоким уровнем упорядоченности обладает жизнь и порожденный ею разум. Тем не менее, сравнительно недавно установлено, что самоорганизация присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Все самоорганизующиеся системы различных уровней имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным системам. Разработка теории самоорганизации началась в последние годы по нескольким направлениям:

·        синергетика (Г. Хакен);

·        термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожин);

·        теория катастроф (Р. Том).
 
Синергетика - наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок. Возникшие сложные упорядоченные системы попадают под действие конкуренции и отбора. Как утверждает Хакен, это приводит в определенном смысле к обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир.
Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять следующим требованиям:
1.      система должна быть открытой, т. е. обмениваться веществом и энергией с окружающей средой;
2.      система должна быть достаточно далеко от точки термодинамического равновесия, т. е. в состоянии, близком к потере устойчивости;
3.      обладать достаточным количеством элементов, взаимодействующих между собой;
4.      иметь положительную обратную связь, при котором изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению нового порядка и структуры;
5.      сопровождаться нарушением симметрии, т. к. изменения приводят к разрушению старых и образованию новых структур;
6.      скачкообразно выходить из критического состояния при переходе на более высокий уровень упорядоченности. Скачок - это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы вызывают очень сильные изменения ее состояния и переход в новое качество.
 
Примеры синергетики существуют во всех естественных науках:

·        лазер, создающий высокоорганизованное оптическое излучение;

·        эффект Бенара - при нагревании силиконового масла на его поверхности возникает динамическая упорядоченная структура, напоминающая кристалл в виде сеточки с ячейками гексагональной формы.


·        реакция Белоусова-Жаботинского - это автоколебательные процессы при окислении-восстановлении солей церия: Се3+ ( Се4+. На стадии окисления жидкость становится красной, при восстановлении - синей. Окраска раствора постоянно периодически изменяется.

·        в биологии к числу синергетических явлений относятся мышечные сокращения, электрические колебания в коре головного мозга и т. д.
 
Неравновесная термодинамика И. Пригожина рассматривает неравновесность открытых систем как причину порядка. Чтобы система могла не только поддерживать, но и создавать порядок из хаоса, она обязательно должна быть открытой и иметь приток вещества и энергии извне. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными. Весь мир, доступный человеку, состоит именно из таких систем. Поэтому в окружающем мире повсюду обнаруживается эволюция, разнообразие форм, неустойчивость.
В ходе эволюционного этапа развития диссипативная система теряет устойчивость и приходит в состояние сильной неравновесности. Это происходит при критических значениях управляющих параметров.
Разрешением кризисной ситуации является быстрый переход диссипативной системы в одно из возможных устойчивых состояний, качественно отличающихся от исходного. Это и есть акт самоорганизации системы. В состоянии перехода из одного состояния в другое, элементы системы ведут себя взаимосвязано, хотя до этого пребывали в хаотическом движении.
Переход диссипативной системы из критического состояния в устойчивое неоднозначен. Сложные неравновесные системы имеют возможность перейти из неустойчивого в одно из нескольких устойчивых состояний. Выбор системой варианта устойчивого состояния носит случайный характер. Этот переход носит скачкообразный, одноразовый и необратимый характер. Критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние, называется точкой бифуркации.
Таким образом, самоорганизация позволяет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем и природы в целом. В их развитии выделяются две фазы:
1)      плавная эволюция, ход которой закономерен и предопределен;
2)      скачки в точках бифуркации, протекающие случайно и поэтому случайно определяющие последующий эволюционный этап до новой критической точки.
 
Самоорганизация не подчиняется статистическим законам, время в ней носит необратимый характер, позволяя говорить о «стреле времени» - невозможности поворота скачка вспять.
Проблемами самоорганизации также занимается теория катастроф. Катастрофы - это скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Эта теория исследует все скачкообразные переходы, разрывы, внезапные качественные изменения.
 





2.1. Модели развития науки
 
Общий ход развития науки, в том числе и естествознания включает три основные ступени познания природы и мира в целом:

·         Непосредственное созерцание природы как нерасчлененного целого (греческая натурфилософия);

·         Анализ природы, расчленение ее на части (характерно для позднего средневековья и начало Нового времени);

·         Воссоздание целостной картины на основе познанных частностей, соединение анализа с синтезом (характерно для зрелого периода развития науки).
 
В настоящее время выделяются три основные модели развития науки:
1.       Эволюционная (кумулятивная), т. е. развитие науки как непрерывный, поступательный, прогрессивный процесс;
2.       Революционная - развитие науки через научные революции.
3.       Кейс стадис - ситуационные исследования.
 
Долгое время в развитии науки преобладала эволюционная модель, основанная на накоплении знаний, но в середине XIX в. в науке начинают формироваться новые теории, принципиально отличающиеся от предшествующих. Т. Кун пересмотрел понятие сущности науки и предложил рассматривать науку не как простое приращение знаний, а как комплекс знаний, соответствующей эпохи. Т. Кун ввел понятие «парадигмы» как основополагающей идеи, на которой базируются все основные научные концепции. Переход от одной парадигмы к другой идет через революцию, т. е. научная революция - это смена парадигмы.
Революция в науке - явление многогранное, но в каждой научной революции можно выделить три основные черты:

·         Существование необходимости теоретического обобщения нового эмпирического материала;

·         Наличие коренной ломки традиционных господствующих представлений о природе;

·         Возникновение в науке кризисных ситуаций.

·         В историческом развитии научного познания можно выделить несколько типов научных революций:
1.        Частная (микрореволюция) - затрагивает одну отрасль знания;
2.        Комплексная - революция, затрагивающая ряд областей знаний;
3.        Глобальная - это революция, изменяющая основания науки.
 
1-я глобальная научная революция произошла в XVI-XVII вв. В это время произошел революционный скачок в науках, изучающих механическую форму движения материи, что привело к становлению классического естествознания.
В середине XIX в. в естествознании произошло несколько комплексных революций: открытие закона сохранения и превращения энергии, периодического закона Д. И. Менделеева, создание клеточной теории, эволюционного учения Ч. Дарвина.
2-я глобальная научная революция произошла в начале ХХ века и связана с пересмотром научных представлений о пространстве и времени на основе теории относительности и квантовой механики.
В настоящее время можно говорить о третьей глобальной научной революции, в ходе которой рождается новая постнеклассическая наука.
Кейс стадис - это относительно новое направление в развитии науки, разрабатываемое с 70-х годов нашего столетия. Используется большей частью в гуманитарных науках. Применительно к истории - это изучение наиболее значимых событий несколько изолированно, а не как этап, ведущий к современному состоянию. Кейс стадис допускает одновременное существование разных теорий и даже парадигм.
 






2.2. Возникновение науки
 
По вопросу о происхождении науки существуют две противоположные точки зрения. Сторонники первой точки зрения считают научным всякое обобщенное знание и утверждают, что наука возникла в период, когда человек стал делать первые орудия труда. Другая крайняя точка зрения относит происхождение науки к довольно позднему периоду (XV-XVIII вв.), когда появилось экспериментальное естествознание. Современное науковедение не дает однозначного ответа на этот вопрос, т. к. из разного понимания сущности науки вытекают различные даты ее возникновения:
1.       если считать науку формой общественного сознания, то наука возникла в Древней Греции;
2.       если понимать науку как всякое обобщенное знание и деятельность по производству этих знаний, то наука возникла в начале становления человеческой культуры;
3.       если считать науку социальным институтом, то возникновение науки относится к Новому времени;
4.       как система подготовки научных кадров наука возникла с середины XIX века;
5.       как производительная сила наука возникла со второй половины ХХ века.
 
Различное время рождения имеют и конкретные науки. Так, математика возникла в период Античности, естествознание - в Новое время, общественные науки - в XIX веке. Для решения этого вопроса необходимо выделить критерии науки:

·         наличие социального запроса на научные знания;

·         выделение особой группы людей, занимающихся наукой;

·         возможность накопления научных знаний (на основе письменности)

·         разработка познавательных приемов (сравнение, доказательство, анализ).
 
Совокупность таких условий складывается в Древней Греции в VII - VI вв. до н. э. Возникновению науки в Античный период предшествовал этап развития человеческой культуры и цивилизации на Древнем Востоке.
В самых древних восточных цивилизациях - Египетской и Шумерской существовал механизм хранения и передачи знаний. Эти цивилизации вырабатывали конкретные знания в области математики, астрономии и передавали их по принципу наследственного профессионализма, т. е. от старшего к младшему в касте жрецов. Передача знаний осуществлялась через профессионально-именной способ трансляции знаний - от жреца к посвященному. Процесс обучения сводился к пассивному усвоению готовых рецептов.
Этому предшествовал на ранних этапах человеческой истории личностно-именной тип передачи знаний, при котором необходимые знания передавались через обряды, посвящения.
Универсально-понятийный тип передачи знаний, характерный для современной науки, не регламентирует субъекта познания.
В древнеегипетской цивилизации, просуществовавшей около 4000 лет, происходило медленное, стихийное накопление знаний. Более динамично развивалась вавилонская цивилизация. Вавилонские жрецы настойчиво исследовали звездное небо и добились в этом больших успехов. Они создали астрономию как практическую деятельность.
Практический характер имели знания в Индии и Китае. Многие из них имели иррациональный характер, т. е. были добыты на основе интуиции, озарения и медитации. Таким образом, знания, накопленные у древневосточных цивилизаций, имели следующие общие черты:

·         стихийность;

·         несистематизированность;

·         недоказательный характер знания;

·         отсутствие критической позиции по отношению к знанию;

·         невозможность коррекции знания;

·         отсутствие теоретичности и фундаментальности;

·         иррациональность;

·         рецептурный характер (многие знания были простым набором алгоритмов и правил для решения задач).
 
Из этого можно заключить, что в древневосточных цивилизациях не существовало науки, но были подготовлены предпосылки для появления науки и существовали отдельные ее компоненты.






2.3. Античная наука
 
Появление науки произошло в Древней Греции в VII-VI вв. До н. э. Этому способствовал ряд предпосылок, сложившихся в этом государстве:
1.       у греков отсутствовала каста жрецов, и поэтому научные знания были доступны любому свободному гражданину, имеющему к ним интерес;
2.       демократическая форма правления в государстве, что гарантировало гражданские права и необходимость их отстаивания с помощью риторики, основанной на аргументации и убеждении оппонента.
 
Это способствовало развитию логического, рационального стиля мышления, необходимого для науки.
Процесс становления древнегреческой науки шел через отделение мифа от логоса, т. е. научного элемента от фантастического. Миф - это бинарное образование, сочетающее реальный и фантастический элементы. Для мифа характерно мышление противоположностями, например, жизнь - смерть, белое - черное, мужское - женское, разум - интуиция и т. д. Мифологическое мышление обладает не менее стройной логикой, чем наука. Отделение мифа от логоса произошло постепенно, через разделение фантастического и реального, а также замену духовно-личностного отношения к действительности объективным.
Греческая наука стала деятельностью по получению новых знаний. Ее цель можно определить как получение истины из интереса к ней. Греческая наука системна и рациональна.
Вместе с тем, у греков было пренебрежение к физическому труду, что привело к отсутствию эксперимента, невозможности использования ее достижений в производстве и для потребностей практики. Это определило в целом умозрительный характер греческой науки и оторванность ее от жизни.
В Древней Греции возникли первые научные программы:
Математическая программа Пифагора. В ее основе лежит представление о том, Что Космос - это упорядоченное выражение целого ряда сущностей, которые можно постигать различными путями. Пифагор нашел эти сущности в числах и представил их в качестве первоосновы мира. Причем цифры не являются кирпичиками мира, а отражают количественные отношения действительности: движение небесных тел, пропорции тела человека и др.
Следующий шаг в формировании этой программы сделали софисты и элеаты, разработавшие теорию доказательств. Согласно этой теории, ум человека - не просто пассивно отражает природу, но и накладывает свой отпечаток на мир, активно формируя его картину.
Свое завершение математическая программа получила в философии Платона, который разделил все бытие на две половины - мир вещей и мир идей. Мир идей имеет упорядоченную иерархическую структуру, а мир вещей как бы подражает ему. Творцом всего мира является Бог, созидающий его на основе математических закономерностей, которые и пытался вычленить Платон.
Атомизм - вторая важнейшая программа античности, оказавшая огромное влияние на все последующее развитие науки. Основателями этой научной программы являются Левкипп и Демокрит. Согласно данной теории, в основе мироздания лежат неделимые частицы-атомы и пустота. Ничто не возникает из несуществующего и не исчезает в небытие. Возникновение вещей есть соединение атомов, уничтожение - распад атомов. Причиной возникновения является вихрь, собирающий атомы вместе. В основе данного объяснения лежит механистическая причина - движение атомов. Атомизм оказал значительное влияние на физику Нового времени, основанную на механистическом подходе.
Программа Аристотеля стала третьей научной программой античности. Пытаясь найти третий путь, возражая Демокриту и Платону с Пифагором, Аристотель выделяет четыре причины бытия: формальную, материальную, действующую и целевую. В его «Метафизике» мир выступает как целостное, естественно возникшее образование, заключающее причины в себе самом. Это образование предстает перед человеком в виде двойственного мира, имеющего неизменную основу, проявляющуюся через изменяющуюся видимую сторону. Предметом науки, по Аристотелю, должно стать изучение неизменной, но познаваемой сущности мира.
Эти три основные научные программы античности заложили основы естествознания и науки вообще. В греческой науке воплотились такие свойства, как объективность, идеальное моделирование действительности, поиск первоосновы, что позволяет констатировать появление науки как особого типа отношения к реальности.
 





2.4. Средневековая наука
 
Средневековая наука не предложила новых фундаментальных научных программ. Ее значение состояло в том, что был предложен ряд новых обобщений, уточнений, понятий и методов исследования, которые подготовили основу механики Нового времени.
Основными чертами средневековой науки являются:
1.       Рациональность - постижение явлений на основе разума и чувственного опыта.
2.       Телеологизм - толкование любых проблем с точки зрения Священного писания. Считалось, что природа создана Богом для блага человека, а явления природы являются промыслом божьим, непостижимым для человека. В целом толкование явлений действительности сводилось к констатации проявления божественного промысла.
3.       Иерархичность - идея приближенности или отдаленности от Бога. В соответствии с этим подходом, природа не обладает самостоятельностью, это часть иерархии, во главе которой стоит Бог, за ним идет человек, затем находится живая природа, а за ней неживая. Каждая вещь рассматривалась как зеркало - гладкое или менее гладкое - отражающее свет Божий.
4.       Отсутствие оформленных научных понятий явилось следствием утраты наукой в раннем средневековье (до XIII-XIV вв.) своих теоретических позиций. Все научные достижения рассматривались с точки зрения практической пользы.
5.       Экспериментальность - логически вытекает из утверждения церкви о том, что мир создан для человека, который является его господином и имеет право его переделывать.
6.       Моральный символизм - характерная черта средневекового знания. Интерес к явлениям природы ведет не к научным обобщениям, а делает их символами церкви, например, Луна - это образ Церкви, отражающая божественный свет; ветер - символ Духа и т. д.
7.       Универсализм - стремление к охвату мира в целом, осознание его законченного всеединства. Мир, человек и природа сотворены Богом и поэтому родственны между собой. Знания о природе познаются через познание Бога.
 
Перечисленные особенности средневекового мировоззрения отразились на процессе познания, обусловив его специфические черты:

·         Всякая деятельность человека, противоречащая догматам церкви, запрещалась. Все воззрения на природу проходили цензуру церкви и, если в них имелись расхождения с принятыми воззрениями, то объявлялись еретическими и подвергались суду инквизиции. С помощью жестоких пыток и сожжения на костре инквизиция жестоко пресекала всякое инакомыслие. Открытия законов природы, противоречащие догматам церкви, стоили многим средневековым ученым жизни. Это способствовало усилению элемента созерцательности познания и привело в конечном итоге к застою (стагнации) и даже регрессу научного познания в целом.

·         Так как средневековые мыслители искали не связи между явлениями природы, а их отношение к Богу, в иерархии вещей, то это привело к отсутствию в науке объективных законов природы, необходимых для оформления естествознания.

·         Ввиду того, что в познавательной деятельности преобладал анализ вещей, иерархически расположенных по отношению к Богу, а не анализ понятий, универсальным методом исследования служила дедукция, позволяющая делать частные выводы (следствия) от общего - Бога.
 
В целом можно констатировать откат средневековой науки назад, по сравнению с античной. Наука была объявлена «служанкой богословия», средством решения чисто прикладных задач. На фоне общего упадка науки развивались арифметика, астрономия, необходимые для вычисления дат религиозных праздников.
Ситуация в средневековой науке стала меняться к лучшему с XII века, когда в научном обиходе стало использоваться научное наследие Аристотеля. Оживление в средневековую науку внесла схоластика, использовавшая научные методы (аргументацию, доказательство) в богословие. Самыми популярными книгами средневековья были энциклопедии, отражавшие иерархический подход к объектам и явлениям природы.
Основными научными достижениями эпохи средневековья можно считать следующие:

·         Сделаны первые шаги к механистическому объяснению мира. Введены понятия: пустоты, бесконечного пространства, прямолинейного движения.

·         Были усовершенствованы и созданы новые измерительные приборы.

·         Началась математизация физики.

·         Развитие специфических в средневековье областей знания - астрологии, алхимии, магии - привело к формированию зачатков будущих экспериментальных естественных наук: астрономии, химии, физики, биологии.
 
Эпоха Возрождения сделала огромный вклад в развитие научной мысли благодаря новому пониманию человека в мире. Человек был поставлен на место Бога и стал собственным творцом и владыкой природы. В эпоху Возрождения снимается граница между наукой как средством познания и практической деятельностью.
Новые взгляды на мир и человека позволили сделать выдающиеся научные открытия, создать новые теории и подготовить базу последующей научной революции, благодаря которой сформировалось классическое естествознание. Были сделаны открытия Н. Коперника, Д. Бруно, давшие науке гелиоцентризм и идею бесконечности Вселенной. Пока это были еще догадки, требовавшие естественнонаучного и философского обоснования.
 





2.5. Научная революция XVI - XVII вв.
 
Отправной точкой первой научной революции, в результате которой появилась классическая наука и современное естествознание, стал выход книги Н. Коперника «О вращении небесных сфер» в 1543 г. Высказанные в книге гелиоцентрические идеи были лишь гипотезой и нуждались в доказательстве. Поиск аргументов в пользу этой гипотезы стал основной задачей научной революции XVI-XVII вв., которая началась с работ Г. Галилея.
Г. Галилей заложил основы новой науки и мировоззрения нового типа. Новая научная методология Галилея может быть сведена к следующим положениям:
1.       Объективность. Ученый считал, что для формулирования четких суждений в науке необходимо учитывать только объективные, т. е. поддающиеся точному измерению, свойства предметов - размер, форма, количество, масса, движение. Только с помощью количественных измерений наука может получить истинные знания о мире. Субъективные свойства - цвет, звук, вкус, осязание и др. можно оставить без внимания.
2.       Экспериментальность. Проверка истинности гипотез осуществлялась ученым эмпирически. Для этой цели Галилей изобрел и усовершенствовал множество технических приборов и экспериментальных установок: линзу, телескоп, микроскоп, воздушный термометр, барометр и др.
3.       Доказательность. Научная теория должна быть, по мысли ученого, иметь подтверждение. Галилей использовал доказательство как прием проверки истинности гипотезы.
4.       Математизация. Свою ориентацию на опыт Галилей сочетал с математическим осмыслением, которое ставил чрезвычайно высоко, считая возможным заменить математикой традиционную логику.
5.       Аналитико-синтетический подход. Галилей широко использовал в своей научной методологии анализ и синтез. При помощи аналитического метода он расчленял исследуемое явление на более простые составляющие его элементы. Проверка правильности высказанной гипотезы осуществлялась при помощи синтетического метода.
 
Особое значение для науки имели открытия Галилея в области механики. С помощью новой методологии им были опровергнуты догматические положения схоластической физики Аристотеля. Особенно важное значение имели работы Галилея о движении. Он установил, что:

·         тяжелые тела не всегда движутся вниз, а легкие вверх (например, бревно в воде);

·         тела разной массы падают с одинаковым ускорением, величина которого

·         9,8 м/с2;
 
Галилей открыл и изучил инерцию, высказал идею об относительности движения. Законы механики Галилея в комплексе с его астрономическими открытиями подвели научную базу под теорию Коперника и способствовали утверждению гелиоцентрической доктрины в науке. Но остался нерешенным вопрос о соотношении земных и небесных движений, объясняющих движение самой Земли.
Завершил первую научную революцию И. Ньютон. Заслуга Ньютона заключается в том, что он:

·         соединил механистическую философию Декарта, законы Кеплера о движении планет и законы Галилея о земном движении, сведя их в единую теорию;

 

·         доказал существование тяготения как универсальной силы, которая является причиной замкнутых орбит, по которым движутся небесные тела. Каждая частица материи во Вселенной притягивает каждую другую частичку с силой прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

·         математическим путем вывел эллиптическую форму планетных орбит;

·         объяснил, что планеты движутся и одновременно удерживаются в пределах своих орбит под действием сил инерции и гравитации;

·         разработал физический принцип дальнодействия, выражающийся в мгновенном воздействии тел друг на друга на разных расстояниях без посредников;

·         ввел в физику понятия абсолютного пространства и абсолютного времени;
 
Результатом первой научной революции явилось возникновение естествознания и становление классической науки.
 







2.6. Классическая и современная наука
 
Понятие классической науки охватывает период с XVII в. по 20-е годы ХХ в. Этот этап науки характеризуется рядом специфических особенностей:
1.       Стремление к завершенной системе знаний, фиксирующей истину в окончательном виде.
2.       Механистичность - представление мира в качестве машины, состоящей из элементов разной степени сложности. Даже живой организм понимался как механизм общемировой машины, функционирующей по законам механики.
3.       Натурализм - признание идеи самодостаточности природы, управляемой естественными, объективными законами.
4.       Метафизичность - рассмотрение природы как неизменного, неразвивающегося целого.
5.       Доминирование количественного сопоставления и оценки всех явлений над качественным.
6.       Причинно-следственный автоматизм - объяснение всех природных явлений естественными причинами.
7.       Аналитизм - доминирование в научном мышлении аналитической деятельности над синтетической.
8.       Геометризм - утверждение картины безграничного, однородного пространства, описываемого геометрией Евклида.
9.       Субстанциональность - поиск первоосновы мира.
10.   Гипотетический метод познания. Внедрение этого метода связано с именем Галилея, который предлагал вести изучение не с эмпирического, а с теоретического. Затем требовалось осуществление эксперимента, который должен был подтвердить или опровергнуть гипотезу.
 
В результате наука вытеснила религию в качестве интеллектуального авторитета, заняла ее место и стала претендовать на роль истины в последней инстанции, не оставив в мировоззрении место ни религии, ни философии.
В XIX веке наука остается в целом механистической и метафизической, но в ней начинают формироваться предпосылки второй глобальной революции. Этому предшествуют комплексные научные революции, в результате которых в естествознании утвердились идеи всеобщей связи и началось стихийное проникновение диалектических воззрений.
В этот период на первый план выдвигаются физика и химия, изучающие взаимопревращения веществ и энергии. В геологии возникает теория развития Земли Ч. Лайеля, в биологии зарождается эволюционная теория Ж.-Б. Ламарка.
Особое значение имели революции, связанные с тремя великими открытиями второй трети XIX в.:

·         клеточной теории Шлейдена и Шванна;

·         закона сохранения и превращения энергии Майера и Джоуля;

·         эволюционного учения Дарвина.
 
Затем последовали открытия, продемонстрировавшие диалектику природы еще более полно:

·         теория химического строения органических соединений А.М. Бутлерова;

·         периодический закон Д. И. Менделеева;

·         химическая термодинамика Я. Х. Вант-Гоффа;

·         основы научной физиологии И. М. Сеченова;

·         электромагнитная теория света Дж. Максвелла.
 
В результате этих научных открытий естествознание поднимается на качественно новую ступень и становится дисциплинарно организованной, систематизирующей наукой, т. е. наукой о предметах и процессах, их происхождении и развитии. В естествознании активно идет процесс дифференциации наук, т. е. дробление крупных разделов наук на более мелкие, например, выделение в физике таких разделов, как термодинамика, физика твердого тела, электричество, магнетизм и т. д.
К концу XIX в. появляются первые признаки процесса интеграции наук, который будет характерен для науки ХХ века. Это появление новых научных дисциплин на стыках наук, охватывающих междисциплинарные исследования, таких, как биохимия, геохимия, физическая химия и др.
В XIX - начале ХХ в. наука вступила в свой «золотой век». В ее важнейших областях произошли удивительные открытия, широко развернулась сеть научных институтов и академий, организованно проводящих различные исследования на основе соединения науки с техникой. Оптимизм этой эпохи был напрямую связан в верой в науку и ее способность преобразить жизнь человека.
Тем не менее естествознание оставалось в рамках классической науки, основанной на метафизике и механицизме. Это противоречие было разрешено в ходе второй глобальной научной революции.
Вторая (новейшая) революция в естествознании началась с 90-х годов XIX в. до середины ХХ века. Она началась в физике, затем проникла в другие естественные науки, изменив основания науки в целом и создав феномен современной науки.
Толчком новейшей революции в естествознании послужил ряд ошеломляющих открытий в физике:

·         электромагнитных волн Г. Герцем;

·         рентгеновских лучей В. Рентгеном;

·         радиоактивности А. Беккерелем;

·         электрона Дж. Томсоном;

·         светового давления П. Н. Лебедевым;

·         введения идеи кванта М. Планком;

·         создание теории относительности А. Эйнштейном;

·         разработка моделей атома Э. Резерфордом, а затем Н. Бором.
 
Это первый этап новейшей революции в естествознании, связанный с физикой. Он сопровождался крушением прежних представлений о материи, ее свойствах, формах движения, пространстве и времени.
Второй этап научной революции начался с середины 20-х годов ХХ в. Он связан с созданием квантовой механики в сочетании с теорией относительности. В ходе этого этапа были пересмотрены многие важнейшие постулаты науки:

·         учение об атомах как твердых и неделимых частицах было заменено моделями, которые почти целиком заполнены пустотой;

·         трехмерное пространство и одномерное время превратились в относительные проявления четырехмерного пространственно-временного континуума; время течет по-разному для тех, кто движется с разной скоростью; вблизи тяжелых предметов время замедляется, а при определенных условиях может совсем остановиться;

·         законы Евклидовой геометрии не обязательны в масштабах Вселенной; планеты движутся по эллиптическим орбитам не потому, что их притягивает Солнце, а потому, что пространство, в котором они движутся, искривлено;

·         объекты микромира имеют двойную природу и обнаруживают себя как частицы, и как волны;

·         стало невозможным одновременно вычислить местоположение частицы и измерить ее ускорение (принцип неопределенности).
 
Началом третьего этапа научной революции были:

·         овладение атомной энергией в 40-е годы нашего столетия;

·         зарождение ЭВМ и кибернетики.

·         наступление эпохи НТР, слияние науки с производством и превращение науки в производительную силу.
 
В этот период, наряду с физикой стали лидировать химия, биология и цикл наук о земле. С середины XX века наука окончательно сливается с техникой, приведя к современной научно-технической революции.
Вторая научная революция значительно изменила стиль научного мышления и привела к формированию современной науки.
Современная наука - это наука, связанная с квантово-релятивистской картиной мира. Ее основные особенности следующие:
1.       квантово-релятивистский подход;
2.       диалектичность;
3.       изучение объектов и явлений на основе теории вероятности;
4.       признание неисчерпаемости материи вглубь;
5.       антиэлементаризм, т. е. отказ от стремления выделить элементарные составляющие сложных структур;
6.       неточность и нестрогость результатов исследования и научных теорий;
7.       отказ от изоляции предмета исследования от окружающих воздействий;
8.       динамизм, обусловленный исследованиями неравновесных, нестационарных, открытых систем с обратной связью;
9.       развитие наук биосферного класса;
10.   апогей противостояния науки и религии.
 
В различные периоды истории наблюдалось различное сочетание и соподчинение науки с различными сферами человеческой деятельности. В античный период наука была частью философии и выступала в комплексе со всеми формами общественного сознания. В Средние века наука находилась под властью религии, которая значительно сдерживала ее развитие. В эпоху Возрождения наука начинает бурно развиваться, но сохраняет за философией место ведущего элемента в мировоззрении.
В XIX в. в связи с успехами естествознания, наука начала доминировать в культуре и мировоззрении. Тогда же между наукой и философией разгорелся конфликт, который продолжается до настоящего времени. Суть конфликта - борьба за право обладать истиной в последней инстанции. Такие инциденты уже были в истории, например инквизиция в Средние века.
В XIX в. наука, не осознавая своих границ, пыталась дать ответ на все вопросы бытия. Так возникла идеология сциентизма как веры в науку как единую непререкаемую истину.
Исторически идеология сциентизма прошла определенную эволюцию от идей просветительства через философию позитивизма к технократизму, порождающему психологию потребительства.
Современный сциентизм формирует следующие мировоззренческие установки:

·         рациональный расчет;

·         прагматизм (люди - средства достижения цели);

·         доминирование материальных интересов над духовными;

·         сомнение в истинности духовных ценностей.
 
Таким образом, возник парадокс научного мышления, состоящий в том, что разрушая наивно-целостное воззрение на мир, которое дает религия и философия, подвергая сомнению каждый их постулат, принимаемый на веру, наука не дает такого же целостного убедительного миропонимания.
Все конкретные истины науки охватывают достаточно узкий круг явлений, а научный скепсис породил вокруг себя мировоззренческий дефицит. Наука - это часть культуры, необходимая, но не самодостаточная ее часть.
Использование научных открытий для создания новых видов оружия, особенно атомного, заставило человечество пересмотреть свою прежнюю безоговорочную веру в науку.
Еще с середины ХХ века в адрес науки высказывались многочисленные критические оценки со стороны философов, деятелей культуры, искусства. По их мнению, техника умаляет и дегуманизирует человека, окружая его искусственными предметами, она нарушает его связь с живой природой, ввергая в унифицированный мир, где цель поглощает средства, где промышленное производство превратило человека в придаток машины, где решение всех проблем видится в дальнейших технических достижениях, а не в человеческом решении.
Непрекращающаяся гонка технического прогресса, требующая напряжения всех сил человека и все новых экономических ресурсов, выбивает человека из колеи, разрушая его природную связь с Землей. Это приводит к разрушению традиционных устоев и ценностей.
К этой гуманистической критике добавились и тревожные факты неблагоприятных последствий научных достижений: опасное загрязнение воды, воздуха, почвы, вредное воздействие на растения, животных, вымирание большого числа видов, значительные нарушения в экосистеме всей планеты.
Эти факты все отчетливее проявляются в современной науке и мировоззрении, говоря об их кризисе. Разрешить этот кризис сможет только глобальная мировоззренческая революция, частью которой будет и новая революция в науке.
Такая же кризисная ситуация сложилась и в других сферах человеческой культуры. В настоящее время идет поиск путей выхода из этого глобального кризиса, намечаются черты будущего постмодернистского мировоззрения и постнеклассической науки.
По мнению большинства ученых, будущая постнеклассическая наука будет обладать следующими чертами:
1.       Признавать равноправие таких сфер человеческой деятельности, как религия, философия, искусство. Постмодернизм принципиально отвергает выделение какой-то одной сферы человеческой деятельности в качестве ведущей. Постнеклассическая наука должна быть гармонично вписана в систему человеческой культуры и мировоззрения.
2.       Иметь тенденцию к гуманизации, т. е. включить в свой предмет человека, допуская элементы субъективности в объективно истинном знании.
3.       Познание в постнеклассической науке должно иметь диалогический характер.
4.       Должна основываться на идее глобального эволюционизма - всеединой, нелинейной, самоизменяющейся, самоорганизующейся системы, в недрах которой возникают и исчезают структуры от физических полей, до биосферы и более крупных систем.
5.       Иметь комплексный характер на основе стирания граней и перегородок между традиционно обособленными естественными, общественными и техническими науками, интенсификации междисциплинарных исследований.
6.       Должна опираться на новые достижения в сфере хранения и получения знаний.
7.       Выступать как предпосылка производства и воспроизводства человека как субъекта исторического процесса, как личности и как индивидуальности.
 






3.1. Структурные уровни организации материи
 
Доступная нам природа условно разделяется на следующие уровни:

·         микромир (элементарные частицы, ядра атомов, комплексы ядер, атомы, молекулы),

·         макромир (комплексы молекул; микрофизические комплексы: кристаллы, коллоидные системы; клетка; организмы; сообщества организмов: экосистемы, биосфера)

·         мегамир (планеты, звездно-планетные комплексы, галактики, Метагалактика).

На основании этих представлений выделяют:
1.       Геоцентрический мир - реальный мир на уровне макромира. Явления геоцентрического мира описываются евклидовым пространством, ньютоновым (абсолютным, одномерным) временем и лейбницевым качеством, где целое всегда больше части.
2.       Негеоцентрический мир - микромир и мегамир, описываемые неевклидовым пространством (геометрии Лобачевского-Римана), неньютоновым временем, нелейбницевым качеством (теория относительности, квантовая механика).
 
Структура микромира. В настоящее время в микромире выделяется четыре уровня вещества:
1.       молекулярный;
2.       атомный;
3.       нуклонный (уровень атомного ядра);
4.       кварковый.
 
Уже обсуждается возможный облик пятого уровня вещества - суперструнного. Каждый вновь открываемый уровень качественно отличается от ранее известных, его характеризуют другие свойства соответствующих частиц. Поиск самых простых частиц привел исследователей к пониманию того, что абсолютной элементарности не существует, что частица любого уровня сложна в своей сущности и проявлениях. Условно принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура, а их размеры недоступны измерению, т. е. меньше 10-15 см.
Исходя из значения спина (внутренней степени свободы движения частицы), все элементарные частицы можно разделить на две группы:

·         частицы с целочисленным спином (0, 1, 2 ...) называются бозонами в честь известного физика Бозе. На них запрет Паули не распространяется, и они могут находиться вместе в любом количестве. Поля бозонов переходят в классические поля. Так, одна из бозонных частиц, - фотон может стать классическим электромагнитным полем, излучающим свет, радиоволны. В макромире бозоны проявляют себя обычно на уровне полей.

·         частицы с полуцелым значением спина (1/2, 3/2 ...) называются фермионами в честь великого физика Ферми. Они могут находиться вместе только при условии, что их физические состояния и параметры не одинаковы. Этот закон квантовой механики получил название запрета Паули. Поля фермионов всегда остаются квантованными и легко переходят в частицы. В макромире фермионы проявляются на уровне вещества. В свою очередь, фермионы разделяются на лептоны и кварки.
 
Класс лептонов включает 6 частиц и 6 античастиц:

·         электрон,

·         мюон,

·         тау-лептон,

·         три вида нейтрино.
 
Лептоны не участвуют в образовании ядерных частиц - нуклонов и в сильных взаимодействиях.
Класс кварков также содержит 6 частиц и столько же античастиц. Каждый тип кварков физики условно назвали ароматом. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, обозначающих их названия:
u - up - верх,
d - down - низ,
s - strange - странность,
c - charmed - очарование,
b - beauty - красота,
t - truth - истина.
 
Аромат обозначает квантовое число, приписываемое частице данного типа. Кварки - электрически заряженные частицы, но их заряды имеют дробные значения по отношению к заряду электрона, принятого за 1, и равны 1/3, 2/3 с положительным или отрицательным знаком.
Кварки и антикварки группируются по 2 или по 3 частицы и образуют составные частицы адроны. Отдельно от адронов кварки существовать не могут. Адроны подразделяются на 3 группы:
1.       Барионы - образуются комбинациями трех кварков. Эта группа включает протон и нейтрон как фундаментальную основу атомных ядер.
2.       Мезоны - частицы, получаемые путем сочетания кварка и антикварка.
3.       Антивещество - содержит частицы, образуемые сочетанием трех антикварков. В это группе находятся антипротон и антинейтрон.
 
Большую часть комбинаций кварков составляют резонансы - неустойчивые короткоживущие частицы, быстро распадающиеся на стабильные частицы. Дальнейшие исследования показали, что кварки одного аромата не идентичны и различаются характером взаимодействием друг с другом. Поэтому для их описания ввели еще одно квантовое число, которое условно назвали цветом. Эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение кварков одного аромата на три «цвета» - красный, зеленый и синий - отражает действительность.
 






3.2. Физическая картина мира
 
Естествознание, возникшее в ходе научной революции XVI-XVII вв., долгое время было связано с развитием физики. Физика была и остается сегодня наиболее развитой и систематизированной наукой, поэтому она во многом оказала влияние на общее мировоззрение европейской цивилизации, начиная с Нового времени. Создание химической и биологической картин мира произошло лишь в ХХ веке.
Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой, вводит в физику новые философские идеи. Длительное время картина мира остается неизменной, но в результате научной революции, ведущей к смене парадигмы, заменяется новой.
Ключевым в физической картине мира является понятие о материи. Это основная парадигма физики. Смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это происходило два раза. Сначала был совершен переход от атомистических (корпускулярных) представлений о материи к полевым (континуальным), а затем, в ХХ веке, континуальные представления были заменены современными квантовыми.
Первая - механическая картина мира сложилась в физике в результате научной революции XVI-XVII вв. на основе исследований Г. Галилея, П. Гассенди, Р. Декарта, И. Ньютона.
Основу механической картины мира составил атомизм, который весь мир, включая человека, представлял как совокупность огромного числа атомов, перемещающихся в пространстве и времени.
Ключевым понятием механической картины мира было понятие движения, поэтому Ньютон считал законы движения фундаментальными законами мироздания. Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия, согласно которому взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии без материальных посредников. Ньютоном была также предложена концепция абсолютного пространства и времени, т. е. существующих независимо от материи.
На основе механической картины мира в XVIII- начале XIX вв. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Это способствовало быстрому развитию техники. Все это привело к абсолютизации механической картины мира и дальнейшему ее кризису. Попытка распространения методов и законов механики на область тепловых явлений, электричество, магнетизм, жизнь, разум потерпели неудачу и привели к дальнейшей смене физической картины мира.
Становление электромагнитной картины мира было связано с открытиями М. Фарадея. Изучая электрические и магнитные явления, Фарадей пришел к идее замены корпускулярных представлений о материи континуальными (непрерывными). Он сделал вывод, что электромагнитное поле бесконечно и непрерывно, с точечными центрами электрических зарядов и волновыми движениями в нем. Движение понималось как распространение колебаний в поле, которое подчинялось законами термодинамики.
Пространство и время перестали быть самостоятельными и независимыми от материи. Изменился взгляд на проблему взаимодействия. Концепция дальнодействия Ньютона была заменена принципом близкодействия Фарадея, в соответствии с которым любые взаимодействия передаются полем непрерывно и с конечной скоростью.
Новая электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, но вскоре в физике стали возникать проблемы с объяснением новых открытий: фотоэффекта, линейности спектра атомов, теории теплового излучения, радиоактивности. Появившиеся учения о строении атома противоречили электромагнитной картине мира. Все это привело в начале ХХ века к замене электромагнитной картины мира современной физической.
В начале ХХ века в физике возникли два взаимоисключающих представления о материи: 1) либо материя абсолютно непрерывна, 2) либо она состоит из дискретных частиц. В 1924 г. Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что каждой частице соответствует определенная волна, т. е. каждой частице материи присущи и свойства волны (непрерывность) и дискретность (квантовость). Вскоре эти представления нашли подтверждение в работах Э. Шредингера и В. Гейзенберга.
Так сложились новые квантово-полевые представления о материи, которые определяются сейчас как квантово-волновой дуализм, т. е. наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы.
Современная физическая картина мира окончательно утвердила представления о пространстве и времени как о неразделимом с материей, едином, четырехмерном пространственно-временном континууме.
Спецификой квантово-полевых представлений о материи является их вероятностный характер, что соответствует более глубокому уровню познания природных закономерностей.
Современная физическая картина мира и в настоящее время находится в состоянии становления. С каждым годом к ней добавляются новые элементы, выдвигаются новые гипотезы и развиваются новые теории.
 






3.3. Проблемы пространства-времени. Теория относительности
 
Естественные науки часто связаны с изменением длин и длительностей, т. е. пространственно-временными характеристиками объектов.
Понятие пространства возникло в науке на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности. Понятие времени основано на восприятии человеком смены событий, состояний предметов и круговорота различных процессов.
Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длительный путь своего становления и развития. Отметим наиболее значимые концепции пространства и времени:

·         обыденные представления о пространстве и времени как об условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла.

·         концепция абсолютного пространства и времени. Разработана И. Ньютоном в работе «Математические начала натуральной философии», в которой были определены понятия пространства, времени, места и движения. Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон выделил два типа этих понятий: абсолютные и относительные.
 
Абсолютное время, т. е. без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное время - это внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни (час, день, месяц, год и т. д.). Абсолютное пространство всегда безотносительно к чему-либо внешнему и остается всегда неизменным и неподвижным. Относительное пространство существует всегда относительно других тел.
Таким образом, пространство время являются как бы вместилищами самих себя и всего существующего, как некий «черный ящик», куда помещены все объекты бытия.

·         Реляционная концепция Лейбница - рассматривала пространство как порядок сосуществования тел, а время как порядок отношения и последовательность событий.

·         Беркли, Мах, Авенариус считали пространство и время порождением человеческого сознания.

·         И. Кант понимал пространство и время как вечные, неизменные категории сознания.

·         Концепция дальнодействия в физике утверждала, что гравитационные и электрические силы мгновенно распространяются через пустое абсолютное пространство.

·         Концепция близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространялся с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля как среды, передающей взаимодействие.

·         В ХХ веке, после крушения гипотезы эфира, пространство и время стали рассматриваться как атрибуты материи.
 
Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна.
Классический принцип относительности был сформулирован Г. Галилеем. Согласно этому принципу, во всех инерциальных системах отсчета, т. е. системах, движущихся прямолинейно и равномерно, движение тел происходит по одинаковым законам. Это означает, что, если в движущемся поезде бросить вверх мяч, то он упадет вниз, а не назад. Покоящийся в движущемся поезде предмет для человека, стоящего на перроне, будет восприниматься как движущийся. Из этого принципа следует, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет принципиальной разницы, движение и покой относительны. Понятие покоя и движения приобретают смысл тогда, когда указана точка отсчета.
В специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики. В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединила пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света в вакууме (300 000 км/с). Временные процессы при таких высоких скоростях замедляются, а масса тела увеличивается. Процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются на уровне элементарных частиц.
Абсолютная скорость света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы, частиц, полей, волн.
Общая теории относительности подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых было установлено еще в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам. Возникающим под действием ускорения.
Общая теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Было установлено, что при прохождении сигнала вблизи Солнца, его задержка составила 0,0002 с. Общая теория относительности допускает полную остановку времени в очень сильном поле тяготения, например, вблизи предполагаемых сверхплотных космических объектов, испытывающих сверхсжатие, т. н. черных дыр.
Представления о пространстве и времени, сформулированные в теории относительности, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. В настоящее время ученые предполагают существование кванта пространства (фундаментальная длина L) и кванта времени, равного отношению L/c, ограничивающего точность определения временных интервалов.
Все свойства пространства и времени можно разделить на две большие группы. К всеобщим относятся такие пространственно-временные характеристики, которые проявляются на всех известных структурных уровнях материи, тогда как специфические свойства проявляются лишь на отдельных структурных уровнях.
К всеобщим свойствам пространства и времени относятся:
1.       Объективность и независимость от сознания человека;
2.       Абсолютность, т. е. проявление на всех структурных уровнях материи;
3.       Неразрывность между собой и с движущейся материей;
4.       Единство непрерывности и прерывистости в их структуре;
5.       Количественная и качественная бесконечность, неотделимая от структурной бесконечности материи.
 
Вместе с тем, пространство и время имеют специфические свойства. К специфическим свойствам пространства относятся:

·         протяженность;

·         непрерывность и связность (как отсутствие разрывов);

·         трехмерность (длина, ширина, высота);

·         наличие пространственной формы тел, их расположение в пространстве;

·         наличие симметрии или асимметрии;

·         изотропность (отсутствие верха, низа и др.);
 
К специфическим свойствам времени относятся:

·         длительность;

·         единство прерывного и непрерывного;

·         необратимость;

·         одномерность (линейная последовательность событий: от прошлого через настоящее к будущему);

·         конкретная длительность существования материальных систем (время от их возникновения до распада, ритмы, циклы);

·         неодновременность событий в разных системах.
 
Кроме общих пространства и времени, некоторые авторы выделяют в качестве самостоятельных: биологическое, социальное, индивидуальное, художественное, историческое и др. пространства и время. Основания для этого есть, но во всех этих специфических системах проявляются в большинстве общие пространственно-временные свойства.
 





3.4. Принципы современной физики
 
Принципы современной физики - это общие законы, влияющие на все физические процессы и все формы движения материи. Среди всей группы физических принципов важнейшим является принцип симметрии, на основе которого действует закон сохранения физических величин.
Симметрия широко распространена в природе и жизни человека. Кристаллы, молекулы пространственных, оптических изомеров, живые организмы обладают симметрией. На симметрии во многом основывается такое явление, как красота.
Симметрия в физике - это свойство физических величин, детально описывающих поведение систем, оставаться неизменными при определенных преобразованиях. Во многих случаях из принципов симметрии логически следуют законы сохранения.
Принципы симметрии делятся на 1) внешние или пространственно-временные и 2) внутренние симметрии.
К внешним симметриям относятся:
Объективная равноправность всех моментов времени. Это означает, что время однородно и любой момент времени можно взять за начало отсчета. Из этого вытекает закон сохранения энергии.
Однородность пространства, т. е. равноправие всех его точек. Сдвиг в пространстве какой-либо системы не влияет на процессы внутри нее. Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.
Изотропность пространства, т. е. одинаковость его свойств по всем направлениям. Из этого следует закон сохранения момента импульса.
Принцип относительности, определяющий одинаковость законов природы во всех системах отсчета. Из него вытекает сохранение скорости движения центра масс.
Обратимость процессов во времени - действует только на уровне макромира. Фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени. На уровне микромира наблюдается необратимость процессов. Считают, что это связано с неравновесным состоянием Вселенной.
Зеркальная симметрия природы - не изменяет физических законов любого природного объекта.
Зарядовое сопряжение - замена частиц на античастицы не изменяет природных процессов.
Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняется только при сильных и электромагнитных взаимодействиях, тогда как остальные симметрии выполняются при любых взаимодействиях.
К внутренним симметриям относятся:
1.       Неизменность суммы электрических зарядов элементарных частиц. В этом состоит закон сохранения электрического заряда.
2.       Постоянство числа тяжелых частиц и античастиц ядра (барионов) не изменяется при любых процессах.
3.       Неизменность числа лептонов и антилептонов (легких частиц) при превращениях элементарных частиц.
4.       Изотопическая инвариантность - связана с сильным ядерным взаимодействием между протонами и нейтронами. Эти частицы различаются только наличием положительного заряда у протона. При сильных взаимодействиях они выступают как одна частица. Поэтому Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как два разных состояния одной частицы - нуклона. Атомы, ядра которых различаются только числом нейтронов, называются изотопами, поэтому данный тип симметрии получил название изотопической.
 
На основе теорий Большого и Суперобъединения физики пришли к идее суперсимметрии, т. е. симметрии, объединяющей все типы элементарных частиц в единое целое на основе теории суперструн и геометрии искривленного пространства.
Законы симметрии имеют однозначный, динамический характер, не допускающий статистического (вероятностного) разброса физических величин.
Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором в 1923 г. Он определяется тем, что фундаментальные физические теории и законы не являются абсолютно точным отражением действительности. Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости.
По мере развития науки менее точные теории заменяются более точными. Физические теории должны быть преемственны. Никакая новая теория не может быть справедливой, если не содержит предельного случая старой, оправдавшей себя в данной области. Так, классическая механика Ньютона правильно описывает движение в макромире при скоростях намного меньших, чем скорость света. Теория относительности справедлива для описания тел любых уровней с любыми скоростями.
Каждая физическая теория является относительной истиной. Смена теорий - это процесс приближения к абсолютной истине. Этот процесс никогда не будет полностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего бытия.
Принцип дополнительности возник в физике как попытка осознания противоречий микромира, связанных с открытием квантово-волнового дуализма. Согласно принципу дополнительности Бора, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий - частиц и волн. Только совокупность таких понятий дает исчерпывающую информацию об объектах микромира.
Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга. Элементарные частиц, совмещающие в себе одновременно свойства частицы и волны не могут рассматриваться как материальные точки. Поэтому их координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизительно, на основе вероятностных законов. Поэтому в модели атома Бора электроны изображены как пространственные облака различной формы.
Принцип суперпозиции (наложения) имеет важное значение в физике, особенно в квантовой механике. Это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым явлением в отдельности. Например, правило параллелограмма, которое применяется для сложения сил, действующих на тело. В классической механике этот принцип не универсален и выполняется лишь приближенно.
В микромире принцип суперпозиции является фундаментальным, в соответствии с ним складываются альтернативные, исключающие друг друга состояния. Например, при аннигиляция электрона и позитрона принцип суперпозиции допускает возникновение безмассовых незаряженных частиц - фотонов.
 






3.5. Физическое взаимодействие
 
Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Оно обусловливает соединение элементов в системы. Все свойства тел являются производными от взаимодействий.
Взаимодействие выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. Не существует движения, в котором не было бы взаимодействия, так и не существует взаимодействия без движения. Взаимодействие и движение являются формой существования материи. По современным представлениям взаимодействие любого типа должно иметь своего физического агента-переносчика.
Любые формы движения материи, изучаемые физикой, являются фундаментальными взаимодействиями. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.
Гравитационное взаимодействие является самым слабым из всех физических взаимодействий. Оно описывается законом тяготения И. Ньютона. В макромире оно тем сильнее, чем больше массы взаимодействующих тел. В микромире гравитационное взаимодействие теряется на фоне более мощных сил. Так, сила гравитационного притяжения электронов в 1040 раз меньше, чем их сила электростатического отталкивания. И только при сверхвысокой плотности вещества, порядка 1094 г/см3 гравитационные взаимодействия могут быть сравнимы с другими формами взаимодействия в микромире.
Гравитационные взаимодействия обусловливают образование всех космических систем, а также концентрацию рассеянной материи звезд и галактик. Считается, что скорость распространения гравитационных волн равна скорости света в вакууме, но они еще достоверно не зарегистрированы приборами. Чувствительность современных измерительных устройств недостаточна для их регистрации из-за ничтожно малой амплитуды. Тем не менее американским физикам Р. Хясли и Дж. Тейлору удалось косвенно подтвердить существование гравитационных волн, за что в 1993 г. они были удостоены Нобелевской премии.
Для гравитации не существует противоположной эквивалентной силы отталкивания- антигравитации. Все античастицы обладают положительными значениями массы и энергии.
С точки зрения квантовой механики предполагается, что поле тяготения создается частицей гравитоном, хотя экспериментально она еще не найдена. Считается, что силы тяготения являются результатом постоянного обмена между телами гравитонами, которые переносят энергию и обладают всеми характеристиками, присущими материальным объектам.
В общей теории относительности существует понимание гравитации как проявление кривизны пространства. Чем больше масса тела, тем большее искривление пространства создает поле тяготения.
Пока не ясно, какая их данных теорий ближе к истине.
Электромагнитное взаимодействие обладает универсальным характером и существует между любыми телами. Проявляется в притяжении разноименных зарядов или отталкиванием одноименных.
Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции - это проявление электромагнитных взаимодействий, которые приводят к перераспределению химических связей между атомами и молекулами.
Электричество и магнетизм - это силы одного и того же феномена. Электродинамика Д. Максвелла является законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей свое значение и в наши дни.
В современной физике создана более совершенная и точная квантовая электродинамика, которая утверждает, что заряд создает поле, квантом которого является безмассовая частица фотон.
Электрический заряд проявляется в двух разновидностях: заряд электрона назван отрицательным, а заряд, которым обладают протон и позитрон - положительным. Взаимодействие положительных и отрицательных зарядов обеспечивается обменом фотонов. Во всех электромагнитных процессах выполняется закон сохранения заряда, импульса и энергии.
Слабое взаимодействие - это фундаментальное физическое взаимодействие, существующее только в микромире. Оно способствует превращению одних частиц (фермионов) в другие. Примером такого взаимодействия является (-распад. В ходе этого процесса свободный нейтрон в среднем за 15 минут распадается на протон, электрон и антинейтрино.
 
n0 ( p+ + e- + (-
 
Распад вызван превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u. Слабым зарядом обладают некоторые элементарные частицы из класса лептонов и кварков. Он образует три разновидности поля с обменными частицами (бозонами), имеющими значительную массу. Радиус его действия очень мал - 10-15 см.
В настоящее время предполагается, что существует единый фундаментальный заряд, определяющий одновременно слабое и электромагнитное взаимодействие.
Сильное взаимодействие соединяет элементарные частицы - кварки и антикварки в адроны. Теория сильных взаимодействий находится в стадии становления. Исходным положением этой теории является существование трех условных типов цветовых зарядов кварков: красного, синего и зеленого, которые и определяют сильное взаимодействие.
Цветовые заряды кварков и антикварков создают 8 типов полей, переносчиками (квантами) которых являются 8 типов цветовых бозонов, названных глюонами. Глюоны, как фотоны и гравитоны, не имеют массы, но имеют цветовые заряды и обладают ограниченным радиусом действия, равным 10-13 см. На очень близких расстояниях кварки перестают влиять друг на друга, но с увеличением расстояния между кварками сила взаимодействия нарастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия.
До открытия кварков и их цветового взаимодействия фундаментальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны (барионы) в ядрах атомов. С открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками. Таким образом, ядерные силы - это отголоски цветовых сил.
В настоящее время физики пытаются вывить универсальные механизмы всех фундаментальных физических взаимодействий. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое элетрослабое взаимодействие стало первым успехом на этом пути. Существуют попытки создания теории Большого объединения на основе объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Еще более грандиозна идея объединения всех типов фундаментального взаимодействия (гравитационного, электромагнитного, слабого, сильного) в теорию Суперобъединения.
Физики считают, что могут создать эту теорию на основе теории суперструн. Теория суперструн основана на предположении, что существуют некие протяженные объекты - струны. Это пространственно одномерные отрезки, размером 10-33 см, имеющие 6 дополнительных пространственных измерений, которые в отличие от обычных 4-х измерений, замкнуты и свернуты в точки, не распространяясь на область макромира.
Понятие струны становится синонимом понятия частицы. Все частицы являются возбужденным состоянием струн. Различная степень возбуждения («звучания») струн определяет различные свойства элементарных частиц.
Теория суперструн предполагает некоторые интересные следствия:

·         струны могут порождать гипотетические элементарные частицы тахионы, движущиеся со скоростью, большей скорости света.

·         возможность существования теневого мира, как объяснение факта, открытого астрономами, что галактики содержат массу невидимого вещества, в десятки раз превосходящую массу самих галактик.
 





3.6. Динамические и статистические законы
 
Динамические и статистические законы физики имеют отношение к объяснению хаоса и порядка. Феномены порядка и беспорядка (хаоса) в природе объясняются в физике на основе законов (начал) термодинамики. Термодинамика - это раздел физики, изучающий тепловые явления.
Первое начало термодинамики называют еще законом сохранения энергии. Согласно этому фундаментальному закону, энергия сохраняется в изолированной системе. Ее количество всегда остается постоянным, превращаясь лишь из одной формы в другую - механическую, тепловую, внутреннюю. Внутренняя энергия складывается из движений атомов, энергии химических связей, электронов. Первый закон термодинамики утверждает, что тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии. Закон не имеет исключений и доказывает принципиальную невозможность создания вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу больше, чем подводимая к нему энергия.
Второе начало термодинамики запрещает существование вечного двигателя второго рода, т. е. машины, способной совершать работу за счет переноса тепла от холодного тела к горячему. Согласно этому закону, тепло не может самопроизвольно перетечь от холодного тела к горячему. Второй закон термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии - теплоты как меры хаотического движения частиц и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло, но тепло нельзя полностью превратить в работу. Таким образом, неупорядоченную форму энергии нельзя превратить в упорядоченную.
Мерой неупорядоченности в термодинамике является энтропия, которая всегда положительна, кроме случая с идеальным кристаллом при абсолютном нуле (-273 оС), но третье начало термодинамики говорит о недостижимости абсолютного нуля. Иногда используется отрицательная величина энтропии - негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, а энтропии - росту хаоса.
В соответствии со вторым законом термодинамики в изолированных системах, т. е. системах, не обменивающихся с окружающей средой энергией, неупорядоченное состояние (хаос) не может самостоятельно перейти в порядок. Таким образом, в изолированных системах энтропия может только расти. Эта закономерность получила название принципа возрастания энтропии. Согласно этому принципу, любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое отождествляется с хаосом. Поскольку увеличение энтропии характеризует изменения во времени замкнутых систем, то энтропия выступает в качестве своеобразной стрелы времени.
Из этого принципа вытекает пессимистическая гипотеза о тепловой смерти Вселенной, сформулированная Р. Клазиусом и У. Кельвином, в соответствии с которой:

·         энергия Вселенной всегда постоянна;

·         энтропия Вселенной всегда возрастает.
 
Таким образом, все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующему состоянию наибольшего хаоса и дезорганизации. Все виды энергии деградируют, превратившись в тепло, и звезды закончат свое существование, отдав энергию в окружающее пространство. Установится постоянная температура лишь на насколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие планеты и звезды. Не будет ничего - ни источников энергии, ни жизни.
Такая мрачная перспектива предсказывалась физикой вплоть до 60-х годов ХХ столетия, хотя выводы термодинамики противоречили результатам исследований в биологии и социальных науках. Так, эволюционная теория Дарвина свидетельствовала, что живая природа развивается преимущественно в направлении усовершенствования и усложнения новых видов растений и животных. История, социология, экономика, другие социальные и гуманитарные науки так же показывали, что в обществе, несмотря на отдельные зигзаги развития, в целом наблюдается прогресс.
Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой или изолированной системы является достаточно грубой абстракцией, упрощающей действительность, поскольку в природе трудно найти системы, не взаимодействующие с окружающей средой. Противоречие стало разрешаться, когда в термодинамике вместо понятия закрытой изолированной системы ввели фундаментальное понятие открытой системы, т. е. системы, обменивающейся с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
 






3.7. Развитие научной космологии
 
Современная космология - это астрофизическая теория, изучающая структуру и динамику развития Метагалактики, включающая в себя понимание свойств всей Вселенной.
Небесный мир всегда волновал человека. Вопрос о строении, развитии и происхождении Вселенной был предметом научного поиска для многих поколений ученых.
Космология берет свое начало в древнегреческой мифологии, где достаточно подробно и систематизировано рассказывается о сотворении мира и его устройстве. Итогом научной космологии античности стала геоцентрическая концепция Птолемея, просуществовавшая в течение всего средневековья.
Основателем научной космологии считается Николай Коперник, создавший гелиоцентрическую модель Вселенной. В центр Вселенной он поместил Солнце, вокруг которого вращались планеты, за орбитами которых располагалась сфера неподвижных звезд. Их природа в тот период была неясна. За сферой неподвижных звезд, по мнению Коперника, находился «эмпирей» - место обитания сверхъестественных тел и существ. Таким образом, Вселенная по Копернику - это мир в скорлупе.
Теория множественности миров была выдвинута Джордано Бруно. Он считал, что Вселенная состоит из бесконечного множества звезд, которые являются далекими солнцами, согревающими бесчисленные планеты. Идеи Бруно намного обогнали его эпоху, но не имели фактов, доказывающих их справедливость.
Окончательно идея полицентризма, т. е. наличие множества центров во Вселенной, была доказана Галилео Галилеем. С помощью изобретенного им телескопа он установил вращение планет вокруг Солнца и их сходство с Землей. Современник и друг Галилея, Иоганн Кеплер уточнил законы движения планет. Эти исследования заставили постепенно отказаться от ошибочного представления о Солнце как центре Вселенной.
Классическая модель Вселенной была построена Исааком Ньютоном. Сущность этой теории можно выразить в следующих положениях:
1.       Вселенная вечна, т. е. является бесконечной в пространстве и времени.
2.       Пространство играет пассивную роль и является вместилищем небесных тел.
3.       Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико.
4.       Движением планет и развитием небесных тел управляет закон всемирного тяготения.
5.       Каждое небесное тело проходит длительную эволюцию и на смену погасшим светилам приходят новые.
 
Классическая модель Вселенной была признанной в науке вплоть до начала ХХ века. Однако в конце XVIII- начале XIX вв. два астронома Р. Шезо и Ф. Ольберс независимо друг от друга пришли к выводу, что небосвод, обильно усеянный звездами, должен был бы излучать свет, во много раз более интенсивный, чем свет солнца. Это парадоксальное утверждение получило в астрономии наименование фотометрического парадокса Шезо-Ольберса.
В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер открыл гравитационный парадокс. Суть парадокса в том, что при бесконечной Вселенной сила тяготения со стороны всех тел на определенное тело должно быть бесконечно большой. Бесконечно большими должны быть и скорости движения небесных тел, чего не наблюдается в действительности. Из этого был сделан вывод, что количество небесных тел ограничено, а значит, Вселенная не бесконечна.
Особенно больших успехов космология добилась в ХХ веке, когда на смену различным догадкам пришли достаточно обоснованные факты, гипотезы, теории. Многие из них допускали, что на разных уровнях существования природы повторяются одни и те же законы, и различия могут быть лишь в масштабах. Такова космология английского физика Фурнье Дальба (1911 г.). Его модель Вселенной напоминает матрешку. Вселенные меньших размеров существуют в более крупных и в их устройстве проявляются одни и те же правила.
После создания планетарной модели атома Резерфордом эти нашли отражение в космологии. Предположили, что ядро атома - это Солнце, а электроны - планеты, на которых может быть жизнь. Таким образом, наш мир является такой же элементарной единицей Мегамира.
Значительным явлением в космологии была гипотеза тепловой смерти Вселенной Р. Клазиуса и У. Кельвина, вытекающая из второго закона термодинамики. В соответствии с этой гипотезой, различные виды энергии при всех превращениях в конечном итоге переходят в тепло, которое стремится к состоянию термодинамического равновесия, т. е. рассеивается в пространстве. Таким образом, Вселенную ожидает тепловая смерть.
Попытка решения термодинамического парадокса была предпринята Л. Больцманом, предложившим вероятностную гипотезу развития Вселенной. По его мнению, Вселенная почти всегда пребывает в состоянии тепловой смерти, но иногда в некоторых ее областях возникают крайне маловероятные отклонения от обычного состояния (флуктуации). Таким участком является Земля и весь видимый космос. В целом Вселенная - это мертвый океан с небольшими островками жизни.
Такое объяснение не смогло удовлетворить многих ученых, т. к. расчеты показали, что вероятность возникновения такой гигантской флуктуации в пространстве практически равна нулю.
Три космологических парадокса: фотометрический, гравитационный и термодинамический - заставили ученых усомниться в бесконечности и вечности Вселенной.
В 1917 г. А. Эйнштейн выступил с гипотезой о стационарной Вселенной. Из расчетов Эйнштейна следовало, что Вселенная является четырехмерной сферой. Таким образом, Вселенная конечна по объему, как поверхность любой сферы, и не имеет границ. Количество звезд и звездных систем Вселенной, хотя и огромно, но конечно. В соответствии с теорией Эйнштейна, Вселенная не вечна и развивается в направлении тепловой смерти.
В 1922 году российский физик Александр Фридман на основании строгих расчетов сформулировал гипотезу о нестационарности Вселенной. По его мнению, Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной. Она непременно должна расширяться, причем расширяться должно пространство. Вселенная Фридмана подобна раздувающемуся мыльному пузырю, площадь поверхности и радиус которого непрерывно увеличиваются. Из расчетов Фридмана вытекают три возможных следствия:

·         Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени;

·         Вселенная сжимается;

·         во Вселенной чередуются циклы расширения и сжатия;
 
Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1926 году американским астрономом Д. Хабблом. При исследовании спектров далеких галактик он открыл красное смещение, т. е. смещение спектральных линий к красному концу спектра как следствие эффекта Доплера (изменение частоты колебаний и длины волны из-за движения источника излучения по отношению к наблюдателю). Красное смещение, т. е. увеличение длин волн у наблюдаемых объектов может происходить только у удаляющихся объектов. По последним измерения скорость удаления галактик друг от друга составляет 55 км/с. После этого открытия в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной.
В последние десятилетия уточнены величины, характеризующие скорость расширения Вселенной, определено наиболее вероятное время ее существования - около 15 млрд. лет. Вопрос о цикличности расширений и сжатий пока остается открытым.






3.8. Эволюция Вселенной
 
Вселенная - это самый глобальный объект мегамира, безграничный во времени и пространстве. Согласно современных представлений она представляет собой громадную необъятную сферу. Существуют научные гипотезы об «открытой», то есть «непрерывно расширяющейся», равно как и о «закрытой», то есть «пульсирующей», Вселенной. Обе гипотезы существуют в нескольких вариантах. Однако требуются очень основательные исследования, пока та или иная из них не превратится в более или менее обоснованную научную теорию.
Как считают ученые, все зависит от величины средней плотности материи во Вселенной, а величину эту пока еще не удалось определить с достаточной точностью. Зато точно рассчитана некая критическая величина, выше и ниже которой Вселенная должна вести себя по-разному.
Если средняя плотность материи равна этой величине или ниже ее, то Вселенная будет расширяться бесконечно, причем эта средняя плотность материи во Вселенной будет бесконечно стремиться к нулю - примерно так же, как если бы облачко дыма стало «расплываться» в воздухе. Если же плотность материи окажется выше указанной величины, то в будущем расширение Вселенной прекратится и сменится сжатием.
Не исключено, что периоды расширения и сжатия чередуются бесконечно. В этом случае мы имеем «пульсирующую» Вселенную. Не исключено также, что циклы «расширение - сжатие» отличаются друг от друга, изменяясь согласно какой-то закономерности. В этом случае мы имеем «осциллирующую» Вселенную.
Метагалактика - это часть Вселенной, доступная изучению астрономическими средствами. Она состоит из сотни миллиардов галактик, каждая из которых вращается вокруг своей оси и одновременно разбегаются друг от друга со скоростями от 200 до 150 000 км/с.
Галактика - это скопление звезд в объеме, имеющем форму линзы. Большая часть звезд концентрируется в плоскости симметрии этого объема (галактической плоскости), меньшая часть, концентрируется в сферическом объеме (ядре галактики). Кроме звезд в состав галактик входят межзвездное вещество (газы, пыль, астероиды, кометы), электромагнитные, гравитационные поля, космические излучения. Солнечная система расположена вблизи галактической плоскости нашей галактики. Для земного наблюдателя звезды, концентрирующиеся в галактической плоскости, сливаются в видимую картину Млечного пути.
Квазары - это удаленные от нашей галактики на протяжении нескольких миллиардов световых космические объекты, каждый из которых, несмотря на относительно небольшие размеры, по мощности излучения превосходит обычную галактику. Принимая во внимание их компактность, их назвали «вроде бы звезды» (квази-звездные объекты, квазары). Пока ученым неясно, что такое квазары. Согласно одних гипотез, это сверхгалактики, по другим - взорвавшиеся галактики, согласно третьих, зародыши будущих галактик. Ответы на эти вопросы призваны дать дальнейшие исследования.
Межзвездная среда. То, что между звездами существует некая ослабляющая их свет среда, предположил еще в 1847 году выдающийся российский ученый В. Я. Струве. В начале XX века на фоне звезд был обнаружен межзвездный газ. В 30-х годах нашего века было доказано существование межзвездной среды. Изучая блеск звезд так называемых рассеянных скоплений, ученые обнаружили, что чем скопление дальше от Земли, тем оно кажется больше (хотя все они по величине должны быть примерно равны). Астрономы признали, что эффект этот создает среда, поглощающая свет.
Постепенно выяснилось, что межзвездные пространства пронизываются видимыми и невидимыми лучами, что здесь существуют магнитные поля, пыль, газ из атомов, ионов и молекул. Хотя эта материя межзвездной среды очень разрежена, масса ее огромна.
Пыль и газ проявляют себя в телескопах, лишь если их освещает своим светом звезда. Но сама звезда за пылевым занавесом тускнеет и краснеет свет ее ослабляется, как у Солнца, приближающегося к горизонту.
Исследования показывают, что в межзвездных пространствах преобладает водород. По числу атомов, распространенных в Космосе, он во много раз превосходит частицы всех остальных элементов, вместе взятых. Однако и этот газ разрежен чрезвычайно: в пространстве между звездами даже близ плоскости Галактики один атом водорода приходится на два-три кубических сантиметра пространства.
Межзвездный газ распределен неравномерно: местами он собирается в сравнительно плотные облака. В нашей Галактике основная масса газа с наибольшей концентрацией собрана в плоскости ее спиральных рукавов. Одна из последних моделей распределения межзвездного газа, рисует картину, согласно которой сферические облака диаметром в несколько парсек каждое расположены на расстоянии примерно 25 парсек друг от друга (парсек - единица измерения расстояний в астрономии, равная 3,26 светового года). Газ при этом находится в движении.
Совсем недавно были открыты «невидимые» звезды. Как и всем светилам, им свойственны процессы излучения, но в невидимом инфракрасном диапазоне. Детальные исследования показали, что эти звезды окружены «коконами» плотными газово-пылевыми оболочками. Ученые полагают, что сами звезды образовались в результате сгущения разреженной материи, а газово-пылевая оболочка - это то, что не пошло на образование звезды.
В такой плотной и относительно холодной оболочке, напоминающей протопланетную туманность молодой Солнечной системы вполне могут синтезироваться весьма сложные молекулы и пылинки. На определенной стадии эволюции молодая звезда начинает испускать интенсивный «звездный ветер» - потоки электрически заряженных частиц-корпускул, который и «выдувает» образовавшиеся молекулы и пылинки в межзвездное пространство.
Однако самыми большими «распылителями» такого рода молекул и пылинок являются, по-видимому, не молодые, а относительно старые и «холодные» (температура их поверхности от 2500 до 4500° С), так называемые «коптящие», звезды. Специалисты, изучающие эти необычные небесные объекты, доказали, что в их атмосферах, где мало водорода и много углерода, образуется графитная пыль, которая под давлением «звездного ветра» попадает в космическое пространство и рассеивается в нем. Примерно таким же путем в атмосферах звезд, более богатых кислородом, чем углеродом, конденсируются силикатные пылинки, также «выметаемые» в межзвездное пространство давлением излучения звезды.
Изучая поглощение и поляризацию света далеких звезд межзвездными пылинками, ученые пришли к выводу, что графитные или силикатные ядра пылинок в условиях межзвездного облака покрываются «мантией» из замерзших газов, прежде всего - обычного льда.
Некоторые звезды поставляют в космическое пространство частицы пыли. Поверхность этих частиц способна захватывать атомы межзвездного водорода. Сталкиваясь меж собой на поверхности пылинки, атомы сливаются в молекулы водорода, которые тут же отрываются от пылинок и попадают в «газовую фазу». Ионизация этих молекул космическими лучами приводит к цепочке ион-молекулярных реакций, в результате которых синтезируются все более сложные соединения. Особенность ион-молекулярных реакций в том, что они энергично протекают при сколь угодно низких температурах. Так происходит «сборка» сложных молекул в условиях межзвездного газово-пылевого облака.
Среди ста с лишним миллиардов звезд нашей Галактики имеются звезды, находящиеся на самых различных стадиях эволюции. Сравнивая их между собой можно как бы проследить историю звезды от ее возникновения и молодости до старости и угасания.
Согласно наиболее распространенной в настоящее время среди астрономов теории, звезды образуются в результате взаимного притяжения (гравитационного сжатия газопылевых облаков). Во время сжатия происходит превращение гравитационной энергии во внутреннюю энергию вещества, которое постепенно разогревается. Температура в центральной зоне формирующейся звезды растет. Когда она достигает 10-15 млн. градусов, начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Эти реакции обеспечивают равновесное, устойчивое состояние образовавшейся звезды на протяжении многих миллионов и даже миллиардов лет - тут все зависит от массы звезды.
Чем меньше масса - тем дольше живет звезда. Если масса протозвезды (то есть формирующейся звезды) очень мала, т. е. менее восьми процентов солнечной, то у нее в процессе гравитационного сжатия так никогда и не достигается температура центральной зоны, достаточная для начала термоядерных реакции. Такая протозвезда никогда не вспыхнет звездой.
Если масса протозвезды более или менее сопоставима с солнечной, то есть составляет не менее восьми сотых массы Солнца, то звезда «загорается» и может устойчиво светить миллионы или миллиарды лет. Так, звезды с массой, равной солнечной, живут около десятка миллиардов лет, звезды помельче - десятки миллиардов лет. Для сравнения: звезда, втрое превосходящая массой Солнце, живет около миллиарда лет, а вдесятеро превосходящая - «всего лишь» сотню миллионов лет.
Когда исчерпывается ядерное топливо, звезда, продолжая терять энергию на излучение, постепенно сжимается. И если ее масса не превышает массу Солнца более чем в 1,2 раза, то сжатие закончится, когда радиус звезды составит несколько тысяч километров. Иными словами, когда наше Солнце уменьшится до размеров одной из своих планет, скажем, до размеров Земли. Плотность вещества при этом может достигнуть огромной величины 109 г/см3. Такие звезды, давно известные астрономам, получили название белых карликов.
После превращения в белого карлика звезда остывает, почти не уменьшая своих размеров. Возникает еще одно относительно устойчивое, равновесное состояние, так что белый карлик на протяжении миллиардов лет может полностью остыть и превратиться в черный карлик того же размера, жизнь которого столь же или даже еще более продолжительна.
Если же масса звезды превышает солнечную более чем в 1,2 раза, то, по расчетам, в ходе сжатия плотность ее вещества превысит указанную выше критическую величину (109 г/см3) и возникнут ядерные реакции, поглощающие много энергии. Равенство сил тяготения и давления нарушится, и звезда начнет стремительно сжиматься. В процессе этого сжатия может произойти ядерный взрыв, который действительно неоднократно наблюдался и получил название вспышки «сверхновой» звезды. При этом взорвавшаяся звезда сбрасывает оболочку, которая рассеивается в окружающем космическом пространстве.
Сама же звезда превращается в так называемую нейтронную звезду: силы тяготения сжимают ее настолько, что в центре звезды плотность оказывается сопоставимой с ядерной 1014 - 1015 г/см3).
Астрофизики называют нейтронную звезду своеобразным атомным ядром с поперечником в десяток километров. В такой звезде ядерные частицы- нуклоны очень тесно прижаты друг к другу. Если масса нейтронной звезды не превосходит двух солнечных, то вновь наступает состояние устойчивого равновесия. Оно и является конечным состоянием этой остывшей звезды. Нейтронную звезду именуют «холодной», хотя в ее центре температура может достигать сотни миллионов градусов, и даже на поверхности - около миллиона.
Нейтронные звезды открыли в 1967 году, спустя 33 года после теоретического предсказания их существования, причем совершенно случайно. Выяснилось, что на поверхности нейтронных звезд, с их сильным магнитным полем, есть особенно активные области, излучающие мощные потоки радиоволн. Звезда вращается, и эти потоки - тоже. Получается нечто вроде вращающегося прожектора. Вспышки следовали одна за другой с очень коротким периодом - меньше секунды. Так быстро вращаться может только «маленькая» звезда с поперечником не больше нескольких десятков километров. Любая звезда покрупнее при такой скорости вращения будет просто разорвана на куски центробежными силами. Только у маленькой нейтронной звезды столь быстрое вращение не превышает предела прочности.
Новые космические объекты за их «пульсирующее» радиоизлучение назвали пульсары. И вот наблюдения подтвердили теорию. Выло доказано, что пульсары - это и есть нейтронные звезды. Такова «старость» не слишком крупной звезды, меньше примерно двух масс Солнца.
Массивные звезды в конце своей эволюции, как показывают расчеты, после исчерпания ядерного горючего, сжатия и возможных процессов сбрасывания внешних оболочек, сохраняет массу, все еще превышающую критический предел, равный примерно двум солнечным массам. Действие огромных сил давления сверхплотного ядерного вещества не может остановить нарастающий процесс сжатия. Начинается так называемый гравитационный коллапс: вещество звезды неудержимо стремится к центру, причем, согласно теории относительности, за доли секунды (для наблюдателя на самой звезде) или за миллиарды (для «стороннего» наблюдателя). При этом само вещество претерпевает качественные изменения. В конечном счете достигается предел, за которым и время и пространство распадаются на свои элементарные частицы - кванты. Такое принципиально, качественно новое состояние вещества во Вселенной астрофизики назвали «черной дырой».
Предполагают, что массивные «черные дыры» образуются после «смерти» массивных звезд. Существование такой «дыры» подозревают в центре нашей Галактики, а также в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик.
Некоторые ученые высказывают даже предположение, что значительная часть вещества нашей Вселенной как раз и заключается в «черных дырах». Пока что «черные дыры» обнаружены лишь по косвенным признакам. В некоторых так называемых двойных звездах, то есть в «сопряженных» друг с другом парах звезд, одним из двух компонентов, которых и является «черная дыра». Дело в том, что вещество одного из компонентов как бы «закручивается» вокруг другого и падает на поверхность последнего, образуя так называемый «аккреционный» диск (область захвата вещества под действием мощных гравитационных сил). При этом выделяется так много энергии, что излучение из диска выходит в основном в виде очень энергичных рентгеновских фотонов. Вот по этому рентгеновскому излучению от тесных двойных звездных систем ученые и судят о возможности наличия в них «черной дыры». Планируются эксперименты по регистрации гравитационных волн, идущих от таких объектов.
Большинство астрономов считает, что звезды, а также планеты и малые небесные тела образуются в результате взаимного притяжения частиц газово-пылевых облаков, широко рассеянных по всей Вселенной. Из рассеянного между звездами огромного количества газа и пыли, часто своеобразные «межзвездные облака», и до сих пор продолжают рождаться звезды. Ученые доказывают, что и сейчас можно наблюдать инфракрасное излучение протозвезд в стадии их окончательного формирования из межзвездных пыли и газа.
По современным представлениям, звезды и планеты не только сами рождаются из газово-пылевых облаков, но и, в свою очередь, рождают их, точнее, частично как бы «возвращаются» в газопылевое состояние. Астрономы полагают, что известное количество пылевых частиц во Вселенной образуется в атмосферах «холодных» звезд, откуда они выносятся в межзвездное пространство. Очень важно, что звезды возвращают в межзвездную среду не прежнее вещество, а вещество, обогащенное тяжелыми элементами, которые образовались в звездных недрах в результате реакции термоядерного синтеза.
В начале XIX века на том месте, где более семи с половиной веков назад вспыхнула яркая звезда, озадачившая древнекитайских астрономов, их французские коллеги обнаружили странную, словно бы расползающуюся туманность, имеющую вид сетки светящихся газовых волокон, окружающих светящуюся аморфную массу. Туманность назвали Крабовидной. Она расползалась с огромной скоростью - тысяча километров в секунду! Это дало основание ученым прийти к выводу, что около тысячи лет назад она занимала значительно меньшее пространство и была той самой звездой, что обнаружили китайцы в XI веке в созвездии Тельца. Все эти факты позволяют говорить о том, что на небосводе несколько тысячелетий назад именно в этой точке космического пространства вспыхнула звезда, и свет от нее шел до Земли тысячелетия, пока не был увиден землянами.
Так проявляют себя взрывы сверхновых звезд, во время которых синтезируются еще более тяжелые элементы (тяжелее железа), чем в недрах звезд.
Современное естествознание объясняет возникновение Вселенной с помощью теории Большого взрыва. В соответствии с этой теорией, примерно 15 млрд. лет назад наша Вселенная была сжата в комок, в миллиарды раз меньший булавочной головки. По математическим расчетам, ее радиус практически был равен нулю, а плотность близка к бесконечности. Такое состояние получило название сингулярного - бесконечная плотность в точечном объеме. В состоянии сингулярности кривизна пространства и времени становится бесконечной, а сами эти понятия теряют смысл. Это состояние физики называют «ложным» вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения и отрицательное давление, равносильное гравитационному отталкиванию огромной величины. Неустойчивое исходное состояние хаоса привело к взрыву, породившему скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной.

Развитие Вселенной. Самый ранний этап развития Вселенной называется инфляционным. Он занимает ничтожно малый промежуток времени - до 10-33 с после взрыва. С началом стремительного расширения во Вселенной возникает пространство и время. Вселенная раздувается до гигантского пузыря, превышающего на несколько порядков радиус современной Вселенной. Частицы вещества в этот период полностью отсутствуют. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной.
После инфляции начался горячий этап в развитии Вселенной. Всплеск тепла был обусловлен огромным запасам энергии, заключенным в «ложном» вакууме. После распада вакуума его энергия выделилась в виде излучения, разогревшую Вселенную до 1027К. При этой температуре лептоны и кварки были неразличимы, свободно превращаясь друг в друга. Существовал единый тип взаимодействия, в котором роль частицы-посредника выполнял Х-бозон - тяжелая частица, превышающая массу протона в 1014 раз.
Отделение сильного взаимодействия от электрослабого произошло через 10-33 с после «начала». Х-бозон распался на глюоны и безмассовый бозон - переносчик электрослабого взаимодействия. После прекращения переходов кварков в лептоны, число частиц несколько превысило число античастиц, нарушив симметрию мира. Это в дальнейшем определило развитие вещества Вселенной - галактик, звезд, планет и т. д.
Разделение электрослабого взаимодействия на слабое и электромагнитное произошло в на 10-10 с, когда температура снизилась до 1015К. Электрослабый бозон разделился на фотон и три тяжелых векторных бозона. С этого момента во Вселенной стали существовать все четыре типа фундаментальных физических взаимодействия - гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.
Слияние кварков в адроны происходит при снижении температуры до 1015К.
Ранний период развития Вселенной завершается лептонно-фотонной эрой. Частицы и античастицы аннигилируют, порождая фотоны и энергию. Такое состояние было через 0,01 с после начала развития.
Отделение нейтрино и антинейтрино от газовой смеси произошло в течение первой секунды, когда температура снизилась до 10 млрд. градусов.
Соединение и аннигиляция электронов и позитронов возникло на 14 секунде развития, при снижении температуры до 3 млн. градусов. Избыток электронов компенсировал положительный заряд протонов. Часть протонов превратилась в свободные нейтроны, определив их соотношение 8:1. Установившаяся пропорция сохранилась до настоящего времени. Такое же соотношение во Вселенной водорода и гелия. Формирование ранней Вселенной завершилось спустя 3 минуты 2 секунды от начала развития.
Нуклеосинтез, т. е. соединение протонов и нейтронов в ядра, начался при падении температуры до миллиарда градусов. Через полчаса после «начала» барионное вещество (ядра атомов) состояло из 28 % гелия, остальная часть - ядра водорода (протоны). Вещество составляло лишь ничтожную часть Вселенной. Основными же ее компонентами были фотоны и нейтрино.
Этап медленного остывания продолжался почти 500 тысяч лет. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла до 3 тысяч градусов ядра водорода (протоны) и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны, и превращаться в нейтральные атомы водорода и гелия. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало реликтовое излучение. В настоящее время оно сохранилось в виде радиоволн сантиметрового диапазона, которые равномерно поступают из всех точек небосвода и не связаны с каким-либо радиоисточником.
В результате возникла однородная Вселенная, представляющая собой смесь трех субстанций:

·         лептонов (нейтрино и антинейтрино);

·         реликтового излучения;

·         вещества (атомов водорода, гелия и их изотопов).
 
По современным оценкам, переход от однородной Вселенной к структурной занял от 1 до 3 млрд. лет. Предполагается, что в расширяющейся Вселенной случайно возникают уплотненные участки, в которых плотность постепенно возрастает. Появление таких уплотнений стало началом рождения во Вселенной крупномасштабных структур. Согласно расчетов, из этих сгущений должны были возникать плоские образования в форме дисков, которые распадались на более мелкие образования, ставшие зародышами галактик. Зародыши галактик распадались на более мелкие уплотнения, образовавшие зародыши звезд первого поколения.
Важнейшим узловым этапом эволюции Вселенной стало образование всей совокупности химических элементов. Они появились в звездах в ходе звездного нуклеосинтеза.
Тяжелые элементы образовались в звездах типа красных гигантов, которые обладают массой, в несколько раз превышающей солнечную. Водород в них выгорает очень быстро. В центре, где сосредоточен гелий, их температура составляет нескольких сотен миллионов градусов, что достаточно для протекания реакций углеродного цикла - слияния ядер гелия в углерод. Ядро углерода может присоединить еще одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, неона, кремния и т. д. Выгорающее ядро звезды сжимается и температура в нем поднимается до 3-10 млрд. градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются до образования атомов железа. Ядро железа - самое устойчивое из всех химических элементов. Протекание реакций с образованием более тяжелых ядер требует больших энергетических затрат. Образование в недрах красных гигантов элементов от железа до висмута происходит в процессе медленного захвата нейтронов, а более тяжелые ядра предположительно возникают при звездных взрывах.
Красные гиганты имеют относительно короткий жизненный цикл, порядка десятка миллионов лет, поэтому межзвездная среда сравнительно быстро насыщается химическими элементами тяжелее гелия.
Следующим важнейшим этапом в формировании структур Вселенной является объединение атомов химических элементов в молекулы. В основе этих процессов находится электромагнитное взаимодействие. Процессы соединения атомов в молекулы широко распространены во Вселенной. В межзвездной среде встречаются молекулы водорода, мельчайшие пылинки, в основе которых находятся кристаллы льда или углерод с примесью различных соединений. Молекулярный водород вместе с гелием образует газовые межзвездные облака, а скопления газов вместе с пылинками - газово-пылевые облака.
Неожиданным открытием стало обнаружение в космосе разнообразных органических молекул, вплоть до аминокислот. В настоящее время в межзвездных облаках их насчитывают более 50 видов. Еще более удивительно то, что органические молекулы находят во внешних оболочках некоторых не очень горячих звезд и в образованиях, температура которых незначительно отличается от абсолютного нуля. Таким образом, синтез молекул, в том числе органических, достаточно распространенное явление в космосе.







4.1. Химическая картина мира
 
Процесс зарождения химической науки был длительным, сложным и противоречивым. Истоки химических знаний лежат в глубокой древности и связаны с потребностью людей получать различные вещества. Происхождение термина «химия» не совсем ясно, но по одной из версий это означает «египетское искусство», по другой - «искусство получения соков растений».
Историю химической науки можно разделить на несколько этапов:
1.       Период алхимии - с древности до XVI в.
2.       Период зарождения научной химии - XVI-XVII вв.
3.       Период открытия основных законов химии - первые 60 лет XIX в.
4.       Современный период - с 60-х годов XIX в. до настоящего времени.
 
Исторически алхимия сложилась как тайное, мистическое знание, направленное на поиски философского камня, превращающего металлы в золото и серебро, и эликсира долголетия. В течение своей многовековой истории алхимия решала многие практические задачи, связанные с получением веществ и заложила фундамент для создания научной химии.
Наивысшего развития алхимия достигла в трех основных типах:

·         греко-египетском;

·         арабском;

·         западно-европейском.
 
Родиной алхимии был Египет. Еще в древности там были известны способы получения металлов, сплавов, применявшихся для производства монет, оружия, украшений. Эти знания держались в секрете и были достоянием ограниченного круга жрецов. Увеличивающийся спрос на золото подтолкнул металлургов к поиску способов превращения (трансмутации) неблагородных металлов (железа, свинца, меди и др.) в золото. Алхимический характер древней металлургии связал ее с астрологией и магией. Каждый металл имел астрологическую связь с соответствующей планетой. Погоня за философским камнем позволила углубить и расширить знания о химических процессах. Получила развитие металлургия, были усовершенствованы процессы очистки золота и серебра.
Тем не менее, в период правления императора Диоклетиана в Древнем Риме алхимия стала преследоваться. Возможность получения дешевого золота напугала императора и по его приказу были уничтожены все труды по алхимии. Значительную роль в запрете алхимии сыграло христианство, которое рассматривало ее как дьявольское ремесло.
После завоевания арабами Египта в VII в. н. э. алхимия стала развиваться в арабских странах. Самым выдающимся арабским алхимиком был Джабир ибн Хайям, известный в Европе как Гебер. Он описал нашатырный спирт, технологию приготовления свинцовых белил, способ перегонки уксуса для получения уксусной кислоты. Основополагающей идеей Джабира являлась теория образования всех, известных тогда семи металлов из смеси ртути и серы как двух основных составляющих. Эта идея предвосхитила деление простых веществ на металлы и неметаллы.
Развитие арабской алхимии шло двумя параллельными путями. Одни алхимики занимались трансмутацией металлов в золото, другие искали эликсир жизни, дававший бессмертие.
Появление алхимии в странах Западной Европы стало возможным благодаря крестовым походам. Тогда европейцы позаимствовали у арабов научно-практические знания, среди которых была алхимия. Европейская алхимия попала под покровительство астрологии и поэтому приобрела характер тайной науки. Имя самого выдающегося средневекового западноевропейского алхимика осталось неизвестным, известно лишь, что он был испанцем и жил в XIV веке. Он первым описал серную кислоту, процесс образования азотной кислоты, царской водки. Несомненной заслугой европейской алхимии было изучение и получение минеральных кислот, солей, спирта, фосфора и т. д. Алхимиками была создана химическая аппаратура, разработаны различные химические операции: нагревание на прямом огне, водяной бане, прокаливание, перегонка, возгонка, выпаривание, фильтрование, кристаллизация и др. Таким образом, были подготовлены соответствующие условия для развития химической науки.
Период зарождения химической науки охватывает три столетия - с XVI по XIX вв. Условиями становления химии как науки были:

·         обновление европейской культуры;

·         потребность в новых видах промышленного производства;

·         открытие Нового света;

·         расширение торговых отношений.
 
Отделившись от старой алхимии, химия приобрела большую свободу исследования и утвердилась как единая независимая наука.
В XVI в. на смену алхимии пришло новое направление, которое занималось приготовлением лекарств. Это направление получило название ятрохимии. Основателем ятрохимии был швейцарский ученый Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, известный в науке под именем Парацельс. Ятрохимия стремилась соединить медицину с химией, используя препараты нового типа, приготовленные из минералов. Ятрохимия принесла значительную пользу химии, т. к. способствовала освобождению ее от влияния алхимии и заложила научно-практические основы фармакологии.
В XVII столетии, в век бурного развития механики, в связи с изобретением паровой машины, возник интерес химии к процессу горения. Итогом этих исследований стала теория флогистона, основоположником которой был немецкий химик и врач Георг Шталь. Теория флогистона основана на утверждении, что все горючие вещества богаты особым горючим веществом - флогистоном. Чем больше флогистона содержит вещество, тем более оно способно к горению. Металлы тоже содержат флогистон, но теряя его, превращаются в окалину. При нагревании окалины с углем, металл забирает от него флогистон и возрождается. Теория флогистона, несмотря свою на ошибочность, давала приемлемое объяснение процессу выплавки металлов из руд. Необъяснимым оставался вопрос, почему зола и сажа, оставшиеся от сгорания таких веществ, как дерево, бумага, жир, намного легче, чем исходное вещество.
В XVIII в. французский физик Антуан Лоран Лавуазье, нагревая различные вещества в закрытых сосудах, установил, что общая масса всех веществ, участвующих в реакции, остается без изменений. Лавуазье пришел к выводу, что масса веществ никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому. Этот вывод, известный сегодня как закон сохранения массы, стал основой для всего процесса развития химии XIX в.
Продолжая исследования, Лавуазье установил, что воздух является не простым веществом, а смесью газов, пятую часть которого составляет кислород, а остальные 4/5 азот. В это же время английский физик Генри Кэвендиш выделил водород и, сжигая его, получил воду, доказав, что вода - это соединение водорода и кислорода.
Проблема изучения химического состава веществ была главной в развитии химии вплоть до 30-40-х годов XIX в. Английский химик Джон Дальтон открыл закон кратных отношений и создал основы атомной теории. Он установил, что два элемента могут соединяться между собой в разных соотношениях, при этом каждая комбинация представляет собой новое соединение. Дальтон исходил из положения древних атомистов о корпускулярном строении материи, но, основываясь на понятии химического элемента, сформулированном Лавуазье, полагал, что все атомы отдельного элемента одинаковы и характеризуются своим атомным весом. Этот вес относителен, т. к. абсолютный атомный вес атомов определить невозможно. Дальтон составил первую таблицу атомных весов на основе водородной единицы.
Поворотный этап в развитии химической атомистики был связан с именем шведского химика Иенса Якоба Берцелиуса, который изучая состав химических соединений, открыл и доказал закон постоянства состава. Это позволило объединить атомистику Дальтона с молекулярной теорией, которая предполагала существование частиц (молекул), образованных из двух или более атомов и способных перестраиваться при химических реакциях. Заслугой Берцелиуса является введение химической символики, позволяющей обозначать не только элементы, но и химические реакции. Символ элемента обозначался первой буквой его латинского или греческого названия. В случаях, когда названия двух или более элементов начинаются с одной буквы, к ним добавляется вторая буква названия. Эта химическая символика была признана международной и используется в науке до настоящего времени. Берцелиусу также принадлежит идея разделения всех веществ на неорганические и органические.
До середины XIX в. развитие химии происходило беспорядочно и хаотически: открывались и описывались новые химические элементы, химические реакции, благодаря чему накопился огромный эмпирический материал, который требовал систематизации. Логическим завершением всего многовекового процесса развития химии стал первый международный химический конгресс, состоявшийся в сентябре 1860 г. в немецком городе Карлсруэ. На нем были сформулированы и приняты основополагающие принципы, теории и законы химии, которые заявили о химии как о самостоятельной развитой науке. Этот форум, внеся ясность в понятия атомных и молекулярных весов, подготовил условия для открытия периодической системы элементов.
Изучая химические элементы, расположенные в порядке увеличения их атомных весов, Менделеев обратил внимание на периодичность изменения их валентностей. Основываясь на увеличении и уменьшении валентности элементов в соответствии с их атомным весом, Менделеев разделил элементы на периоды. Первый период включает только водород, а затем следуют два периода по семь элементов, а затем периоды, где более семи элементов. Такая форма таблицы была удобной и наглядной, что сделало ее признанной мировым сообществом ученых.
Настоящим триумфом периодической системы стало предсказание свойств еще не открытых химических элементов, под которые в таблице были оставлены пустые клетки. Открытие периодического закона Д. И. Менделевым стало выдающимся событием в химии, приведя ее в состояние стройной систематизированной науки.
Следующим важным этапом в развитие химии явилось создание теории химического строения органических соединений А. М. Бутлеровым, которая утверждала, что свойства веществ зависят от порядка расположения атомов в молекулах и от их взаимного влияния.
На основе системы химических наук складывается химическая картина мира, т. е. взгляд на природу с точки зрения химии. Ее содержанием являются:
1.       Учение о химической организации объектов живой и неживой природы.
2.       Представление о происхождении всех основных типов природных объектов, их естественной эволюции.
3.       Зависимость химических свойств природных объектов от их структуры.
4.       Закономерности природных процессов как процессов химического движения.
5.       Знание о специфических свойствах искусственно синтезируемых объектов.






4.2. Структурные уровни организации жизни
 
Большинство ученых убеждены, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира.
До конца 50-х годов в научной и философской литературе общепринятым было знаменитое определение Ф. Энгельса, которое утверждало, что жизнь есть способ существования белковых тел, состоящий в постоянном самообновлении химических составных частей этого тела. Но к этому времени стало очевидным, что субстратная основа жизни не сводится только к белкам, а функциональная - к присущему им обмену веществ.
Интересны также определения жизни Э. Шредингера как апериодического пентакристалла. На основании этой концепцией можно объяснить наличие у животных и человека, хотя и асимметричной, но пятилучевой формы тела, пятипалой конечности и исходной пятичленной структуры цветков растений.
Г. Югай определил жизнь как космическую организованность материи. К этой концепции близка теория панспермии В. И. Вернадского.
Существует определение на основе термодинамики, подчеркивающее энергетический аспект жизни как противостояние энтропийным процессам.
Есть аксиоматические определения жизни, называющие ее важнейшие черты. Таково определение А. И.Опарина. К этой группе относят и определение Б. М. Медникова, называющее жизнью активное, идущее с затратой энергии, поддержание и воспроизведение специфических структур, функционирование которых описывают следующие положения:
1.       живые организмы характеризуются наличием фенотипа и генотипа;
2.       генетические программы не возникают заново, а реплицируются матричным способом;
3.       в процессе репликации неизбежны ошибки на микроуровне, случайные и непредсказуемые изменения генетических программ (мутации);
4.       в ходе формирования фенотипа эти изменения многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды.
 
Современная биология в вопросе о сущности живого все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом акцепт делается на то, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни. К числу свойств живого обычно относятся следующие:

·         живые организмы характеризуются сложной упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах;

·         живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию;

·         живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешнее раздражение является универсальным свойством всех живых существ, как растений, так и животных;

·         живые организмы не только изменяются, но и усложняются;

·         все живое размножается. Способность к самовоспроизведению - один из самых главных признаков жизни, так как и этом проявляется действие механизма наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы;

·         живые организмы передают потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Эта информация содержится в единицах наследственности (генах), расположенных в мельчайших внутриклеточных структурах. Генетический материал определяет направление развития организма. Информация в процессе передачи несколько изменяется, искажается. В связи с этим, потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них;

·         живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни.
 
В обобщенном и упрощенном варианте все отмеченное можно выразить в выводе, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.
Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются как бы переходные формы от неживого к живому. Так, например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки другого организма и используя его ферментные системы. Поэтому, в зависимости от того, какой признак живого мы считаем самым важным, мы относим вирусы к живым системам или нет. Естественно, что в определении жизни должны быть зафиксированы все эти функциональные признаки. Поэтому можно предложить следующее определение: жизнь - высшая из природных форм движения материи, характеризующаяся самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфороорганические соединения.
Важными признаками жизни также являются:

·         противостояние энтропийным процессам,

·         обмен веществ с окружающей средой,

·         воспроизводство на основе генетического кода,

·         молекулярная хиральность.
 
Все объекты живой природы представляют собой системы, для которых характерно иерархическое соподчинение входящих в них элементов. На основании этого выделяют биологическую концепцию структурных уровней. В соответствии с ней, все живые системы делятся на следующие уровни:
1.       молекулярно-генетический (изучение физико-химических процессов, происходящих в живых организмах: обмен веществ и энергии);
2.       онтогенетический (изучение живых систем на уровнях клеток, тканей, органов, систем органов, организма);
3.       популяционно-видовой (изучение процессов микроэволюции);
4.       биоценотический (на уровне экосистем изучается экология);
5.       биосферный (вопросы глобальной экологии, биосферы, ноосферы).
 
Современное понимание жизни не исключает ее существования на других планетах.
 






4.3. Происхождение и сущность жизни
 
Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили разные концепции возникновения жизни:

·         креационизм - сотворение жизни Богом;

·         концепция самопроизвольного зарождения из неживого вещества;

·         концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

·         концепция внеземного происхождения жизни в соответствии с которой жизнь занесена из Космоса.
 
Концепция креационизма, по существу, не является научной, поскольку она возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения и сущности жизни. Тем не менее, эта концепция продолжала и продолжает пользоваться довольно большой популярностью.
Остальные концепции появились позже, но вплоть до XIX века ни одна из них не смогла сформировать единую биологическую картину мира и тем самым дать приемлемое объяснение происхождению жизни.
В XIX веке в биологии возникли концепции:
1) механистический материализм - не признавал качественной специфики живых организмов и представлял жизненные процессы как результат действия химических и физических процессов. С этой точки зрения живые организмы выглядели как сложные машины. Но аналогия между живым существом и машиной не объясняет именно того, что она призвана объяснять: причину целесообразной организации живых существ. Такой подход неверен в самой своей основе. Ведь машины не возникают сами собой в природных условиях. Их целесообразность, приспособленность строения к выполнению определенной работы нельзя вывести из взаимодействия закономерностей неорганического мира. Она является продуктом созидательной деятельности человека, его целенаправленных творческих усилий. В силу этого механицизм и его более поздняя разновидность - редукционизм (пытавшийся свести явления жизни к химическим и физическим процессам как своим элементарным составляющим) - всякий раз беспомощно останавливались перед проблемой происхождения жизни.
2) витализм - противоположная точка зрения (от лат. vitalis - жизненный), который объяснял качественное отличие живого от неживого наличием в живых организмах особой «жизненной силы», отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам. Такое решение проблемы сущности жизни тесно связано с признанием факта творения ее Богом, разумным нематериальным началом и т. д. Между обоими направлениями шла ожесточенная борьба идей о происхождении и сущности жизни.
Ученые-экспериментаторы вплоть до середины XIX века придерживались идеи самопроизвольного зарождения жизни из различных материальных образований, в том числе из гниющей земли, отбросов и иных объектов. Этой точки зрения придерживались такие крупные ученые и выдающиеся мыслители, как Аристотель, врач Парацельс, эмбриолог Гарвей, Коперник, Галилей, Декарт, Гете, Шеллинг и др. Их авторитет во многом определил длительный срок существования идеи самозарождения и ее широкое распространение. Достаточно сказать, что ни опыты Ф. Реди (XVII в.), который доказал невозможность самозарождения червей из гниющего мяса при отсутствии мух и провозгласил знаменитый принцип «все живое - от живого», ни даже опыты, показавшие, что в прокипяченных органических настоях не могут самопроизвольно зарождаться микроорганизмы, не оказали сильного влияния на господствующую в науке концепцию спонтанного самозарождения.
Лишь в 60-е годы XIX века в развернувшейся между Ф. А. Пуше и Л. Пастером дискуссии, потребовавшей экспериментальных исследований, удалось строго научно обосновать несостоятельность этой концепции. Опыты Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда были ранее занесены их зародыши. Если же сосуд с питательной средой оградить от занесения в него микробов, то не произойдет никакого самозарождения. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов. Но и они не давали ответа на вопрос, откуда взялась жизнь.
Примерно в этот же период времени (1865 г.) на стыке космогонии и физики немецким ученым Г. Рихтером разрабатывается гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса - так называемая концепция панспермии. Согласно этой идее, зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции живого, которая в свою очередь породила все многообразие земной жизни. Концепцию панспермии разделяли такие крупные ученые, как С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский, что способствовало ее широкому распространению среди ученых. В 1908 г. шведский химик Сванте Аррениус поддержал гипотезу происхождения жизни из космоса. Он высказал мысль, что жизнь на Земле началась тогда, когда на нашу планету из космоса попали зародыши жизни. «Частицы жизни», носящиеся в бескрайних просторах космоса, переносимые давлением света от звезд, оседали то здесь, то там, осеменяя ту или иную планету.
Тем не менее пока и эта гипотеза полного научного обоснования не получила. Хотя спектр возможных условий для существования живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей. К тому же эта гипотеза не решает проблемы происхождения жизни, а лишь выносит ее за пределы земли - если жизнь была занесена на землю из космоса, то где и как она возникла? Есть вариант этой гипотезы, утверждающий вечность жизни во вселенной. Считается, что после большого взрыва, в результате которого образовалась наша вселенная, в процессе появления вещества на самых ранних этапах эволюции вселенной произошло разделение этого вещества на живое и неживое, и жизнь существует столько же времени, сколько и весь космос.
Наряду с гипотезой панспермии в современной научной литературе сохраняется также гипотеза о случайном характере возникновения на Земле первичной живой молекулы, которая появилась лишь раз за все время существования нашей планеты. В силу этого обстоятельства экспериментальную проверку данной гипотезы произвести невозможно. Эта гипотеза получила широкое распространение среди генетиков в связи с открытием роли ДНК в явлениях наследственности. Г. Меллер в 1929 г. развивал мысль, что чисто случайно на Земле возникла единичная «живая генная молекула», обладавшая внутримолекулярным жизнеопределяющим строением, которое она пронесла неизменным через все развитие земной жизни. Долгое время моделью такой «живой молекулы» считали частицу нуклеопротеида вируса табачной мозаики, но сейчас стало очевидным, что вирусы нельзя рассматривать как промежуточный этап на пути возникновения жизни: сперва должна была возникнуть жизнь, а затем вирус. Тем не менее, идея случайного возникновения ДНК до сих пор широко распространена в научной литературе, хотя вероятность такого события очень мала.
Таким образом, на протяжении веков менялись взгляды на эту проблему, но наука все еще далека от ее решения. И сегодня продолжаются споры о сущности жизни: является ли она просто чрезвычайно упорядоченным состоянием обычных атомов и молекул, из которых состоит «живое вещество», или существуют пока не открытые элементарные «частицы жизни», переводящие обычные химические и физические вещества в живое состояние. Веских доказательств и аргументов в пользу справедливости той или иной точки зрения нет.
Очевидно, более целесообразно рассматривать жизнь как особую форму движения материи, закономерно возникшую на определенном этане ее развития. Разумеется, возникновение жизни содержало элемент случайности, но оно было не абсолютно случайным, а в основе своей закономерным, необходимым. Видимо, появление жизни произошло, когда химическая эволюция после одной из точек бифуркации привела к появлению живого организма и началу биологической эволюции.
Поэтому сегодня наиболее перспективным направлением для естествознания является исследование возникновения жизни на нашей планете из неживой материи в ходе процессов самоорганизации.
Гипотеза происхождения жизни А. И. Опарина (1924 г.) явилась первой научной концепцией, доказавшей на основе экспериментов возможность естественного возникновения простейших организмов из неорганических веществ. Ученый выступил с утверждением, что монополия биотического синтеза органических веществ характерна лишь для современного периода существования нашей планеты.
В начале своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней осуществлялись абиотические синтезы углеродных соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Затем шло постепенное усложнение этих соединений, формирование из них индивидуальных обособленных систем, превращение их в протобионты, а затем в первичные живые вещества.
А. И. Опарин стал рассматривать появление жизни как естественный процесс, который состоял из первоначальной химической эволюции, протекавшей на ранних этапах развития планеты и перешедший постепенно на качественно новый уровень - биохимическую эволюцию.
Этот процесс с самого начала был неразрывно связан с геологической эволюцией Земли. Опарин предположил и экспериментально доказал, что под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетового излучения в газовых смесях, содержащих пары воды, аммиака, цианистого водорода, метана и др., появляются аминокислоты, нуклеотиды, полипептиды, другие вещества, свойственные живым организмам.
Согласно гипотезе Опарина, возникновение и развитие химической эволюции произошло в ходе образования и накопления в первичных водоемах исходных органических молекул, которые скапливались в сравнительно неглубоких местах, прогреваемых солнцем, богатым ультрафиолетовым излучением при отсутствии озонового слоя атмосферы.
Ультрафиолетовые лучи обеспечивали энергией протекание химических реакции между органическими соединениями. Таким образом, в некоторых зонах первичных водоемов протекали случайные химические реакции. Большая их часть быстро завершилась из-за недостатка исходного сырья. Но в хаосе химических реакций произвольно возникали и закреплялись реакции циклических типов, обладавшие способностью к самоподдержанию. Результатом этих реакций и стали коацерваты - пространственно обособившиеся целостные системы. Существенной их особенностью была способность поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой. Естественный отбор способствовал сохранению наиболее устойчивых коацерватных систем. Система, описанная Опариным, представляла собой открытую химическую микроструктуру и уже была наделена способностью к обмену веществ, хотя еще не имела системы для передачи генетической информации на основе функционирования нуклеиновых кислот.
В ходе естественного отбора возникли важнейшие свойства жизни, отличающие ее от предыдущего этапа развития. Возникшие целостные многомолекулярные системы, обособленные от окружающей среды определенной границей раздела, сохраняли с ней взаимодействие по типу открытых систем. Только такие системы, черпающие из внешней среды вещества и энергию, могли противостоять нарастанию энтропии и даже способствовать ее уменьшению в процессе своею роста и развития, что является характерным признаком всех живых существ.
Естественный отбор сохранял те целостные системы, в которых более совершенной была функция обмена веществ, способствовавшая быстрому росту системы и ее динамической устойчивости в данных условиях существования.
Выживающие в ходе естественного отбора системы имели специфическое строение белков и нуклеотидов, которые и обусловили появление наследственности. В органической химии известны примеры реакций такого типа. Их отбор и выживание следует рассматривать как возможный качественный скачок, создавший предпосылки для перехода от химической эволюции к биологической. Вместе с отбором и совершенствованием циклических комплексов происходил отбор и совершенствование участвующих в этих реакциях органических молекул.
Популярность концепции Опарина в научном мире очень велика. Его ученики и последователи и сегодня продолжают исследования в этом направлении. Но у этой концепции есть как сильные, так и слабые стороны.
 





4.4. Начало жизни на Земле
 
Сегодня можно уверенно утверждать, что развитие природы носит направленный характер, выражающийся в нарастании сложности и упорядоченности вещества и его структур во Вселенной. Жизнь одна из самых высоких известных человеку форм упорядоченности вещества, которая может возникнуть только по достижении развивающейся Вселенной определенной стадии эволюции и только в таких ее локальных системах, где существуют необходимые условия для столь высокого уровня упорядоченности вещества. Пока известно только одно место во Вселенной, где есть жизнь, это наша планета Земля.
Наша планета наилучшим образом подходит дня зарождения жизни. Возраст Земли предполагается равным 4,6 млрд. лет, а первые осадочные породы, свидетельствующие о появлении крупных водоемов, заполненных жидкой водой, датируются возрастом 3,8-4 млрд. лет.
За счет дегазации лав, выплавлявшихся из верхней мантии при интенсивном вулканизме, на Земле постепенно возникли атмосфера и гидросфера. При дегазации вулканических лав на поверхность Земли поступали прежде всего пары воды и газообразные соединения углерода, серы, азота.
Вначале атмосфера была такой тонкой, что парниковый эффект был ничтожен. В таком случае средняя температура поверхности Земли была около 15 °С. А при такой температуре все пары воды должны были конденсироваться, за счет этого и образовались океаны.
Первичная атмосфера не содержала свободного кислорода, поскольку его не содержали те газы, которые выбрасывались при извержении вулканов. Это подтверждает анализ пузырьков газа, обнаруженных в протоархейских породах. 60% этих газов составляла углекислота, остальное - соединения серы, аммиака, другие окислы углерода. Что касается воды первичного океана, то исследователи сходятся на том, что ее состав был близок к современному. Для этого есть немало доказательств. Но так же, как и в первичной атмосфере, в первичном океане не было свободного кислорода. Свободный кислород, современной атмосферы и океана являются результатом жизнедеятельности первичного живого вещества.
Для построения любого сложного органического соединения, входящего в состав живых тел, нужен небольшой набор блоков-мономеров. Установлено, что 29 мономеров описывают биохимическое строение любого живого организма. Основными из них являются:

·         аминокислоты - из них построены все белки;

·         азотные соединения - составные части нуклеиновых кислот;

·         глюкоза - источник энергии,

·         жиры - структурный материал мембран клеточных структур и источник энергии и др.
 
После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например, на глине или гидроксиде железа, образующих ил водоемов. Кроме того, органические вещества могли образовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.
В начальный период формирования нашей планеты воды, пропитывающие земной грунт, непрерывно перемещали растворенные в них вещества из мест их образования в места накопления. Там формировались протобионты системы органических веществ, способных взаимодействовать с окружающей средой, то есть расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды разнообразных богатых энергией веществ.
Далее образуются микросферы - шаровидные тела, возникающие при растворении и конденсации абиогенно полученных белковоподобных веществ.
Началом жизни на Земле принято считать появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Переход от сложных органических веществ к простым живым организмам наукой пока не установлен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему, в соответствии с которой между коацерватами (сгустками органических веществ) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту.
Следующим шагом в организации живого должно было быть образование мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и сформировалась клетка «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках.
Сегодня не вызывает сомнений предположение В.И. Вернадского о том, что жизнь сразу возникла в виде примитивной биосферы, потому, что только разнообразие видов живых организмов могло обеспечить выполнение всех функций живого вещества в биосфере. В.И. Вернадский впервые нарисовал панораму исторического развития биосферы и показал роль живого вещества в процессе эволюции Земли, неотделимость эволюции биосферы от геологической истории планеты.
Вернадский доказал, что жизнь является мощнейшей геологической силой, вполне сравнимой с такими геологическими процессами, как горообразование, извержение вулканов, землетрясения и т. д. Жизнь не просто существует в окружающей ее среде, но активно формирует эту среду, преобразуя ее «под себя». Вернадский выделил биогеохимические функции жизни, отвечающие за это. К ним относятся:
1.       газовая - поглощение и выделение кислорода, углекислого газа и др.;
2.       окислительная - образование карбонатов, сульфидов, соединений с азотом, серой, фосфором, железом, марганцем и т.д.;
3.       восстановительная - десульфирование, денитрификация и т.д.;
4.       концентрационная - концентрация отдельных химических элементов - фосфора, калия, бора, азота, серы, кальция, натрия, цинка и др;
5.       синтетическая - синтез органического вещества.
 
Можно утверждать, что весь облик современной Земли, все ее ландшафты, осадочные, метаморфические породы (граниты, гнейсы, образовавшиеся из осадочных пород), запасы многих полезных ископаемых, современная атмосфера являются результатом деятельности живого вещества.
Следы самых древнейших организмов обнаружены в кремнистых пластах Западной Австралии, возраст которых, а следовательно, и возраст останков жизни оценен в 3,2 - 3,5 миллиарда лет. Это минерализовавшиеся нитчатые и округлые микроорганизмы примерно десятка различных видов, напоминающие простейшие бактерии и микроводоросли. Организмы, видимо, имели внутренние структуры, в них присутствовали химические соединения, способные осуществлять фотосинтез. Обнаруженные древнейшие организмы бесконечно сложны по сравнению с самым сложным из известных органических соединений неживого (абиогенного) происхождения. Нет сомнений в том, что это не самые ранние формы жизни и что существовали их более древние предшественники.
Истоки жизни уходят в первый миллиард лет существования Земли как планеты, который не оставил следов в ее геологической истории. Есть данные, что известный биогеохимический цикл углерода, связанный с фотосинтезом в биосфере, существенно стабилизировался более 3,8 миллиарда лет назад. А это позволяет считать, что фотоавтотрофная биосфера существовала на нашей планете не менее 4 миллиардов лет назад. Но по всем данным цитологии и молекулярной биологии, фотоавтотрофные организмы были вторичными в процессе эволюции живого вещества.
Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу и энергию от органического материала абиогенного происхождения, образовавшегося еще раньше, на космической стадии эволюции Земли. Исходя из этого предполагают, что жизнь могла возникнуть около 4-х млрд. лет назад, т. е существует столько времени, сколько существует сама планета.
Развитие биосферы Земли можно рассматривать как последовательную смену трех этапов.
Первый этап - восстановительный начался еще в космических условиях и завершился появлением на Земле гетеротрофной биосферы.
Можно предположить, что ранняя Земля первоначально была холодным телом, окруженным разреженной восстановительной атмосферой смесью метана, аммиака, паров воды при общем давлении не более 1-10 мм рт. ст. Температура поверхности достигала примерно -50-60 °С, так что вода ледяным покровом окружала литосферу. Под действием солнечных и космических частиц, проникавших через разреженную атмосферу, происходила ее ионизация: атмосфера находилась в состоянии холодной плазмы. Атмосфера ранней Земли была насыщена электричеством, в ней вспыхивали частые разряды. В таких условиях шел быстрый и одновременный синтез разнообразных органических соединений, в том числе и весьма сложного состава.
Низкая температура и холодная атмосфера плазмы создавали условия для успешного протекания процессов полимеризации. Возникшие биополимеры стали предшественниками тех, из которых потом строилась жизнь. Их образование протекало в атмосфере, откуда они выпадали на ледяной покров Земли, накапливаясь в нем. В условиях гигантского естественного холодильника они хорошо сохранялись до лучших времен.
Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектоническую деятельность, заработали вулканы. Выделение газов уплотнило атмосферу, отодвинув границу ионизации в ее верхние слои. Растаял ледяной покров, образовав первичные водоемы. Это активизировало химическую деятельность накопленных биополимеров, углеводов, жиров. Они претерпевали самосборку, образуя стабильные микросферы (коацерватные капли). Произошел скачок, характерный для самоорганизации вещества, образовался протобионт - молекула РНК, отвечавшая сразу за две основные функции живой системы: обмен веществ и воспроизводство материальных основ этой системы.
На первом этапе развития биосферы появились малые сферические анаэробы (организмы, живущие при отсутствии кислорода) и прокариоты (организмы, лишенные оформленного ядра), физиологические процессы которых основывались не на кислородном окислении, а на брожении. Они начали производство свободного кислорода, что привело к окислительным процессам на земной поверхности и в океане. Это были гетеротрофные организмы, пищей для которых служили ранее накопленные органические соединения, растворенные в водах первичного океана. Таким образом, очевидно, первичная биосфера ограничивалась водной средой. Длительность ее существования была в геологических масштабах невелика, так как первичные гетеротрофные организмы, обладая свойствами живого вещества, быстро размножились и, естественно, быстро исчерпали свою питательную базу. Поэтому, достигнув максимальной биомассы, они должны были вымереть или перейти к автотрофному фотосинтетическому способу питания.
Новый способ питания благоприятствовал быстрому расселению организмов у поверхности первичных водоемов. Первичная поверхность Земли, лишенная свободного кислорода, подвергалась ультрафиолетовому излучению Солнца, поэтому, возможно, первичные фотохимические организмы использовали энергию ультрафиолетовой области спектра. Только после возникновения озонового экрана в связи с появлением свободного кислорода как побочного продукта фотосинтеза автотрофный фотосинтетический процесс начал использовать излучение в видимой части солнечного спектра.
Первичные гетеротрофные микроорганизмы обитали в древних водоемах лишь некоторое время. Затем их оттеснили фотоавтотрофные организмы, создавшие свободный кислород, который стал смертельным ядом для гетеротрофов. Можно предполагать, что в раннем океане происходила борьба между первичными и вторичными организмами, которая завершилась победой автотрофов.
Это составило содержание второго этапа эволюции биосферы слабоокислительного, главным результатом которого стало появление фотосинтеза.
Процесс насыщения атмосферы кислородом шел крайне медленно. Так, содержание кислорода в одну тысячную долю современной концентрации было достигнуто лишь около 1,2 миллиарда лет назад. Но уже этого оказалось достаточно, чтобы в составе биосферы (пока только в океане) появились первые эукариоты, жизнедеятельность которых была основана на кислородном дыхании. В естествознании существует понятие «точка Пастера» - такая концентрация свободного кислорода, при которой кислородное дыхание становится примерно в 50 раз более эффективным способом использования внешней энергии Солнца, чем анаэробное брожение. После перехода через точку Пастера преимущество получают организмы, способные к кислородному дыханию. Этот рубеж Земля перешагнула, по разным данным, 2,5 - 0,6 млрд. лет назад. Затем, за пару сотен миллионов лет, насыщенность атмосферы Земли кислородом достигла современного уровня и произошел настоящий биологический взрыв - в океане появились не только новые многоклеточные эукариоты, но и практически все типы животных.
Около 400 миллионов лет назад, когда концентрация свободного кислорода достигла 10 % от современной, возник озонный экран, предохраняющий живое вещество от жесткого излучения, и жизнь вышла на сушу. Как только это случилось, резко возросла интенсивность реакций фотосинтеза, а следовательно, и поступление кислорода в атмосферу. Благодаря этому уже за 100 миллионов лет был достигнут современный уровень концентрации кислорода в 21 %. После этого ситуация с кислородом сделалась близкой к равновесию. За это время появились папоротники, хвощи, семенные папоротники. Развитие наземной растительности и образование почв создало предпосылки для выхода на поверхность континента животных. В результате эволюции растительного мира в мезозойской эре возникли леса хвойных и цветковых растений, полные жизни.
В процессе формирования биосферы, примерно 1 млрд. лет назад произошло разделение живых существ на два царства - растений и животных. Как считает большинство биологов, различие между ними нужно делать по трем основаниям:
1.       по структуре клеток и их способности к росту;
2.       по способу питания;
3.       по способности к движению.
 
При этом отнесение живого существа к одной из этих групп следует проводить не по каждому отдельному основанию, а по совокупности всех трех. Это связано с тем, что между растениями и животными существуют организмы, которые обладают свойствами той и другой группы. Так, например, кораллы, моллюски, речная губка всю жизнь остаются неподвижными, как растения, но по другим признакам их относят к животным. Существуют насекомоядные растения, которые по способу питания относятся к животным. В биологии известны также переходные типы живых организмов, которые питаются как растения, а двигаются как животные. В настоящее время на Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн. видов животных, в том числе позвоночных - 70 тыс.
Формирование и развитие биосферы предстает как чередование этапов эволюции, прерываемых скачкообразными переходами в качественно новые состояния. В результате при этом образовывались все более сложные и упорядоченные формы живого вещества. В истории биосферы бывали временные остановки прогрессивного развития, но они никогда не переходили в стадию деградации, поворота развития вспять. Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть на основные вехи в истории развития биосферы:

·         появление простейших клеток-прокариотов (клетки без ядра);

·         появление значительно более организованных клеток-эукариотов (клетки с ядром);

·         объединение клеток-эукариотов с образованием многоклеточных организмов, функциональная дифференциация клеток в организмах;

·         появление организмов с твердыми скелетами и формирование высших животных;

·         возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование мозга как органа сбора, систематизации, хранения информации и управления на ее основе поведением организмов;

·         формирование разума как высшей формы деятельности мозга;

·         образование социальной общности людей носителей разума.
 
Вершиной направленного развития биосферы стало появление в ней человека. В ходе эволюции Земли на смену периоду геологической эволюции пришел период геолого-биологический, который с появлением человека уступил свое место периоду социальной эволюции. Самые крупные изменения в биосфере Земли наступили именно в этот период. Появление и развитие человека ознаменовало переход биосферы в ноосферу - новую оболочку Земли, область сознательной деятельности человечества.
 






4.5. Современная теория эволюции
 
Соединение дарвинизма с генетикой началось в 20-е годы нашего столетия. Объединение этих направлений между собой стало основой современного дарвинизма, или синтетической теории эволюции.
Первоначальная теория эволюции Дарвина н дальнейшем подверглась значительным уточнениям, дополнениям и исправлениям. Генетика привела к новым представлениям об эволюции, получившим название неодарвинизма, который можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Другое общепринятое название неодарвинизма - синтетическая, или общая, теория эволюции. В ней элементарной единицей эволюции служит популяция, поскольку именно в ее рамках происходят наследственные изменения генофонда. Кроме того, механизм эволюции стал рассматриваться как состоящий из двух частей:
1.       случайные мутации на генетическом уровне;
2.       наследование наиболее удачных с точки зрения приспособления к окружающей среде мутаций, т. к. их носители выживают и оставляют потомство.
 
Становление теории началось с созданной в 1926 году С. С. Четвериковым популяционной генетики. Из его работ стало ясно, что отбору подвергаются не отдельные признаки и отдельные особи, а генотип всей популяции. Через фенотипические признаки отдельных особей осуществляется отбор генотипов популяции, ведущий к распространению полезных изменений. Затем в создание новой теории включились около 50 ученых из восьми стран, их коллективными трудами и была создана синтетическая теория эволюции (СТЭ).
Структурно СТЭ состоит из теорий микро- и макроэволюции. Теория микроэволюции изучает необратимые преобразования генетико-экологической структуры популяции, которые могут привести к формированию нового вида. Реально вид существует в виде популяций. Именно популяция является элементарной единицей эволюции.
Теория макроэволюции изучает происхождение надвидовых таксонов (семейств, отрядов, классов и т.д.), основные направления и закономерности развития жизни на Земле в целом, включая возникновение жизни и происхождение человека как биологического вида.
Изменения, которые изучаются в рамках микроэволюции, доступны непосредственному наблюдению, тогда как макроэволюция происходит на протяжении длительного исторического периода времени и поэтому ее процесс может быть только реконструирован задним числом. Но макро- и микроэволюция происходят в конечном итоге под воздействием изменений в окружающей среде.
Сегодня биологами, изучающими микро- и макроэволюцию, накоплено достаточно материалов, которые можно систематизировать в виде основных положений СТЭ:
1.       Главный движущий фактор эволюции - естественный отбор как следствие конкурентных отношений борьбы за существование, особенно острой внутри вида или популяции. Факторами видообразования являются также мутационный процесс (мутации разных типов), дрейф генов (генетико-автоматические процессы) и различные формы изоляции.
2.       Эволюция протекает дивергентно (т. е. в сторону расхождения признаков), постепенно, через отбор мелких случайных мутаций. Новые формы могут образовываться через крупные наследственные изменения (сальтации). Их жизненность также определяется отбором.
3.       Эволюционные изменения случайны и ненаправлены. Исходным материалом для эволюции являются мутации разного типа. Сложившаяся исходная организация популяции и последовательные изменения условий среды ограничивают и канализируют наследственные изменения в направлении неограниченного прогресса.
4.       Макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществляется через процессы микроэволюции и каких-либо особых механизмов возникновения новых форм жизни не имеет.
 
Н.В. Тимофеев-Ресовский сформулировал положение об элементарных явлениях и факторах эволюции:
1.       элементарная эволюционная структура - популяция;
2.       элементарное эволюционное явление - изменение генотипического состава популяции;
3.       элементарный эволюционный материал - генофонд популяции;
4.       элементарные эволюционные факторы - мутационный процесс, «волны жизни», изоляция, естественный отбор.
 
Оказалось, что популяция в качестве элементарной структуры должна реально существовать в природных условиях и быть способной изменяться с течением времени. Популяция - это совокупность особей данного вида, занимающих территорию внутри ареала вида, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других популяций.
В свою очередь элементарным эволюционным явлением считаются наследственные изменения популяций, в результате спонтанных мутации, представляющих собой гетерогенную смесь различных генотипов. Изменения эти тем отчетливее, чем более интенсивно и длительно воздействие факторов, их вызывающих. В результате происходит изменение генофонда или генотипического состава популяции.
Еще одно требование к популяциям, выступающим в качестве единиц эволюции, - способность трансформироваться в элементарный эволюционный материал. А это осуществимо при следующих условиях:
1.       у всех особей, составляющих популяцию, должны происходить наследственные изменения материальных единиц;
2.       эти изменения должны затрагивать все свойства особей, вызывая их отклонения от исходных;
3.       они должны затрагивать биологически важные свойства особей;
4.       изменения эти должны быть четко выражены у популяций, обитающих в природных условиях;
5.       часть таких изменении должна «выходить» на историческую арену эволюции, участвуя в образовании таксонов низшего ранга;
6.       скрещивающиеся таксоны должны различаться наборами и комбинациями элементарных единиц наследственной изменчивости.
 
Согласно постулатам СТЭ, требованиям элементарного эволюционного материала удовлетворяют различного рода мутации. К их числу относят генные, хромосомные, геномные мутации. Чтобы мутации служили материалом эволюции, необходимы: достаточная частота возникновения мутации, четкость в проявлении мутантных признаков и четко выраженная биологическая значимость этих признаков, генетические различия между природными таксонами.
Не менее важны и так называемые элементарные эволюционные факторы, воздействующие на количественные соотношения генов конкретной популяции. Такого рода факторы должны удовлетворять следующим требованиям:
1.       быть поставщиком элементарного эволюционного материала, необходимого для проявления элементарного эволюционного явления - изменения генотипического состава популяции;
2.       расчленять исходную популяцию на две или несколько, разделенные различными изоляционными барьерами;
3.       создавать внутрипопуляционные барьеры;
4.       вызывать адаптивные изменения.
 
Первый фактор, удовлетворяющий вышеназванным требованиям, это мутационный процесс, одновременно являющийся и поставщиком элементарного эволюционного материала. Но сам по себе этот фактор не способен оказывать направляющее воздействие на эволюционный процесс. Для этого нужен второй фактор - популяционные волны, или «волны жизни», - количественные колебания в численности популяций под воздействием различных причин - сезонной периодики, климатических, природно-катастрофических и пр.
Эволюционная роль «волн жизни» проявляется в двух планах. Во-первых, в изменении частот генов в популяциях, приводящем к снижению наследственной изменчивости. Процесс этот, названный американским генетиком С. Райтом «дрейфом генов», а Н. П. Дубининым - «генетико-автоматическим процессом», всегда имеет место при резком снижении численности популяции. Генотипически это сопровождается увеличением гомозиготности, что связано с увеличением числа близкородственных скрещивании. Другое проявление «волн жизни» сводится к изменениям в концентрации различных мутаций, а также к уменьшению разнообразия генотипов, содержащихся в популяции. А это в свою очередь может привести к изменениям направленности и интенсивности действия отбора.
Третий элементарный эволюционный фактор - это изоляция. Нарушая свободное скрещивание, изоляция закрепляет возникшие как случайно, так и под действием отбора различия в наборах и численности генотипов в изолированных частях популяции. Различают два типа изоляции: территориально-механическую, или пространственно-географическую, и биологическую, или репродуктивную. Смысл первой ясен из названия. Биологическая же изоляция имеет пять форм: этологическую (различия в поведении особей), экологическую (различия в предпочтении разных мест обитания), сезонную (различия в сроках размножения), морфологическую (различия в размерах, структуре как всего тела организма, так и отдельных его органов), генетическую (различия наследственного аппарата, приводящие к несовместимости половых клеток). Общим итогом изоляции является возникновение независимых генофондов двух популяций, которые в итоге могут трансформироваться в самостоятельные виды.
Четвертый элементарный эволюционный фактор естественный отбор. Его генетическая сущность дифференцированное (неслучайное) сохранение в популяции определенных генотипов и избирательное их участие в передаче генов следующему поколению. Здесь важно подчеркнуть, что естественный отбор воздействует не на отдельный фенотипический признак, не на отдельный ген, а на всю генетическую систему. Его роль проявляется на уровне фенотипа, который формируется в результате взаимодействия генотипа со средой.
В настоящее время известны три формы отбора. Это движущий отбор, при котором в результате новых мутаций или перекомбинаций уже имеющихся генотипов или при изменении условий среды в популяции возникают новые генотипы с селективными свойствами. Тогда может возникнуть новый вектор, или направленность, отбора. Под контролем такого отбора генофонд популяции изменяется как единое целое, то есть отсутствует дивергенция дочерних форм.
Вторая форма отбора получил название стабилизирующего. Ею роль сводится к тому, что в конкретных условиях на основе разных генотипов в популяции становится преобладающим оптимальный для этих условии фенотип. При длительной неизменности таких условий стабилизирующий отбор как бы охраняет ставший устойчивым фенотип от давления любой фенотипической изменчивости.
Третья форма отбора называется дизруптивной. Ее роль в том, чтобы внутри популяции могли возникнуть отчетливо различающиеся формы. При снижении возможности скрещивания между такими популяциями, например, в условиях изоляции, может происходить их дальнейшее расхождение, вплоть до образования новых видов.
СТЭ не является застывшей концепцией. У нее есть ряд трудностей, на которых основываются недарвиновские концепции эволюции, как уже упоминавшиеся выше, так и недавно возникшие, например, пунктуализм. Сторонники этой концепции считают, что процесс эволюции идет путем редких и быстрых скачков, а в 99 % своего времени вид пребывает в стабильном состоянии (стазисе). В предельных случаях скачок к новому виду может совершаться в течение одного или нескольких поколений, и в популяции, состоящей всего из десятка особей.
Эта гипотеза опирается на широкую генетическую базу, заложенную рядом фундаментальных открытий в молекулярной генетике и биохимии. Пунктуализм отверг генетико-популяционную модель видообразования, идею Дарвина о том, что разновидности и подвиды являются зарождающимися видами, и сфокусировал свое внимание на молекулярной генетике особи как носителе всех свойств вида.
Ценность этой концепции заключается в идее разобщенности микро- и макроэволюции и независимости управляемых ими факторов. Тем не менее, возможно, в будущем СТЭ и недарвиновские концепции эволюции, дополняя друг друга, объединятся в новую единую теорию жизни.
 





4.6. Основы генетики
 
Центральным понятием генетики является «ген». Это элементарная единица наследственности, характеризующаяся рядом признаков. По своему уровню ген - внутриклеточная молекулярная структура. По химическому составу - это нуклеиновые кислоты, в составе которых основную роль играют азот и фосфор. Гены располагаются, как правило, в ядрах клеток. Они имеются в каждой клетке, и поэтому их общее количество в крупных организмах может достигать многих миллиардов. По своей роли в организме гены представляют собой своего рода «мозговой центр» клеток.
Генетика изучает два фундаментальных свойства живых систем наследственность и изменчивость, то есть способность живых организмов передавать свои признаки и свойства из поколения в поколение, а также приобретать новые качества. Наследственность создаст непрерывную преемственность признаков, свойств и особенностей развития в ряду поколений. Изменчивость обеспечивает материал для естественного отбора, создавая как новые варианты признаков, так и бесчисленное множество комбинаций прежде существовавших и новых признаков живых организмов.
Признаки и свойства организма, передающиеся по наследству, фиксируются в генах участках молекулы ДНК (или хромосомы), определяющих возможность развития одного элементарного признака или синтез одной белковой молекулы. Совокупность всех признаков организма называется фенотипом. Совокупность всех генов одного организма называется генотипом. Фенотип представляет собой результат взаимодействия генотипа и окружающей среды. Эти открытия, термины и их определения связаны с именем одного из основоположников генетики В. Иогансена.
В основу генетики были положены закономерности наследственности, обнаруженные чешским ученым Грегором Менделем при проведении им серии опытов по скрещиванию различных сортов гороха. Скрещивание двух организмов называется гибридизацией, потомство от скрещивания двух особей с различной наследственностью называется гибридным, а отдельная особь гибридом. В ходе этих исследований Менделем были открыты количественные закономерности наследования признаков. Заслуга Менделя в области генетики заключается, прежде всего, в четком изложении и описании законов генетики, которые в честь своего первооткрывателя были названы законами Менделя.
При скрещивании двух организмов, относящихся к разным чистым линиям, все первое поколение гибридов (F1) окажется единообразным и будет нести признак одного из родителей. Это первый закон Менделя. Проявление признака зависит от того, какой из генов является доминантным, а какой рецессивным. Важно также отметить, что мутация может возникнуть в разных участках одного и того же гена. Это приводит к появлению серии множественных аллелей. Аллели - это различные состояния одного итого же гена. При этом возникает несколько вариантов одного признака (например, у мухи дрозофилы известна серия аллелей по гену окраски глаз: красная, коралловая, вишневая, абрикосовая, вплоть до белой).
Второй закон Менделя гласит, что при скрещивании двух потомков первого поколения между собой двух гетерозиготных особей (Аа) во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом отношении: по феногину 3:1, но генотипу 1:2:1 (AA+2Aa+aa).
При скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях. Это третий закон Менделя, проявляющийся в том случае, когда исследуемые гены находятся в разных хромосомах.
Важным этаном в становлении генетики было создание хромосомной теории наследственности, связанной с именем Т. Моргана. Он выявил закономерности наследования признаков, гены которых находятся в одной хромосоме. Их наследование идет совместно. Это называется сцеплением генов (закон Моргана). Это открытие было связано с тем, что третий закон Менделя действовал не во всех случаях. Морган логично заключил, что у любого организма признаков много, а число хромосом невелико. Следовательно, в каждой хромосоме должно находиться много генов. Закономерность наследования таких генов он и открыл.
Генетика объяснила и происхождение половых различий. Так, у человека из 23 пар хромосом 22 пары одинаковы у мужского и женского организма, а одна пара - различна. Именно благодаря этой паре различаются два пола, эти хромосомы называют половыми. Половые хромосомы у женщин одинаковы, их называют Х-хромосомами. У мужчин, кроме Х-хромосомы имеется еще У-хромосома. Если яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом, несущим X-хромосому, развивается женский организм, если же в яйцеклетку проникает сперматозоид, содержащий У-хромосому, развивается мужской организм. У птиц все наоборот - у самцов две Х-хромосомы, а у самок Х- и У-хромосома.
Следующим важным этапом в развитии генетики стало открытие роли ДНК в передаче наследственной информации в 30-х годах XX века. Началось раскрытие генетических закономерностей на молекулярном уровне, зародилась новая дисциплина - молекулярная генетика. В ходе исследований было установлено, что основная функция генов - в кодировании синтеза белков. За эти исследования в 1952 году Дж. Бидл, Э. Тэй-тум и Дж. Ледерберг были удостоены Нобелевской премии.
Затем была установлена тонкая структура генов (1950 год, С. Бензер), молекулярный механизм функционирования генетического кода, был понят язык, на котором записана генетическая информация (азотистые основания: аденин (А), тимин (Т), цитозин (Ц), гуанин (Г), пятиатомный сахар и остаток фосфорной кислоты. При этом аденин всегда соединяется с тимином другой цепи ДНК, а гуанин - с цитозином). Был расшифрован механизм репликации (передачи наследственной информации) ДНК. Известно, что последовательность оснований в одной нити в точности предопределяет последовательность оснований в другой (принцип комплементарности). При размножении две спирали старой молекулы ДНК расходятся, и каждая становится матрицей для воспроизводства новых цепей ДНК. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает в себя одну старую полинуклеотидную цепь и одну новую. Удвоение молекул ДНК происходит с удивительной точностью - новая молекула абсолютно идентична старой. В этом заключается глубокий смысл, потому что нарушение структуры ДНК, приводящее к искажению генетического кода, сделало бы невозможным сохранение и передачу генетической информации, обеспечивающей развитие присущих организму признаков. Спусковым механизмом репликации является наличие особого фермента - ДНК-полимеразы.
Изменчивостью называют способность живых организмов приобретать новые признаки и свойства. Изменчивость, является основой для естественного отбора и эволюции организмов. Различают наследственную (генотипическую) и ненаследственную (модификационную) изменчивость.
Пределы модификационной изменчивости называются нормой реакции, они обусловлены генотипом. Эта изменчивость зависит от конкретных условий среды, в которой находится отдельный организм и дает возможность приспособиться к этим условиям (в пределах нормы реакции). Такие изменения не наследуются.
Открытие способности генов к перестройке, изменению является крупнейшим открытием современной генетики. Эта способность к наследственной изменчивости получила к генетике название мутации (от лат. mutatio - изменение). Она возникает вследствие изменения структуры гена или хромосом и служит единственным источником генетического разнообразия внутри вида. Причиной мутаций служат всевозможные физические (космические лучи, радиоактивность и т. д.) и химические (разнообразные токсичные соединения) причины - мутагены. Благодаря постоянному мутационному процессу возникают различные варианты генов, составляющие резерв наследственной изменчивости. Большая часть мутаций по характеру рецессивна и не проявляется у гетерозигот. Это очень важно для существования вида. Ведь мутации оказываются, как правило, вредными, поскольку вносят нарушения в тонко сбалансированную систему биохимических превращении. Обладатели вредных доминантных мутаций, сразу же проявляющихся и гомо- и гетерозиготном организмах, часто оказываются нежизнеспособными и погибают на самых ранних этапах жизни.
Но при изменении условий внешней среды, в новой обстановке, некоторые ранее вредные рецессивные мутации, составляющие резерв наследственной изменчивости, могут оказаться полезными, и носители таких мутаций получают преимущество в процессе естественного отбора.
Изменчивость может быть обусловлена не только мутациями, но и сочетаниями отдельных генов и хромосом, например, при половом размножении - генетическая рекомбинация. Рекомбинация также может происходить за счет включения в геном клетки новых, привнесенных извне, генетических элементов - мигрирующих генетических элементов. В последнее время было установлено, что даже само их внедрение в клетку дает мощный толчок к множественным мутациям.
Одним из наиболее опасных видов мутагенов являются вирусы (от лат. virus - яд). Вирусы - это мельчайшие из живых существ. Они не имеют клеточного строения, не способны сами синтезировать белок, поэтому получают необходимые для жизнедеятельности вещества, проникая в живую клетку и используя чужие органические вещества и энергию. У человека вирусы вызывают множество заболеваний.
Хотя мутации - главные поставщики эволюционного материала, они относятся к изменениям случайным, подчиняющимся вероятностным, или статистическим, законам. Поэтому они не могут служить определяющим фактором эволюционного процесса. Правда, некоторые ученые рассматривают мутационный процесс в качестве такого фактора, забывая при этом, что в таком случае необходимо признать изначальную полезность и пригодность абсолютно всех возникающих случайных изменений, что противоречит наблюдениям в природе и экспериментам в селекции. В действительности, кроме отбора - естественного или искусственного не существует никакого другого средства регулирования наследственной изменчивости. Только случайные изменения, оказавшиеся полезными в определенных условиях окружающей среды, отбираются в природе или искусственно человеком для дальнейшей эволюции.
На основе этих исследований была создана теория нейтральных мутаций (М. Кимура, Т. Ота, 1970 - 1980-е годы). Согласно этой теории изменения в функциях белоксинтезирующего аппарата являются результатом случайных, нейтральных по своим эволюционным последствиям мутаций. Их истинная роль - провоцировать хорошо известный еще с 1940-х годов генетический дрейф - явление изменения частоты генов в популяциях под действием совершенно случайных факторов. На этой основе была провозглашена нейтралистская концепция недарвиновской эволюции, сущность которой состоит в том, что на молекулярно-генетическом уровне естественный отбор не работает. А это значит, что и изменчивость на этом уровне не является фактором эволюции. И, хотя эти представления не являются общепринятыми сегодня среди биологов, очевидно, что непосредственной ареной действия естественного отбора является фенотип, то есть живой организм, онтогенетический уровень организации живого.
 






5.1. Происхождение человека
 
Вопросы о происхождении и эволюции человека занимают центральное место в антропологии и определяют основные мировоззренческие подходы. В основе данных проблем лежат самые различные концепции. Рассмотрим основные из них.
Концепция божественного сотворения людей. Согласно этой концепции, люди произошли от богов. Так, в греческих мифах многие герои, родившиеся от связи Зевса или другого олимпийского бога с женскими богосуществами - наядами.
В мировых религиях человек сотворен единым Богом. Так, в христианстве Бог создал первого человека на шестой день творения по образу и подобию своему, чтобы владел он всей землей. Создав Адама из праха земного, Бог вдохнул в него дыхание жизни. Позднее из ребра Адама была создана первая женщина - Ева. Религиозная концепция происхождения человека носит ненаучный, мифологический характер и поэтому во многом не устраивала ученых.
Концепция человека как продукта нематериальных сил предусматривает сотворение человека не Богом, а мировым разумом. Это решение объединяет ученых, которые не согласны с религиозной позицией и в тоже время отрицают возникновение человека в ходе естественной эволюции. Появление генома человека, сложность которого оценивается числом 101000, требовало бы в эволюции живого случайного перебора вариантов, равного 10900 на одну особь. Эти числа нереальны. Отсюда Ж. Моно сделал вывод о то, что человек - явление уникальное, возникшее вопреки развитию природы. Эти идеи развивал и французский биолог Э. Марке (1978 г.). Он считал, что поскольку в материальной природе отсутствует сознательное начало, то толчок в эволюции человека был вызван вхождением в предковый зоологический вид особого «оператора» как проявления мирового разума.
Нематериальный характер сил, породивших человека, утверждает телеология (от греч. telos - цель). Еще Аристотель писал о целевых причинах, заложенных в живые организмы и устремляющих их развиваться к человеку. К этой точку зрения близка гипотеза номогенеза (от греч. nomos - закон, genesis - происхождение). Сторонники этой точки зрения (К. Бэр, Л. С. Берг и др.) полагали, что целенаправленность как изначальное свойство ведет жизнь к человеку.
Древняя натурфилософия рассматривала формирование человека естественным путем. Ее истоки связаны с мифами. Предки человеческих родов усматривались в тех или иных разновидностях растительного и животного мира (тотемизм). В качестве исходных существ человек получал рыбоподобных (Анаксимандр, милетская школа) или конеподобных организмов (даос Чжуан - цзы). Были и такие мыслители, которые прямо выводили человека из неживой природы. Так, древнекитайский натуралист Ян Чжу полагал, что первые люди образовались из сочетания пяти стихий: воды, огня, земли, дерева и металла.
Научный натурализм. В XIX в. ведущие ученые-биологи стали углублять и развивать древний натурализм. В 1809 г. в книге «Философия зоологии» Ламарк высказал догадку о том, что человек мог произойти от такой наиболее совершенной обезьяны как шимпанзе. В 1863 г., выступая с публичной лекцией и пропагандируя дарвинизм, английский биолог Т. Гексли поднял тему животного происхождения человека. В 1871 г. вышла книга Ч. Дарвина «Происхождение человека и половой отбор», где человек выводится от обезьяноподобных прародителей.
Концепция Дарвина о происхождения человека от высокоразвитых предков современных обезьян господствует в науке с XIX века. В XX веке она получила генетическое подтверждение, поскольку из всех животных по генетическому сходству ближе всего к человеку оказались человекообразные обезьяны. Поэтому вопрос о происхождении человека необходимо начинать рассматривать с определения сходных и отличительных признаков человека и животных.
Сходство человека с животными состоит в том, что, во-первых, у них одинаковый вещественный состав, строение и поведение организмов. Человек состоит из тех же белков и нуклеиновых кислот, что и животные, а многие структуры и функции нашего тела такие же, как у животных. Чем выше на эволюционной шкале стоит животное, тем больше его сходство с человеком. Во-вторых, человеческий зародыш проходит в своем развитии те же стадии, которые прошла эволюция животного. И, в-третьих, у человека имеются рудиментарные органы, которые выполняли важные функции у животных и сохранились у человека, хотя уже не нужны ему.
Палеоантропологические исследования и открытия последних лет дали дополнительные доказательства того, что человек является естественным созданием.
Однако и отличия человека от животных значительны.
Во-первых, даже высшие животные не обладают способностью к понятийному мышлению, то есть к формированию отвлеченных, абстрактных представлений о предметах. Мышление животных всегда конкретно, а мышление человека может быть абстрактным, отвлеченным, обобщающим, понятийным, логическим.
Вторым главным отличием является то, что человек обладает речью. Опять-таки, у животных может быть очень развита система общения с помощью сигналов. Но только у человека есть то, что И. П. Павлов назвал второй сигнальной системой - общение с помощью слов. Этим человеческое общество отличается от сообщества других животных.
Третье фундаментальное отличие человека от животных - способность к труду. Конечно, все животные что-то делают, а высшие животные способны к сложным видам деятельности. Обезьяны, например, используют палки как орудие для доставания плодов. Но только человек способен изготовлять, создавать орудия труда. Именно с этим отличием связано утверждение, что животные приспосабливаются к окружающей среде, а человек преобразует ее, и что труд создал человека.
Эти фундаментальные отличия человека от животных: понятийное мышление, речь, труд - стали теми путями, по которым шло обособление человека от природы.
Вместе с тем человек имеет специфические, присущие только ему особенности: прямохождение, мощно развитую мускулатуру нижних конечностей, сводчатую стопу с сильно развитым первым пальцем, подвижную кисть руки, позвоночник с четырьмя изгибами, расположение таза под углом 60 градусов к горизонтали, очень большой и объемный мозг, крупные размеры мозгового и малые размеры лицевого черепа, бинокулярное зрение, ограниченную плодовитость и некоторые другие.
Бельгийский антрополог Л. Больк обратил внимание на то, что человек по ряду признаков сходен не со взрослыми человекообразными обезьянами, а с их детенышами. Взрослый человек и детеныш обезьяны имеют следующие общие признаки:
1.       почти полное отсутствие волосяного покрова на теле,
2.       обилие волос на голове;
3.       слабое развитие лицевого отдела черепа;
4.       сильное развитие подбородка, носа;
5.       слабое развитие органов движения;
6.       сильная степень развития социального инстинкта (интерес и терпимость другим особям).
 
В постэмбриональном развитии у человека усиливаются те стадии, которые у обезьяны заканчиваются при рождении. После рождения у человека идет интенсивный рост мозга, удлиняются нижние конечности, период усиления костно-мышечной системы сокращается. На основании этих доводов Больк выдвинул теорию омоложения предков человека в эволюции.
Ученые высказывают различные предположения о причинах, способствовавших особой направленности эволюции человека, но основной причиной считается увеличение частоты мутаций. В становлении человека как особой разновидности жизни участвовал широкий комплекс природных факторов:

·         Влияние ближнего космоса и солнечной активности. В 30-е годы. А. Л. Чижевский доказал зависимость земных процессов от характера и степени солнечной активности. Оказалось, что периодические и эпизодические колебания магнитного поля Солнца непосредственно воздействуют на нервную систему и особенно на центр блуждающего нерва, который регулирует сердечную деятельность. Как теперь показывает генетика, такого рода влияния могли вызвать мутации древнего вида обезьян.

·         Смена полярности геомагнитного поля Земли, что приводило к увеличению интенсивности ионизирующей радиации космоса и увеличению в два раза частоты мутаций. Российский археолог Г. Н. Матюшкин выявил совпадение датировки многочисленных находок останков гоминидов в Африке с периодами смены полярности геомагнитного поля.

·         Влияние радиации снизу. Оказалось, что стоянки гоминидов территориально привязаны к зоне Великих Восточно-Африканских разломов, где 20 млн. лет назад шло интенсивное образование трещин земной коры. Эти тектонические сдвиги привели к появлению на поверхности залежей урановых руд, действие которых было весьма интенсивным в пещерах, где жили приматы. Так, французские ученые открыли в Окле (Африка) естественный атомный реактор, образовавшийся миллионы лет назад. Различные источники радиации безусловно вызывали мутации наследственных структур. Таким образом Восточную Африку можно считать колыбелью человечества.

·         «Синдром Бьюси - Клювера». Естественная радиоактивность наносила повреждение одному из трех соединенных друг с другом участков мозга: миндалевидному ядру, поясной извилине или мозговому своду. В результате изменялась структура больших полушарий головного мозга обезьян. Это вызывало огрубление и сокращение хватательных функций задних конечностей, что способствовало их новой специализации - быть средством передвижения по земле. На этом цепь изменений не заканчивалась. У высших приматов преобразовались правила жизни: начинали размываться сезонные половые циклы и появлялась способность к деторождению в течение всего года, ослабевала слепая власть животных инстинктов и т.п.

·         Генетические мутации. Мутации сократили количество хромосом: от 7854 у низших обезьян до 48 у высших и до 46 у человека. Итальянский генетик Б. Кларелли высказал гипотезу о слиянии у далекого предка двух пар хромосом, в результате чего «окрепли» именно те, которые определяют развитие мозга и нервной системы. Это предположение косвенно подтверждается тем, что н соматических клетках отдельных людей встречается аномальный набор хромосом (XXУ- у женщин и ХУУ - у мужчин). Он сопровождается более частыми случаями умственного отставания и ростом агрессивности. Налицо явление генетического атавизма. Американский исследователь Б. Бьюлак обнаружил связь между наличием «лишней» хромосомы и снижением серотонинового обмена - важного компонента работы мозга. Оказалось, что серотониновые нейроны образуют основу антиагрессивной системы мозга.

·         Психоэмоциональные стрессы. В 60-е гг. выяснилось, что источником генетических мутаций может быть не только радиация, но и стресс (англ. stress - напряжение). Канадский исследователь Г. Селье установил, что последний представляет собой острую гормональную реакцию организма на ситуацию резкого расхождения между потребным результатом и наличными условиями жизни. Такое противоречие вызывает интенсивные отрицательные эмоции (вспышки страха и т.п.). Палеопсихологи предполагают, что в далекие времена катастрофические изменения климата резко сократили объем жизненных ресурсов в саваннах Африки. Частый голод вызывал постоянные стрессы гоминидов, в ходе которых биохимические гормоны выводили из сбалансированности весь организм, расшатывая иммунную систему и наследственность.
 
Происхождение человека от обезьян, ведущих древесный образ жизни, предопределило ряд особенностей его строения, которые явились основой его способности к труду и дальнейшей социальной эволюции. Для животных, обитающих на ветвях деревьев, лазающих и прыгающих с помощью хватательных движений, необходимо было соответствующее строение органов: противопоставленность первого пальца кисти остальным, развитый плечевой пояс, становится широкая и уплощенная грудная клетка. Передвижение на деревьях в самых разных направлениях с меняющейся скоростью, привело к чрезвычайно высокому развитию двигательных отделов мозга. Необходимость точного определения расстояния при прыжках обусловило сближение глазниц в одной плоскости и появление бинокулярного зрения. В то же время жизнь на деревьях способствовала ограничению плодовитости. Уменьшение численности потомства компенсировалось заботой о потомстве, а жизнь в стаде обеспечивала защиту от врагов.
После наступления ледникового периода обезьянам, не отступившим к экватору вместе с тропическими лесами и перешедшим к жизни на земле, пришлось приспосабливаться к новым суровым условиям и вести тяжелую борьбу за существование.
Беззащитные против хищников, неспособные быстро бегать, настигать добычу или спасаться от врагов, лишенные густой шерсти, помогающей сохранять тепло, они могли выжить только благодаря стадному образу жизни и использованию освободившихся от передвижения рук. Решающим шагом на пути от обезьяны к человеку явилось прямохождение.
Древнейший предок человека и высших обезьян, известный науке как рамапитек жил па территории от Индии до Африки примерно 14 млн. лет назад. Около 10 млн. лет назад от него отделился предок орангутанга - сивапитек. Он остался в Азии, где и сейчас живут его потомки. А общий предок гориллы, шимпанзе и человека, по-видимому, укоренился на Африканском континенте. Именно там обнаружены древнейшие орудия труда (возраст 2,5 млн. лет) и древнейшие остатки жилищ (возраст 1,75 млн. лет). Там же найдены останки Ноmо fаbеr (человека умелого) - зинджантропа, жившего 2 млн. лет назад. Он обладал такими чисто человеческими признаками, как прямохождение, заметная развитость кисти руки. Приставка «умелый» дана ему за умение изготавливать и применять каменные орудия труда.
Естественный отбор шел в направлении сохранения признаков, содействовавших развитию стадности, что в свою очередь влияло на совершенствование руки и на развитие высшей нервной деятельности, прежде всего способности к обучению. Все эти особенности обеспечили победу обезьянолюдей в борьбе за существование и привели 1,5-2 млн. лет назад к широкому расселению их по Африке, Средиземноморью и Азии. Использование орудий, стадный образ жизни активно способствовали развитию мозга и возникновению речи.
Признаком, отделяющим человекообразных обезьян от людей, считается масса мозга, равная 750 г. Именно при такой массе мозга овладевает речью ребенок. Речь древних люден была очень примитивной, но она выражала качественное отличие высшей нервной деятельности человека от высшей нервной деятельности животных. Слово, обозначающее действие. трудовые операции, предметы, а затем и общие понятия, стало важнейшим средством общения между людьми.
Речь способствовала более эффективному взаимодействию членов первобытного стада в трудовых процессах, передаче накопленного опыта от поколения к поколению, то есть обучению. В борьбе за существование получили преимущество те первобытные стада древних людей, которые стали заботиться о стариках и поддерживать особей, ослабевших физически, но обладающих опытом и выделяющихся своими умственными способностями. Бесполезные ранее старики, съедаемые соплеменниками при нехватке пищи, стали ценными членами общества как носители знаний. Речь также содействовала развитию процесса мышления, совершенствованию трудовых процессов, эволюции общественных отношений.
Считают, что древнейшие люди появились около 1 млн. лет назад и прошли эволюцию от питекантропа к неандертальцам (появившимся около 200 тыс. лет назад) и далее к кроманьонцу - современному человеку, возникшему 40 - 50 тыс. лет назад. Хорошо развитый мозг, общественный характер труда привели к резкому уменьшению зависимости кроманьонца от внешней среды, к появлению абстрактного мышления и попыткам отражения окружающей действительности в художественных образах - наскальных рисунках, резьбе по дереву и кости, а также к появлению примитивных религий. После этого эволюция человека вышла из-под определяющего влияния биологических факторов и приобрела социальный характер.
Вышеперечисленные доказательства родства человека с животным миром нашей планеты считаются достаточными для утверждений о каких-то иных возможностях появления разума на Земле. Можно констатировать, что данные генетики также дают доказательства преемственности между низкоорганизованными и высокоорганизованными формами жизни. Так, установлено, что в генотипе человека примерно 95 % генов унаследовано от наших обезьяноподобных предков, 60-70 % генов принадлежат примитивным насекомоядным млекопитающим, послужившим исходной группой для эволюции всех приматов. В генотипе человека есть также гены, переданные через длинный ряд промежуточных форм от рыбообразных предков и т.п. Эти современные данные убедительно подтверждают биогенетический закон, говорящий о повторении в индивидуальном развитии организма всего предшествующего хода эволюции и объясняющий ряд примитивных признаков в эмбриональном развитии высших форм их происхождением от низших.
Таким образом, появление человека стало закономерным результатом развития биосферы Земли. Более того, как говорил В. И. Вернадский, человек не есть случайное, независимое от окружающего явление. Он составляет неизбежное проявление большого природного процесса, закономерно длящегося в течение по крайней мере двух миллиардов лет. Именно столько времени в биосфере шел процесс цефализации (развития мозга), и он никогда не обнаруживал движения вспять. В ходе этого процесса сформировался мозг, материальная основа разума.
Появление разума следует рассматривать как важную бифуркацию в истории биосферы. После этого проявилась способность материи познавать себя, что стало возможным с рождением человека и человечества.
 






5.2. Сущность человека
 
Научное изучение человека имеет древние истоки. По мере развития антропологии (от греч. anthropos - человек) она разделилась на множество отдельных дисциплин - медицину, физиологию, анатомию, психологию и т. д. Такой большой спектр наук обусловлен чрезвычайной сложностью человека как феномена жизни.
Основные черты строения и эмбрионального развития человека четко определяют его систематику: тип хордовых, подтип позвоночных, классе млекопитающих, отряде приматов, подотряде человекообразных обезьян, семейство узконосых обезьян, род человек, вид человек разумный (Homo sapiens). Подвидами этого вида являются человеческие расы.
Обращает на себя внимание и биологическое своеобразие человека. Биология человека по целому ряду параметров отличается от биологии животных:
1.       Не распадаясь на новые виды, человечество оказалось очень изменчивым в большинстве своих признаков, как биологических, так и социальных. У человека выделяются специфические формы изменчивости (по внешнему виду, жилищу, питанию и т. д.).
2.       Среди наземных млекопитающих человек принадлежит к категории сравнительно крупных, но развивается очень медленно, достигая зрелости только к 13-18 годам, в то время , как большинство животных, равных по массе человеку, быстро достигают зрелости и приспособленности к окружающей среде (к 2-3 годам).
3.       Ни одно млекопитающее не отличается таким долголетием, как человек, кроме китов и слонов.
4.       У человека необычайно ослаблено действие естественного отбора практически по всем признакам.
5.       У человека иные, чем у животных, отношения со средой обитания. Человек активно приспосабливает окружающую среду к своим особенностям. Жизнь в искусственной среде имеет свои преимущества и недостатки. С одной стороны, человек ограничивает влияние на себя неблагоприятных факторов среды, а с другой, разрушает естественную среду, подрывая этим и условия своего существования. При чем, эти изменения носят глобальный характер. Ни одно животное не может влиять на окружающую среду в таком масштабе, доведя ее до экологического кризиса.
6.       Ни одно животное не имеет такой развитой центральной нервной системы, как человек. Правда у некоторых животных (китов, слонов и т. д.) абсолютная масса мозга больше, чем у человека, но развитие центральной нервной системы больше определяется относительными параметрами. Показателем, характеризующим «интеллектуальность» животного, является коэффициент цефализации:

 
где kc - коэффициент цефализации; m - масса мозга; М - масса тела.
 
По этому показателю человек стоит гораздо выше всех животных (дельфинов, китов, приматов. Высокий показатель имеет коэффициент цефализации у дельфинов, но он в 2 раза ниже, чем у человека.
Преимущество человека перед другими высшими животными закреплено в материальном носителе разума - мозге. Чем же мозг человека отличается, например, от мозга его ближайших родственников - приматов? Выделить эти отличия удалось только на новом уровне понимания строения и функционирования мозга, достигнутом в последние 30 - 40 лет. Выяснено, что простейшей структурной единицей мозга служит не нервная клетка (нейрон), как считалось раньше, а структурный ансамбль таких клеток со сложными, но фиксированными разветвлениями взаимосвязей. Один ансамбль обычно управляет или одним процессом, или одной функцией организма.
Эволюция мозга, его усложнение объясняется не только и не столько за счет количественного роста нервных клеток, хотя такой рост имеет место, сколько за счет растущей организованности, упорядоченности как отдельных структурных ансамблей, так и центров, объединяющих отдельные функции и сложные поведенческие реакции. Структурные единицы мозга развиваются в форме вертикальных колонок, включающих как клетки древних отделов мозга, расположенных в нижних пластах, так и клетки более молодых образований, располагающихся над этими пластами. Количественное увеличение ансамблей происходит главным образом за счет перестройки старых отделов и использования освобождающихся нервных клеток, а качественные изменения инициируются усложнением связей, увеличением их числа и широтой охвата связями клеток всего структурного ансамбля.
Структурные ансамбли мозга человека и приматов, ведающие такими функциями, как зрение, слух, двигательные реакции ног и тела. и многими другими, практически не различаются между собой. Существенные отличия выявлены в размерах и связях структурных ансамблей, ведающих у человека речью и двигательными реакциями рук, особенно кистей, чем определяется способность человека к трудовой деятельности. Выделяются у человека лобные доли, которые, согласно сложившимся представлениям, осуществляют интеграцию различных функций мозга в целенаправленные поведенческие реакции, а также участвуют в ассоциативных и обобщающих мыслительных процессах. У человека рекордная для животного мира относительная площадь лобных долей мозга, она достигает 25 %.
Важно отметить еще одно характерное обстоятельство. Строение ансамблей нервных клеток, их связи в мозгу программируются генетическим аппаратом. Развитость речевых и двигательно-трудовых структурных ансамблей мозга человека наследуется детьми от родителей. Но наследуется не речь и не трудовые навыки как таковые, а лишь потенциальная возможность их последующего приобретения. Генетические возможности реализуются только при условии, что с раннего детства ребенок воспитывается и обучается в сообществе людей, в понятном общении с ними. Редкие случаи, когда дети бывают воспитаны животными, а затем их находят и возвращают к людям, показывают, что они никогда в полной мере не смогут овладеть речью, приобрести достаточно сложные трудовые навыки, необходимые для сознательной деятельности. Поэтому история про Маугли - не более, чем красивая сказка. Генетический потенциал ограничен во времени жесткими возрастными рамками. Если сроки упущены, потенциал гаснет, а человек остается на уровне того же примата.
У человека в процессе антропогенеза сокращалось значение древнейшей части головного мозга - лимбической системы - и значительно возросла роль лобных долей больших полушарий. Соответственно менялся их удельный вес: у низших обезьян лобные доли занимают 10% объема коры, у высших менее 15%, у человека 25%. Если брать кору полушарий большого мозга, то новая кора занимает 9596% общей площади и только 45% приходится на долю древней и старой коры.
Кора растет при жизни. Исследования индивидуального развития современного человека показывают, что в эмбриональный период формируются древние отделы мозга, а процесс роста и дифференциации новой коры происходит уже после рождения ребенка под влиянием социальных факторов. Новая мозговая кора по своему строению имеет 600 млн. вертикально организованных групп нейронов (мини-колонки). Всех нейронов насчитывается около 50 млрд. Мини-колонки организуются в макро-колонки, что и составляет распределительную систему мозга. Ведущая роль остается за лобными долями мозга, которые являются центрами управления социальным поведением.
В конце 50-х гг. начались исследования асимметрии большого мозга. В 70-х гг. П. Линдсей и Д. Норман создали вполне обоснованную теорию. Оказалось, что при разрушении любой половины мозга у правой теряется целенаправленность действий, меняется содержание представлений о настоящем и будущем. Будущее для больного начинается с того события, которое давно прошло, но случайно всплыло в памяти. Нарушение целостности правой половины мозга приводит к расстройствам чувственной и эмоциональной сфер человеческой деятельности, теряется способность к выполнению практических действий.
Между правым и левым полушариями идет непрерывный обмен информацией, ибо каждое полушарие имеет определенную специализацию. Правополушарная информация отличается яркой эмоциональной образностью, чувственность здесь доминирует над словесными формами и явления внешнего мира воспринимаются интуитивно, с мгновенным отражением множества признаков. Левое же полушарие предпочитает заниматься абстрактными схемами и словесными понятиями. Здесь реализуется «пошаговое», логическое мышление, где выстраивается цепочка рациональных образов. Взаимодействие полушарий обеспечивает стиль дополнительности: чувственные восприятия корректируются абстрактными схемами и наоборот. Такое функционирование мозга дало человеку большие преимущества.
Асимметрия формируется после рождения. Становление функциональной асимметрии мозга гоминидов подтверждается исследованием этапов развития млекопитающих и ребенка. Оба полушария мозга млекопитающих работают по принципу катамарана, т. е. дублируют и страхуют друг друга. Получение и обработка информации осуществляются ими в зеркально-перекрестном режиме: левое полушарие воспринимает мир справа, а правое - слева. Оба полушария по своей структуре однородны и потому функционально взаимозаменяемы. Такая же картина наблюдается у новорожденного, Вначале речевые области твердо не фиксированы и начинают развиваться одновременно в обоих полушариях. Однако по мере развития ребенка речевые центры как бы мигрируют из правого полушария в левое, которое становится доминантным, а места их первичной дислокации приобретают иное функциональное значение. Левое полушарие берет на себя функции речи и логического мышления, а правое - управление координацией движения и фиксацию геометрических связей объектов.
Сложная структура и функционирование человеческого мозга определяют сложный характер социального поведения. В процессе жизни человек овладевает богатым опытом, накопленным обществом. Человек - биосоциальное существо. Он обладает как индивидуально-биологическими характеристиками, так и социально-личностными, следовательно, он не только человек, но и личность.
Личность - это социальная сущность человека, это человек как субъект активной деятельности, преобразующей мир, а следовательно, носитель сознания и самосознания. Характеристическая черта личности - способность к познанию и преобразованию, способность к творчеству.
Ядром личности выступает самосознание как осознанное отношение человека к своим мотивам поведения, переживаниям и мыслям. С моральной стороны системообразующим фактором личности является ее отношение к другому человеку.
Источником активности, движущей «пружиной» действий человека является его потребность, переживаемая в виде желаний и влечений. Потребность, проходя через сознание и самосознание, становится мотивом его поведения и деятельности. Ведущей потребностью личности является потребность в саморазвитии.
Человеку свойственна моральность, т. е. совестливость, стремление к добру и способность делать добро. Жизнь человека - беспрерывное принятие поведенческих решений, так как человек обладает свободой морального выбора. Свобода выбора, в свою очередь, неизбежно требует личной ответственности за свое поведение и деятельность. Вместе с тем быть человеком - значит чувствовать свою ответственность за жизнь и благополучие других людей.
Сознание и самосознание как интегральное целое составляют личностное «Я». Это некий нравственно-психологический, характерологический и мировоззренческий стержень личности, своеобразный центр управления в структуре личности.
Общее свойство сознания - активность, а ее высший уровень - творческая активность, которая проявляется и в знаниях, и в умениях, и в интуиции, и в фантазии, и в убеждениях.
Структура личности многообразна и динамична. В нее входят также способности и характер, воля и убеждения. Все это - предмет изучения психологии личности. Развивая все качества личности, надо опираться на ее стержневые свойства - потребности, сознание и самосознание, направленность, волю.
Ценность личности определяется ее неповторимостью, богатейшим духовным потенциалом, физической и духовной красотой, загадочностью своей природы. Поэтому она во всех прогрессивных учениях является безусловной целью воспитания.
Цели, как известно, могут быть дальние и ближние. Последние выступают как задачи воспитания. Стратегической целью воспитания является воспитание гармонической, всесторонне развитой и гуманной личности. Эта цель конкретизируется потребностями, интересами и возможностями самой личности. Свои коррективы в нее вносят семейные и национальные традиции.
Существуют два основных подхода к целям воспитания: воспитание личности в интересах общества и воспитание личности в интересах самой личности.
Вместе с тем, можно выделить вечные человеческие ценности: добро, красота, чуткость, отзывчивость, благочестие, которые во все времена рассматривались как идеал в становлении человека.
 





5.3. Человек, биосфера и космос



В системе современного научного мировоззрения понятие биосферы занимает ключевое место во многих науках. Разра­ботка учения о биосфере неразрывно связана с именем В. И. Вернадского, хотя и имеет довольно длинную предысторию, начавшуюся с книги Ж.-Б. Ламарка «Гидрогеология» (1802), в которой содержится одно из первых обоснований идеи о влия­нии живых организмов на геологические процессы. Затем был грандиозный многотомный труд А. Гумбольдта «Космос» (первая книга вышла в 1845 году), в котором было собрано множество фактов, подтверждающих тезис о взаимодействии живых организмов с теми земными оболочками, в которые они проникают. Термин «биосфера» был впервые введен в науку немецким геологом и палеонтологом Э. Зюссом, подразумевавшим под ней самостоятельную, пересекающуюся с другими сферу, в которой на Земле существует жизнь. Он дал определение биосферы как совокупности организмов, ог­раниченной в пространстве и времени и обитающей на по­верхности Земли.

Впервые идею о геологических функциях живого вещества, представление о совокупности всего органического мира в ви­де единого нераздельного целого высказал В. И. Вернадский. Его концепция складывалась постепенно, от первой студенче­ской работы «Об изменении почвы степей грызунами» (1884) к «Живому веществу» (рукопись рубежа 20-х годов), «Биосфере» (1926), «Биогеохимическим очеркам» (1940), а также «Хими­ческому строению биосферы Земли» и «Философским мыслям натуралиста», над которыми он работал в последние десятиле­тия своей жизни.

Введя понятие живого вещества как совокупности всех живых организмов планеты, в том числе и человека, Вер­надский тем самым вышел на качественно новый уровень понимания жизни - биосферный. Это дало возмож­ность понимать жизнь как могучую геологическую силу нашей планеты, формирующую облик Земли. Введение этого понятия также позволяло поставить и решить вопрос о механизмах геологической ак­тивности живого вещества, источниках энергии для этого.

Геологическая роль живого вещества основана на его гео­химических функциях, которые современная наука классифи­цирует по пяти категориям:

1. энергетическая,

2. концентрацион­ная,

3. деструктивная,

4. средообразующая,

5. транспортная.



Они основаны на том, что живые организмы своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом, непрерывной сменой поколений порождают грандиозное планетное явление - миграцию химических элементов в биосфере. Это предопре­делило решающую роль живого вещества и биосферы в ста­новлении современного облика Земли ее атмосферы, гидро­сферы, литосферы.

Биосфера - это живое вещество планеты и преобразованное им косное вещество (образованное без участия жизни). Это фундаментальное понятие биогеохимии, один из основных структурных компонентов организованно­сти нашей планеты и околоземного космического пространст­ва, сфера, в которой осуществляются биоэнергетические про­цессы и обмен веществ вследствие деятельности жизни.

Се­годня принято считать границы биосферы следующими: в атмосфере микробная жизнь име­ет место примерно до высоты 20 - 22 км над земной поверхно­стью, а наличие жизни в глубоких океанических впадинах - до 8 - 11 км ниже уровня моря. Углубле­ние жизни в земную кору много меньше, и микроорганизмы обнаружены при глубинном бурении и в пластовых водах не глубже 2-3 км. Но эта тончайшая пленка покрывает абсо­лютно всю Землю, не оставляя ни одного места на нашей пла­нете (включая пустыни и ледяные пространства Арктики и Антарктики), где бы не было жизни. Количество живого вещества в разных областях биосферы различно. Са­мое большое его содержание в верхних слоях ли­тосферы (почва), гидросферы и нижних слоях атмосферы. По мере углубления в земную кору, океан, выше в атмосферу - ко­личество живого вещества уменьшается, но нет резкой грани­цы между биосферой и окружающими ее земными оболочками.

Биосфера открыта космосу, получая из него потоки космической энергии. Используя ее, живое вещество преобразует нашу планету. Само образование биосферы, в том числе и происхождение жизни на Земле, является результатом действия этих космиче­ских сил, важнейшего фактора функционирования биосферы.

Космические излучения и прежде всего энергия Солнца оказывают постоянное действие на все явления на Земле. Ос­нователь гелиобиологии А. Л. Чижевский особенно много за­нимался изучением солнечно-земных связей. Он отмечал, что самые разнообразные процессы и явления на Земле протекают под непосредственным воздействием Солнца. Солнце является основным (наряду с космическим излучением и энергией радиоактивного распада в недрах Земли) источни­ком энергии, причиной всего на Земле от атмосферных явлений, роста растений до умственной деятельности человека.

Связь между циклами солнечной активности и процессами в биосфере была замечена еще в XVIII веке. Тогда английский астроном В. Гершель обратил внимание на связь между уро­жаями пшеницы и числом солнечных пятен. В конце XIX века профессор Одесского университета Ф. Н. Шведов, изучая срез ствола столетней акации, обнаружил, что толщина годичных колец изменяется каждые 11 лет, как бы повторяя цикличность солнечной активности.

Обобщив опыт предшественников, А. Л. Чижевский подвел под эти эмпирические данные научную базу. По его мнению, Солнце определяет ритм большинства биологических процессов на Земле. Когда на нем образуется много пятен, по­являются хромосферные вспышки и усиливается яркость коро­ны, на нашей планете развиваются эпидемии, усиливается рост деревьев, особенно сильно размножаются вредители сельско­го хозяйства и микроорганизмы.

Вся живая природа чутко реагирует на сезонные изменения окружающей температуры, интенсивность солнечного излуче­ния - весной покрываются листвой деревья, осенью листва опадает, затухают обменные процессы, многие животные впа­дают в спячку и т. д. Человек не является исключением. На протяжении года у него меняется интенсивность обмена, со­став клеток, тканей.

Состояние солнечной активности влияет на распространение многих заболеваний. Так, в 1957 году, несмотря на проводившуюся, как и в прошлые годы, вакци­нацию населения, неожиданно возросло число заболеваний клещевым энцефалитом и туляремией. В 30-е годы нашего века Чижевский предсказал, что в 1960 - 1962 годах произойдет эпидемическая вспышка холеры, что действительно произош­ло в странах Юго-Восточной Азии. Все жизненные циклы: заболевания, массовые перекочевки, перио­ды бурного размножения млекопитающих, насекомых, виру­сов - протекают синхронно с 11-летними циклами солнечной активности.

Люди также подвержены действию космических энергий и солнечной радиации. Так, человеческий организм, так же как организмы других животных, подстраи­вается под ритмы биогеосферы, прежде всего суточные (циркадные) и сезонные, связанные со сменой времен года.

Обмен веществ у человека протекает в наследуемом из по­коления в поколение циркадном ритме. В настоящее время считается, что около сорока процессов в человеческом орга­низме подчинено строгому циркадному ритму. Например, еще в 1931 году была установлена цикличность в функционирова­нии печени человека, содержании гемоглобина, калия, натрия, кальция в крови. По суточному графику ра­ботает и вегетативная нервная система. Статистика утвержда­ет, что даже рождение и смерть чаще случаются в темную часть суток, около полуночи.

Гематологи пришли к выводу, что в годы максимума сол­нечной активности норма свертывания крови у здоровых лю­дей увеличивается вдвое, поэтому при увеличении сол­нечных пятен учащаются инфаркты, инсульты.

Чижевский попы­тался установить взаимосвязь одиннадцатилетних солнечных циклов с насыщенностью историческими событиями разных периодов человеческой истории. В результате своего анализа он сделал вывод, что максимум общественной активности сов­падает с максимумом солнечной активности. Средние точки течения цикла дают максимум массовой деятельности челове­чества, выражающийся в революциях, восстаниях, войнах, по­ходах, переселениях, являются началами новых исторических эпох в истории человечества. В крайних точках течения цикла напряжение общечеловеческой деятельности военного или по­литического характера понижается до минимального преде­ла, уступая место созидательной деятельности и сопровожда­ясь всеобщим упадком политического и военного энтузиазма, миром и спокойной творческой работой в области государст­венного строительства, науки и искусства.

Социальные конфлик­ты (войны, бунты, революции), по убеждению Чижевского, во многом предопределяются поведением и активностью Солнца. По подсчетам ученого, во время минимальной солнечной активности происходит минимум массовых активных социаль­ных проявлений в обществе (примерно 5%). Во время же пика активности Солнца их число достигает 60%. Выводы Чи­жевского подтверждают неразрывное единство человека и космоса, указывают на их тесное взаимовлияние.

Эти идеи о связи космоса, человека и биосферы, представ­ленные концепциями Вернадского и Чижевского, легли в осно­ву популярной сегодня гипотезы Л.Н. Гумилева о пассионарном толчке, рождающем к жизни новые этносы. Ключевым понятием концепции этногенеза Гумилева является понятие пассионарности, которое он определяет как повышенное стремление к действию. Появление этого признака у отдельно­го человека является мутацией, затрагивающей энергетические механизмы человеческого тела. Пассионарий (носитель пас­сионарности) становится способным воспринять из окружаю­щей среды больше энергии, чем необходимо для его нормаль­ной жизнедеятельности. Избыток же полученной энергии на­правляется им в любую область человеческой деятельности, выбор которой определяется конкретными историческими ус­ловиями и склонностями самого человека. Пассионарий может стать великим завоевателем (например, Александр Македонский, Напо­леон) или путешественником (Марко Поло, А. Прже­вальский), великим ученым (А. Эйнштейн, И. Гете) или религиозным деятелем (Будда, Христос). Появление свой­ства пассионарности инициируется каким-то специфическим редким космическим излучением (пассионарные толчки проис­ходят 2-3 раза за тысячелетие). Носители пассионарности по­являются в зоне следа от этого излучения - полосы шириной 200 - 300 км, но длиной до половины окружности планеты. Ес­ли в зоне этого излучения окажутся несколько народов, живу­щих в разных ландшафтах, они могут стать зародышем нового этноса. Смена этносов и есть процесс всемирной истории, при­чина прогрессивных перемен в ней.

Постепенно представления о связи биосферы и космоса, человека и космоса, общества и космоса вошли в научный оборот, став важной частью современного научного миро­воззрения, характерной чертой современной культуры. Эти взгляды принято называть космизмом, а сам процесс фор­мирования такого мировоззрения - космизацией науки и философии. Основными признаками космического мировоззрения являются:

· внедрение в массовое сознание идей о связи Земли и Космоса;

· переход от ан­тропоцентризма к биосфероцентризму, ставящему интересы человека и человечества в зависимость от потребностей всей планеты и всего живого на ней.



Частью нового космического мировоззрения является рас­ширение предмета многих старых классических наук, выведение их за рамки изучения чисто земных явлений и процессов, появле­ние космического аспекта в научных исследованиях (астрохимия, экобиология, радиационная генетика и т. д.). В связи с выходом человека в космос, как ответ на теоретические и практические проблемы этого шага появилась космонавтика. Вместе с этим люди все больше и больше ставят себе на службу природные силы космического порядка (например, использование ядер­ной энергии).

Новое мировоззрение требует введения новой системы цен­ностей, нового решения «вечных» человеческих вопросов о смысле жизни, смерти и бессмертии, добре и зле, которые должны быть ориентированы на осознание человеком косми­ческой значимости его деятельности.

Особенно активно формирование нового мировоззрения идет в последние десятилетия, хотя первые идеи космизма воз­никли на заре человеческой истории. Его мож­но определить как своеобразную направленность мышления, умонастроение, в атмосфере которого формировались новые подходы к выработке целостной концепции мироздания, пред­ставления об органическом единстве всего мира и его тесней­шей связи со Вселенной, с космосом. Понимаемый таким обра­зом космизм был изначально присущ культурному самосозна­нию человечества - мифологическое сознание наших предков полностью основывалось на парадигме космизма. Об этом свидетельствуют их интуитивные представления о тесной связи мира и человека, оживотворение мира, а также попытки обна­ружить за грозными природными стихиями некие всеобщие законы, гармонизирующие эти отношения, что отразилось в космологических мифах разных народов. Затем была плато­новская картина мира на основе признания первичности мира идей, присущих материальному бытию. Периодически космизм также оживал в христианизированном платонизме, в натурфилософских разработках Возрождения.

Серьезный кризис космизм пережил в Новое время в связи с развитием науки, схематизировавшей реальность и предавшей забвению идеи целостного знания. И, хотя в естест­вознании Нового времени периодически возрождались идеи единства мира, человека и космоса (Д. Бруно, Г. Галилей, Н. Коперник и др.), они не могли переломить господствующих тенденций развития европейской науки, ее стремления к стро­гому рационализму и аналитизму.

Лишь во второй половине XIX века европейская наука и философия проявили тенденции к синтезу знания, хотя и воспринимаемые европейской культурой с большим трудом.

Совершенно в иной ситуации была Россия во второй поло­вине XIX века. Наша страна была несколько изолирована от идей, господствовавших в Европе. Русская наука, родившаяся в XVIII в., и русская философия, существующая с XI века основывались на глубинных архетипах русского созна­ния, среди которых был и космизм. Это связано с тем, что в России языческое целостное мироощущение не было уничто­жено христианством. Более того, русское православие также представляло космос как живой организм, находящийся в не­престанном взаимодействии с Творцом.

Эти идеи, подспудно хранившиеся в русском сознании, со­единились с осознанием кризиса научного мировоззрения в конце XIX - начале XX века и дали миру феномен русского космизма - характерной черты русской культуры второй по­ловины XIX века - первой половины XX века. В Рос­сии он стал целым пластом культуры, представленным в твор­честве замечательной плеяды ученых, философов и художников. Идеи космизма в России нашли свое выражение в творчестве В. В. Докучаева, В. И. Вернадского, К. Э. Циолковского, А. Л. Чижевского, Л. Н. Гумилева, Н. Г. Холодного, С. П. Ко­ролева, Н. А. Морозова, Н. Ф. Федорова, В. С. Соловьева, А. Белого, А. В. Сухово-Кобылина и др.

Особый интерес сегодня вызывают идеи Н. Ф. Федорова, который одним из первых создал свою концепцию космизма. Он считал, что рост народонаселения на Земле приведет к освоению других планет, на которых будут расселены люди. В связи с этим он предлагал свой вариант пе­ремещения людей в космическом пространстве. Для этого, по его мнению, нужно будет овладеть электромагнитной энергией земного шара, что позволит регулировать его движение в ми­ровом пространстве и превратит Землю в подобие космическо­го корабля. В перспективе человек, по предположению Федо­рова, объединит все миры и станет «планетоводом».

Идеи Федорова о расселении людей на другие планеты поддерживал его ученик, один из основателей ракетостроения и теории космических полетов К. Э. Циолковский. На основа­нии своей идеи о всеобщности жизни, везде сущест­вующей в виде вечно живых атомов, Циолковский построил свою «космическую философию».

Он полагал, что жизнь и разум на земле не являются един­ственными во Вселенной. Космическое пространство заселено разумными существами различного уровня развития. Во Вселенной есть планеты, которые по развитию разума и могущества достигли высшей степени и опередили другие. Эти «совершенные» пла­неты обладают моральным правом регулировать жизнь на других, пока более примитивных планетах.

Циолковский полагал, что нашей планете во Вселенной при­надлежит особая роль. Земля относится к категории молодых планет, «подающих надежды». Лишь небольшому числу таких планет будет дано право на самостоятельное развитие. К их числу относится и Земля. В эволюции планет постепенно будет образован союз всех разумных высших существ космоса. Задача Земли в этом союзе - внести свой вклад в совершенствование космоса. Для этого землянам необходимо приступить к косми­ческим полетам и начать расселяться на других планетах Все­ленной. В этом и состоит основная идея его «космической фи­лософии»: переселение с Земли и заселение Космоса.

В этом заключается новое понимание места и роли человека в мире. Отныне он стал пониматься как вер­шина развития материи на Земле, в Солнечной системе, а мо­жет быть, и во Вселенной. Он становится силой, способной в перспективе осваивать и преобразовывать природу в косми­ческих масштабах. Итогом этих размышлений о роли челове­ка стало формулирование антропного принципа в современ­ной науке.

Наука столкнулась с большой группой фак­тов, раздельное рассмотрение которых создает впечатление необъяснимых случайных совпадений, граничащих с чудом. Вероятность каждого подобного совпадения очень мала, а уж их совместное существование и вовсе невероятно. Тогда вполне обоснованной представляется постановка вопроса о существовании пока не познанных закономерностей, которые способны организовать Вселенную определенным образом и следствиями которых мы столкнулись.

В этой ситуации был выдвинут и в настоящее время ши­роко обсуждается антропный принцип. В 70-е годы в двух вариантах его сформулировал английский ученый Картер. Первый из них получил наименование слабого антропного принципа: «То, что мы предполагаем наблюдать, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя». Второй вариант назван сильным антропным принципом: «Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции мог существовать наблюдатель».

Слабый антропный принцип интерпретируется так, что в ходе эволюции Вселенной могли существовать самые разные условия, но человек-наблюдатель видит мир только на том этапе, на котором реализовались условия, необходимые для его существования. В частности, для появления человека пона­добилось, чтобы в ходе расширения вещества Вселенная про­шла все необходимые стадии. Понятно, что человек не мог наблюдать их, так как физические условия то­гда не обеспечивали его появления. Раз человек есть, то он увидит вполне определен­ным образом устроенный мир, ибо ничего другого ему уви­деть не дано.

Более серьезное содержание заложено в сильном антропном принципе. По существу, речь идет о случайном или зако­номерном происхождении «тонкой подстройки» Вселенной. Признание закономерного устройства Вселенной влечет за со­бой признание принципа, организующего ее. Если же считать «тонкую подстройку» случайной, то приходится постулиро­вать множественное рождение вселенных, в каждой из которых случайным образом реализуются случайные значения физиче­ских постоянных. В какой-то из них случайно возникнет «тонкая подстройка», обеспечивающая появление на определенном этапе развития наблюдателя, и он увидит вполне благоустроенный мир, о случайном возникно­вении которого первоначально не будет подозревать. Правда, вероятность этого очень мала.

Если же мы признаем «тонкую подстройку» изначально за­ложенной во Вселенной, то линия ее последующего развития предопределена, а появление наблюдателя на соответствую­щем этапе неизбежно. Из этого следует, что в родившейся Все­ленной потенциально было заложено ее будущее, а процесс развития приобретает целенаправленный характер. Появление разума не только заранее «запланировано», но и имеет опреде­ленное предназначение, которое проявит себя в последующем процессе развития.

Пока мы еще слишком мало знаем о Вселенной, ведь земная жизнь - это только малая часть гигантского целого. Но мы можем строить любые догадки, если они не противоречат познанным законам природы. И вполне возможно, что если человечество продолжит свое существование, если его способность познавать себя и окружающий мир сохранится, то одной из главных задач будущего научного поиска человече­ства станет осознание своего предназначения во Вселенной.





5.4. Экологические проблемы сегодня
 
В 1866 г. Э. Геккель обозначил будущую науку об отношениях всех организмов к природной среде обитания экологией. В ХХ в. сформировалась в своей основе глобальная экология, центральное место в которой заняло влияние совокупной человеческой деятельности на природу в целом и на ее отдельные элементы.
Нарушение гармоничных отношении с природой может иметь опасные и даже трагические последствия для уже живущего и будущих поколений людей. Нарастание числа проблем. связанных с состоянием окружающей среды и истощением ресурсов Земли, кризисы, с которыми столкнулось человечество - следствие и свидетельство неверного пути развития.
С каждым годом все более обостряется глобальный экологический кризис, т. е. кризис, охвативший не отдельные регионы, а всю планету. Глобальный кризис - это комплексное явление, складывающиеся из целого ряда проблем:
Демографическая проблема. Численность населения нашей планеты 11 октября 1999 года составило 6 млрд. человек. Ежедневно население планеты увеличивается на 350 тыс. человек.
Рост численности населения Земли происходил крайне неравномерно:

·         10 000 лет назад на планете жило около 5 млн. человек, т. е. популяция человека не отличалась от популяций крупных млекопитающих.

·         1 в. н. э. - численность населения возросла в 20 раз и составила примерно 100 млн. человек;

·         1640 г. - 1-я перепись населения (уже полностью освоенной планеты) составила 500 млн. человек;

·         середина XIX в. - 1 млрд. человек;

·         начало ХХ столетия (1900 - 1902 гг.) - 1,5 млрд. человек;

·         конец 20-х годов - 2 млрд.

·         к началу 50-х - 2,5 млрд.

·         к 60-му году - 3 млрд.

·         к 70-м - 3,5 млрд.

·         к 80-му - 4 млрд.

·         к 90-му - 5,5 млрд.

·         1999 г. - 6 млрд.
 
Были и периоды снижения численности населения, например, в 1400 г. население Земли было меньше, чем в 1200 г. Причина - эпидемии чумы, холеры, других болезней, приводившие к вымиранию целых районов.
Население Земли распределено крайне неравномерно не только из-за климатических особенностей. В развитых странах высокий уровень урбанизации, т. е. большая часть населения живет в крупных городах, что неблагоприятно с точки зрения концентрации загрязнений, отходов, стоков, разрушения естественных экосистем. Большие города - экологически неблагоприятны для человека. Наиболее экологичны для проживания маленькие и средние населенные пункты. Проблемы влияния урбанизации на окружающую природную среду и человека изучает раздел экологии - урбоэкология.
Теория Мальтуса утверждает, что живые организмы, в том числе человек, размножаются в геометрической прогрессии, тогда как рост материальных благ происходит в арифметической прогрессии. Однако социальная сущность человека вносит в эту закономерность свои коррективы. Так, рост численности населения в развивающихся странах, Азии, Африки, Латинской Америки близок к этой закономерности, тогда как в развитых странах Европы смертность равна рождаемости и общий рост численности населения идет за счет эмигрантов. В ряде стран Северной Европы, России и др. смертность превышает рождаемость. Из этого следует, что каждой стране нужная своя научно обоснованная демографическая политика. Так, в Китае введено ограничение рождаемости за счет прогрессивного налога. Чтобы стимулировать рождаемость, в частности в нашей стране, необходима формула рождаемости 2+3 (расширенное воспроизводство), т. е. у двоих родителей должно быть не менее трех детей.
Экономическая проблема. Человечество хочет жить в хороших условиях жизни, например как в странах, Западной Европы, США, но только немногим более миллиарда человек (т. н. «золотой миллиард») живет в таких условиях. Остальные почти 5 млрд. живут в удовлетворительных или плохих материальных условиях. Частые кризисы в странах третьего, часто связанные с падением курсов национальных валют, усугубляют эту ситуацию. Необходима более совершенная общемировая экономическая интеграция.
Продовольственная проблема. Из всего числа государств - членов ООН, около 20 стран имеют благополучное положение с продовольствием, имеется ввиду самообеспечение себя продовольствием и доступность его для населения. Основные причины этого явления следующие: различие климатических условий, климатические аномалии, потери при уборке урожая, его транспортировке, хранении (до 25 %), эрозия почв, низкая культура ведения сельского хозяйства, национальные конфликты и др. В ряде районов Азии, Африки периодически возникают ситуации возникновения голода. Значительная часть населения России, ввиду тяжелой экономической ситуации, питается весьма несбалансированно и недополучает необходимые питательные вещества.
Проблема использования природных ресурсов и загрязнение окружающей среды - две тесно взаимосвязанные проблемы. По данным ЮНЕСКО, за один календарный год в мире при перепашке полей, строительных и других работах перемещается более 4000 куб. км почвы и грунта, извлекается из недр земли 120 млрд. тонн руд, горючих ископаемых, строительных материалов, выплавляется 800 млн. тонн различных металлов. В то же время в конечном продукте содержится не более 5 - 7 % от количества сырья, запущенного в производство, а 93 - 95% идет в отходы, загрязняя атмосферу и природные водоемы. В целом общемировое промышленное производство имеет очень низкий КПД. Это касается и вырабатываемой электроэнергии, где КПД составляет от 12 до 40 %.
Общая площадь разрушенных и деградированных почв за всю историю человечества составляет примерно 20 млн. кв. км, что больше совокупной площади, используемой сегодня в мире в сельскохозяйственных целях.
Грозным предупреждением становится сокращение площадей тропических лесов, которые наряду с северной тайгой являются легкими планеты - они вырабатывают основную массу кислорода, необходимого для жизни животного мира.
На протяжении последних 50 лет человек уничтожил 60 % мировых лесов. За последние 200 лет жители Австралии вырубили 75 % своих тропических лесов. Только за минувшие 40 лет Африка потеряла 23 % лесного массива. Латинская Америка - 38 %. Сегодня США дышат чужими «легкими». Вырубка лесов является одной из причин опустынивания обширных площадей. В настоящее время опустыниванием охвачена территория, равная по площади Северной и Южной Америке.
К числу экологически опасных явлений относится загрязнение мирового океана, которое происходит сегодня в огромных масштабах. В реки, озера, моря и океаны планеты ежегодно сбрасывается до 7000 млрд. куб. метров неочищенных сточных вод, которые содержат около 300 млн. т. железа, 2,3 млн. т. свинца, 7000 т. ртути, 6,5 т. фосфора и множество других токсичных веществ. Закономерно, что это приводит к сокращению океанской биоты, а, следовательно, и к сокращению пищевых ресурсов человека.
Для решения этой проблемы необходимо совершенствование производства, введение новых малоотходных и безотходных технологий, замкнутых циклов производств, использование вторичного сырья. Особой проблемой являются утилизация мусора, его переработка (рекуперация), захоронение радиоактивных и высокотоксичных отходов. Эта проблема стала достаточно острой для стран с большой территорией, остро нуждающихся в валюте и имеющих правительства не подотчетные своим народам. Загрязнение рек, воздуха в крупных городах, замусоривание среды и рост площадей свалок заставили ряд стран Европы ввести очень жесткие экологические законодательства. Во многих развитых странах наблюдается рост влияния политических партий экологической направленности.
Проблема изменения климата - связана в первую очередь с парниковым эффектом и разрушением озонового слоя.
Антропогенные выбросы углекислого газа, метана и некоторых других газов, разного типа аэрозолей, задерживающих тепловое излучение нашей планеты, приводят к повышению средней температуры поверхности Земли. Эти газы, попадая в атмосферу, затрудняют отдачу тепла с поверхности Земли и действуют как стекло или пленка в теплице. Как считают эксперты, к середине следующего века изменение климата в сторону потепления вследствие парникового эффекта сделается вполне ощутимым. Расчеты показывают, что в экваториальной зоне заметного потепления не произойдет, но в полярных областях температура вырастет весьма существенно. Это заметно скажется на состоянии ледового покрова, особенно в Арктике (он может даже исчезнуть), на границе тундры и вечной мерзлоты.
Самое главное следствие уменьшения разности температур между полярными и экваториальными зонами - это изменение структуры атмосферной циркуляции. Сейчас нагретый на экваторе воздух поднимается вверх, движется там к полярным зонам и, охлаждаясь, опускается в приземные слои. Затем вдоль поверхности Земли воздух возвращается к экватору. За счет этого происходит основной перенос влаги, испаряющейся над океанами, на континентальную часть планеты. Изменение теплового баланса приведет к уменьшению интенсивности этого переноса, количество влаги, переносимой в глубину континента, может заметно уменьшиться, что резко расширит область пустынь и полупустынь. Уменьшится также и область засушливых земель, дающих сегодня основное количество зерна, что снизит общую продуктивность растительного покрова на континентах. И такой эффект может произойти даже несмотря на значительное увеличение содержания в атмосфере углекислоты, являющейся пищей растений.
Если рост поступления в атмосферу парниковых газов сохранится, то уже в ближайшие десятилетия из-за таяния полярных льдов и теплового расширения воды на десятки сантиметров поднимется уровень мирового океана. Это тоже внесет немалые осложнения в жизнь планетарного сообщества. Изменится положение границ, разделяющих природные зоны «степь - тайга» и «тайга - тундра». Потребуется перестройка всей структуры сельскохозяйственного производства.
Основные последствия парникового эффекта не вызывают серьезных разногласий среди климатологов. Все они единодушно считают, что климатические изменения произойдут на всем северном полушарии планеты.
Глобальные изменения климата происходят не только из-за парникового эффекта и вырубки лесов, но также и из-за уменьшения толщины озонового слоя, что пропорционально увеличивает интенсивность ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли. В полярных районах планеты зафиксированы озоновые дыры диаметром до 10 км2. Причиной этого, по мнению ученых, является широкое использование во всех промышленно развитых странах качестве хладоагентов в холодильниках фреонов и других хлорфторуглеродов. Попадая в атмосферу, в результате фотохимических реакций они уничтожают молекулы озона. Это ведет к усилению ультрафиолетовой радиации Солнца, смертельной для жизни в больших дозах. За последние 16 лет в Северном полушарии содержание озона в стратосфере уменьшилось в среднем на 3 % над территориями Северной Америки и Европы. Ученые подсчитали, что каждый процент уменьшения озонового слоя приводит к увеличению числа заболеваний раком на 5 - 7 %.
Проблема сохранения генофонда - одна из острейших проблем современности. В настоящее время официально учтено около 1,5 млн. видов организмов, из которых около 500 тыс. - растения, а примерно 1 млн. - животные. Из этого числа 4000 видов занесены в Красную книгу. 40 видов безвозвратно исчезли с лица земли. 25 %, т. е. каждый четвертый вид нуждается в паспортизации на страницах Красной книги. Исчезновению организмов не всегда способствует их прямое физическое истребление ради использования. Из 1,5 млн. видов человек использует около 100. Быстрое сокращение числа видов происходит по четырем основным причинам:
1.       сокращение ареалов обитания;
2.       изменение экосистем:
3.       прямое физическое уничтожение;
4.       отравление промышленными отходами, ядохимикатами.
 
Проблема сохранения генофонда человечества вызывает особую тревогу. Количество мутантов в диких популяциях животных не превышает 2 - 2,5 %. Они составляют материал для естественного отбора. Если среда не изменяется, они погибают. В человеческом обществе, где социальная среда поддерживает мутантов и больных особей, накопился значительный «генетический груз», т. е. рецессивные мутации, не проявляющие себя в гетерозиготном состоянии, но способные проявиться в гомозиготном. Известен факт, что в 50-е годы в Швеции - небольшой по населению стране, накопилось 25 - 30 % мутантов по сахарному диабету. Проблема была решена с помощью сети генетических консультаций, где на основе анализа родословных гражданам давались обоснованные рекомендации перед вступлением в брак. Остроту проблемы снизили эмигранты, которые внесли новый поток генов. С 50-х к 80-м годам количество мутантов по сахарному диабету снизилось на 10 %. Это доказывает генетическую нецелесообразность всякого рода национальных, кастовых, этнических изоляций, которые приводят к близкородственным бракам и повышают риск проявления наследственных заболеваний.
Проблема сохранения здоровья в изменяющихся условиях среды, в связи с этим весьма актуальна. Очень часто болезни становятся прямым следствием высокоурбанизированного образа жизни. Факторами риска здоровью человека являются:
1.       некачественные пищевые продукты;
2.       измененные физические и химические параметры среды;
3.       вредные привычки: наркомания, курение, алкоголизм;
4.       стрессы;
5.       разбалансированное питание;
6.       гиподинамия.
 
Болезнь - нарушение оптимального психосоматического состояния и способности удовлетворять свои потребности. Это понятие тесно связано с понятиями нормы, которая понимается как функциональный оптимум биологической системы, и патологии - как нарушения этой нормы.
Причинами болезней, как принято сегодня считать, являются не внешние и внутренние факторы (патогенные воздействия среды и нарушения функций организма), а их взаимодействие. При этом роль различных факторов, вызывающих болезни, меняется в зависимости от времени, эпохи, уровня социально-экономического развития общества.
Если в прошлом характер патологии был обусловлен в основном патогенными природными воздействиями, то в настоящее время он определяется прежде всего воздействиями, идущими от преобразованной самим же человеком природы. На протяжении многовековой эволюции человек испытывал воздействие таких факторов, как гипердинамия, то есть максимальная мускульная активность на фоне общей калорийной недостаточности, недоедания, недостатка микроэлементов, витаминов. Главную роль в возникновении многих заболеваний в настоящее время играет гиподинамия, то есть недостаточная физическая активность на фоне информационных перегрузок и психоэмоционального стресса. Определенное сочетание психоэмоциональных стрессов с малоподвижным образом жизни и избыточным питанием ведет к суммированию этих воздействий, способствует росту ряда сердечно-сосудистых заболеваний, неврозов, сексуальных расстройств, язвенных заболеваний желудка, двенадцатиперстной кишки и др.
С переходом от одной ступени общественного развития к другой все более усложняются психоэмоциональные отношения людей. Нервная система человека подвергается постоянным, все возрастающим эмоционально-психическим воздействиям, начиная от здоровых, тонизирующих, и кончая отрицательными, даже болезнетворными эмоциями. Возрастает темп жизни, укорачиваются сроки морального износа техники, происходит устаревание некоторых профессий, убыстряется развитие науки, техники, культуры и т.п. Все это предъявляет новые, повышенные требования к внутренним ресурсам человека, важным компонентом которых является психическое здоровье и эмоциональное равновесие.
Если современный этап общественного развития характеризуется ускорением темпов жизни во всех сферах, то скорости психофизиологических и соматических реакций организма нередко оказываются слишком замедленными, отстают от ритмов социальной и производственной жизни, возникает социально-биологическая аритмия как общая предпосылка возникновения многих заболеваний.
Поэтому закономерно, что здоровье населения страны с каждым годом ухудшается. Около 20 % людей вследствие физических особенностей, особенностей поведения, характера, состояния здоровья не вступают в брак. У плодовитых родителей около 15 % зачатых организмов гибнет до рождения, 5 % при рождении и непосредственно после рождения, 3 % людей умирает, не достигнув половой зрелости. В России за последние 5 лет показатель младенческой смертности увеличился на 15 %, до 20 % возросла доля новорожденных с физическими и неврологическими нарушениями. Сегодня каждый 500-й или 700-й ребенок в силу естественных мутаций и структуры генофонда рождается с заметными отклонениями от нормы.
У каждой популяции существует некоторый порог допустимого размывания генофонда (процент неполноценных особей), за которым уже никакой естественный отбор не сможет восстановить его качество и предотвратить деградацию популяции. Человек не составляет исключения. Через несколько поколений, может быть, уже к началу XXII века, человечество, вероятно, подойдет к этому опасному рубежу. И обратного хода эволюционному процессу тогда уже не будет. Иначе говоря, без кардинальных изменений условий жизни человека генетическая деградация вида Homo sapiens неизбежна.
Не менее тревожными являются показатели влияния некоторых компонентов окружающей среды на здоровье человека. Так, достоверно известно, что загрязненность воздуха и курение вызывают заболевания органов дыхания, кровообращения, пищеварения, способствует развитию целого ряда онкологических заболеваний.
Примерно 85 % заболеваний вызываются качеством воды. К болезням приводит прежде всего низкое ее качество, содержание различных токсичных соединений, тяжелых металлов, вредных органических примесей и бактерий. Чем больше насыщенность воды солями, тем выше риск заболеть атеросклерозом, инсультом, мочекаменной болезнью и т. д. В значительной степени портит здоровье хлор. Хотя хлорирование воды спасает от инфекций, однако его производные медленно подрывают здоровье, так как обладают канцерогенным и мутагенным эффектами. Они могут влиять на наследственность, многие из них являются сильнейшими печеночными ядами.
Сейчас в ряде локальных районов формируется новая физико-химическая и экологическая среда. В силу этого возникают задачи изучения механизмов социальной и биологической адаптации к новой среде. Нельзя не учитывать, что к воздействию некоторых новых факторов среды человек эволюционно не подготовлен (новые химические вещества и виды энергий), ибо в ходе эволюции он с ними не сталкивался.
Чтобы избежать катастрофы, необходимо осознать естественные экологические принципы и правила, которые сегодня разрабатываются экологией человека и социальной экологией.
 






5.5. Понятие о ноосфере
 
На протяжении многих сотен человеческих поколений взаимодействие человека с окружающей средой заметных изменений в биосфере не вызывало, но все это время шло накопление знаний и сил. Постепенно, используя свое интеллектуальное превосходство над остальными представителями животного мира, человек охватил своей деятельностью всю биосферу. Эта деятельность привела к приручению животных, к выведению культурных растений. Человек стал менять окружающий его мир и создавать для себя новую, не существовавшую никогда на планете живую природу.
Под влиянием человеческого труда с момента появления человечества начался и в нарастающем темпе продолжает происходить процесс видоизменения биосферы и ее переход в новое качественное состояние. Естествознанию известны более ранние переходы биосферы в качественно новые состояния, сопровождавшиеся почти полной ее перестройкой. Но данный переход представляет собой особенное, ни с чем не сравнимое явление.
Данные антропологии и палеонтологии свидетельствуют, что современный человек сформировался около 30 - 40 тыс. лет назад. Его появление стало крайне важным обстоятельством в эволюции биосферы, так как в этом процессе начал действовать новый фактор - антропогенный: человек стал использовать биосферу для удовлетворения своих потребностей. С этой целью им были созданы различные орудия труда и придуманы способы, обеспечивающие его жизнедеятельность. Таким образом, человек стал творцом культуры.
Первая созданная человеком культура - палеолит (каменный век) - существовала примерно 20 -30 тыс. лет. Она совпала с периодом длительного оледенения. Экономической основой жизни человеческого общества тогда была охота на крупных животных: оленей, носорогов, ослов, лошадей, мамонтов. На стоянках человека каменного века ученые находят многочисленные кости диких животных - свидетельство успешной охоты. Интенсивное истребление крупных травоядных животных привело к сравнительно быстрому сокращению их численности и исчезновению многих видов.
Несмотря на трудные условия, человек в это время сумел распространиться на значительной территории планеты, создав социальный организм - общество, основанное на совместном труде (охоте и собирательстве) и коллективной памяти. Тем не менее человек палеолита еще продолжал оставаться частью природы, пользуясь ее дарами и не начиная ее сознательного переустройства. Тем самым человек все еще вписывался в естественные биогеохимические циклы.
К концу палеолита, как считают современные ученые, человечество столкнулось с первым в своей истории демографическим кризисом - перенаселенностью. 10 - 12 тысяч лет назад наступило резкое потепление, отступил ледник, леса распространились в Европе, вымерли крупные животные. В результате были созданы новые условия жизни, которые коренным образом изменили экологическую базу человеческого общества и привели к первому глобальному экологическому кризису - перенаселению планеты. Это означало, что закончился период использования человеком готовых (созданных природой) средств существования. В новых условиях необходимо было активно добывать и перерабатывать природные продукты.
Началась эпоха неолита (нового каменного века), в которой наряду с охотой, рыбной ловлей и собирательством все большее значение приобретал процесс производства пищи. Предпринимаются первые попытки одомашнивания животных, разведения растений, зарождается производство керамики. Уже 9-10 тысяч лет назад существовали поселения, среди остатков которых обнаруживают пшеницу, ячмень, чечевицу, кости домашних животных - коз, овец, свиней. В разных местах Передней и Средней Азии, Кавказа, Южной Европы формируются зачатки земледельческого и скотоводческого хозяйства. Развивается подсечное земледелие, начинается освоение минеральных ресурсов, зарождается металлургия. Происходит переход к производящему хозяйству - неолитическая революция, которая и стала способом разрешения экологического кризиса. Ценой, которую человечество заплатило за это, было уменьшение численности населения в 8 раз. Эта революция завершила эру животной жизни человека, с нее начинается целенаправленное его вмешательство в природные процессы, трансформация биосферы в соответствии со своими потребностями.
На этом этапе культуры развитие человеческого общества пошло значительно быстрее. Появились первые цивилизации на Древнем Востоке, затем в Древней Греции; возникли частная собственность и наука, ставшие основой европейской, а затем и мировой цивилизации. Тем не менее, 5 - 2 тысячелетий назад разразился второй экологический кризис, связанный с подсечно-огневым земледелием. Это привело к быстрому истощению, эрозии почв и образованию пустынь на обширных территориях (Средняя Азия, Сахара). Историки считают, что гибель культуры народа майя связан экологической катастрофой по причине низкой культуры земледелия.
В современный период разум человека, воплощенный в научную мысль и деятельность стали фактором планетарного масштаба, направляющей силой дальнейшей эволюции биосферы. Человечество становится доминирующим видом среди живого вещества биосферы. Сегодня человек освоил не только всю территорию нашей планеты, но и вышел в космос, освоение которого уже вполне реально является делом завтрашнего дня, ближайшего будущего.
Все это позволило В. И. Вернадскому назвать не только живое вещество планеты, человека, вооруженного научной мыслью, величайшей геологической силой современности. Если живое вещество создавало современный облик нашей планеты в течение миллионов и миллиардов лет, то человек своей деятельностью значительно изменил ее за тысячелетие. Датский этнограф И. Бьерре сделал выразительное сравнение. Если всю историю Земли сжать в рамки одного года, то в ноябре возникает первая жизнь. В середине декабря появляются гигантские животные, а за четверть часа до Нового года возникает первый антропоид. Вся человеческая эра занимает самую последнюю минуту уходящего года. За эти 60 секунд выросла мощная планетарная сила - человеческое общество. Человек и природа вошли в тесное взаимодействие.
Таким образом, все эти 12 тысяч лет, прошедшие после неолитической революции, были эпохой покорения природы, когда она сама не принималась во внимание в качестве активного партнера для человечества. Особенно это характерно для европейской цивилизации, которая приняла христианский тезис о сотворении мира для человека, считающегося господином этого мира, имеющим право делать с этим миром все что угодно.
Масштабы созданной человечеством материальной культуры огромны. Темпы ее развития постоянно увеличиваются и вместе с этим увеличивается воздействие человека на биосферу. Уровень воздействия человека на окружающую среду зависит в первую очередь от технической вооруженности общества. Она была крайне мала на начальных этапах развития человечества, но с развитием общества, в ходе технического прогресса ситуация изменялась коренным образом. XX столетие, сформировавшее качественно новые отношения науки, техники и технологии, колоссально увеличило масштабы воздействия общества на природу и поставило перед человечеством целый ряд чрезвычайно острых проблем.
По силе своего воздействия на планету техника сегодня в состоянии на равных спорить с живым веществом. По результатам преобразованной окружающей среды с помощью техники можно уже говорить о новом ее состоянии - техносфере. Понятие «техносфера» выражает совокупность технических устройств и систем вместе с различными видами технической деятельности человека. Ее структура достаточно сложна, так как включает в себя техногенное вещество, технические системы, живое вещество, верхнюю часть земной коры, атмосферу, гидросферу. Более того, с началом эры космических полетов техносфера вышла далеко за пределы биосферы и охватывает уже околоземное космическое пространство.
Техносфера все больше преобразует природу, изменяя прежние и создавая новые ландшафты, активно влияя на другие сферы и оболочки Земли. Однако, пока что наука и техника нацелены на максимальную эксплуатацию природных ресурсов, удовлетворение нужд человека и общества любой ценой. Последствия такого воздействия на природу во многом негативны: технические ландшафты производства, уничтожение жизни в целых регионах и др. Поэтому в настоящее время жизненно необходимым становится изменение характера взаимоотношений человека с природой.
Жизнь на Земле развивается по строгим законам природы. Современное естествознание открыло основные принципы и законы, определяющие существование жизни на Земле. Человеческая цивилизация для обеспечения своего устойчивого развития также должна следовать этим законам и принципам.
Жить в согласии с природой - один из основополагающих принципов существования Человека на Земле. Еще великие философы античности учили тому, что повелевать природой можно только повинуясь ее законам (принцип природосообразности). Однако многие факты дают основания характеризовать современные отношения человека и природы как третий экологический кризис. Его называют антропогенный экоцид - разрушение людьми естественной среды обитания, в том числе и условий собственного существования.
Современное человечество находится на грани потери возможной устойчивости (стабильности) биосферы как целостной системы, частью которой является человечество. Результатом потери стабильности нынешнего квазиравновесного состояния будет переход биосферы (как и всякой нелинейной системы) в новое и неведомое нам состояние квазиравновесия, в котором человеку просто может не оказаться места. Биосфера, как саморегулирующаяся система, до поры до времени могла компенсировать изменяющиеся внешние нагрузки. На протяжении миллиардов лет удерживались параметры биосферы в том узком интервале их значений, в котором только и мог возникнуть наш биологический вид. И это регулирование обеспечивалось несмотря на то, что за время существования планеты биосфера Земли неоднократно подвергалась дополнительным внешним нагрузкам - колебания солнечной активности, падение метеоритов, интенсивный вулканизм и т.д. Но теперь основной опасностью для стабильности биосферы становится человек. И есть основания полагать, что компенсационные возможности биосферы либо уже нарушены, либо находятся на пределе своих возможностей.
Биосфера обладает колоссальной самоочищающей способностью. К сожалению, эти способности природы не безграничны. Антропогенные воздействия на природу поставили под угрозу нормальное осуществление присущих ей биотических процессов, нарушили равновесие состояния биосферы. Антропогенная нагрузка на окружающую природную среду достигла сегодня таких масштабов, что привела к глобальному экологическому кризису. Многие ученые считают, что мы стоим на грани экологической катастрофы.
Катастрофа может разразиться совершенно неожиданно и столь стремительно, что никакие наши действия уже ничего не смогут изменить. Поэтому проблема изучения стабильности биосферы должна превратиться в одно из основных направлений фундаментальных исследований. Но самое главное - должна появиться новая стратегия цивилизации, согласованная со стратегией природы. Это должна быть стратегия выживания. Для этого нам предстоит научиться изучать биосферу как единый целостный организм и соизмерять свой образ действия с реакцией на него этого общепланетарного организма. Антропоцентризм должен уступить место биосфероцентризму. Поэтому так важно создать концепцию перехода, а затем - будущего человеческой культуры и цивилизации. Немалую помощь в этом может оказать учение В.И. Вернадского о ноосфере.
Современная биосфера является результатом длительной эволюции всего органического мира и неживой природы. В этой эволюции принимает участие и сам человек, воздействие которого на природу постоянно усиливается и по своим масштабам приближается к действию геологических процессов. Биосфера Земли все больше становится управляемой человеческим разумом, постепенно превращаясь в ноосферу.
Еще в 20 - 30-х годах нашего столетия В.И. Вернадский, размышляя о геологической роли человека, вооруженного научной мыслью (разумом), пришел к выводу, что геохимическая роль человека определяется не его массой (хотя численность человечества постоянно растет), а производственной деятельностью. Это значит, что важнейшим фактором, от которого зависит жизнь на нашей планете, становится разумная коллективная деятельность человека.
Биосфера под влиянием разумной человеческой деятельности переходит в качественно новое состояние. Это новое состояние биосферы, преобразованной человеческой мыслью и трудом, Вернадский назвал ноосферой. Ее существенной характеристикой является поддержание глобального равновесия системы на основе оптимального сочетания социально-исторических и естественно-природных законов.
Термин «ноосфера», в прямом переводе означающий «сфера разума», был введен французскими учеными и философами Е. Леруа и П. Тейяром де Шарденом, которые по их собственному признанию, впервые использовали его после парижских лекций В. И. Вернадского 1922 - 1926 годов. Вернадский, знакомый с ними, тоже стал использовать этот термин, но с сугубо материалистических позиций. Концепция ноосферы Вернадского явилась логическим завершением многолетней работы ученого над проблемами живого вещества и биосферы.
С появлением человека на Земле идет процесс ноосферогенеза. Но если до сих пор он проходил бессознательно, как стихийный природный процесс, то сейчас мы подошли к тому рубежу, который требует от человека четкого осознания им своей глобальной задачи, выработки стратегии и тактики для достижения поставленной цели.
Развивая свои представления и идеи, Вернадский выделил необходимые предпосылки для создания ноосферы:
1.       Человечество стало единым целым. Сегодня событие, происшедшее в захолустном уголке любой точки любого континента или океана, отражается и имеет следствия - большие и малые - в ряде других мест, всюду на поверхности Земли.
2.       Преобразование средств связи и обмена информацией, которые сегодня обеспечивают мгновенную ее передачу.
3.       Реальное равенство людей как необходимое условие ноосферы.
4.       Поднятие общего уровня жизни как условие реального равенства людей, а также возможность влияния народных масс на ход государственных и общественных дел.
5.       Развитие энергетики, открытие и использование новых видов энергии, необходимых для подъема уровня жизни.
6.       Исключение войн из жизни общества.
 
Создание этих предпосылок становится возможным в результате взрыва научной мысли в xx веке. Это же обстоятельство соответственно приведет к трансформации биосферы в ноосферу, а в жизни народов произойдут необходимые позитивные изменения, никак не противоречащие этому процессу. Становление ноосферы теснейшим образом связано с овладением всеми формами движения материи и созданием новых живых организмов с помощью методов и средств биотехнологии и генной инженерии.
Ценность концепции вернадского состоит в том, что она дает конструктивную модель вероятного будущего, а ее ограниченность в том, что она рассматривает человека прежде всего как разумное существо, тогда как он редко ведет себя по-настоящему разумно. Идеи вернадского сегодня вновь широко обсуждаются в научных кругах. Они становятся методологической основой для многих современных концепций и теорий, направленных на решение экологической проблемы и сохранение человечества.
Биосфера существовала до появления на Земле человека, может существовать и без него. Но человек без биосферы существовать не может. Осознание глобальной экологической опасности грозящей гибелью человечеству, заставило мировое сообщество искать новые пути выхода из создавшегося положения и привело к пониманию необходимости разработки концепции устойчивого развития.
Эта концепция была принята на конференции ООН по окружающей среде и развитию (1992 год, Рио-де-Жанейро), где была отмечена невозможность прогресса развивающихся стран по пути, который прошли развитые страны. Было признано, что эта модель развития завершится гибелью человечества. Поэтому провозглашена необходимость перехода мирового сообщества на путь устойчивого развития, то есть развития общества на базе экологически целесообразного природопользования, обеспечивающего высокое качество жизни для людей целого ряда поколений.
Устойчивое развитие было выдвинуто как основная задача человечества на конец XX - начало XXI века. Эта модель развития предполагает:
1.       Снижение материало- и энергоемкости производства, максимальное сокращение отходов, снижение оборота токсичных веществ и расширение использования возобновляемых ресурсов, включая источники энергии.
2.       Переход к ценообразованию, учитывающему экологические критерии (цену ущерба окружающей среде) и стимулирующему использованию новых, экономически безопасных ресурсо- и энергосберегающих технологий в сочетании с системой налогов и штрафов.
3.       Содействие устойчивому ведению сельского хозяйства и развитию сельских районов через повышение продуктивности сельскохозяйственных культур, улучшение питательных свойств растительной и животной продукции, использование комплексных методов борьбы с вредителями сельского хозяйства и т.д.
4.       Передача индустриально развитыми странами передовых технологий развивающимся странам, в частности, новых технологий, созданных на основе генетических материалов, полученных из развивающихся стран.
5.       Создание международных институтов, способных определить единую глобальную линию устойчивого развития, устанавливать единые для всех стран экологические стандарты, аккумулировать и перераспределять ресурсы в интересах всего сообщества, контролировать соблюдение всеми государствами единых правил экологического поведения.
 
Сегодня очевидно, что биосфера Земли - сложнейшая система - находится в сильно неравновесном состоянии. Из таких состояний самоорганизующиеся системы, к числу которых принадлежит и биосфера, выходят скачком. Мы подходим к точке бифуркации, за которой лежат несколько возможных вариантов будущего. Среди них - возможность экологической катастрофы, полное исчезновение жизни на Земле или существование жизни, но уже без человечества. Наиболее благоприятным выходом для человечества из этой ситуации было бы образование ноосферы. Присутствие разума в системе, находящейся в ситуации перехода, меняет эту ситуацию. Предотвратить переходный процесс в биосфере человек не в силах, но есть возможность свести к минимуму или совсем убрать те неблагоприятные флуктуации, которые подталкивают неустойчивую систему к нежелательным для человека вариантам перехода. Так, запрещение и полное уничтожение ядерного и химического оружия устранит ситуацию, способную уничтожить биосферу в военном конфликте. Еще лучше, если будут достигнуты договоренности о сокращении и уничтожении обычных видов вооружений, а высвободившиеся ресурсы направлены на решение экологических проблем. Также очевидно, что экологические проблемы нужно решать каждый день совместными усилиями всех стран, народов, всех людей. Человечеству не обойтись без снижения потребления энергии, более экономичного ведения промышленного производства, сокращения добычи и расходования важнейших полезных ископаемых. Необходимо осознать демографические проблемы, изменить отношение к животному и растительному миру планеты. Все это невозможно без научного предвидения результатов любой природопреобразующей и социальной деятельности людей, а также без создания налаженной системы управления и контроля за проведением в жизнь разрабатываемых мероприятий.
В решении проблем выживания человечества большую роль может сыграть становление новой экологической этики (биоэтики), основы которой были заложены в буддизме, затем развиты Л. Н. Толстым и сформулированы в этическую систему А. Швейцером. В соответствии с основными положениями биоэтики, нравственна та деятельность человека, которая способствует поддержанию и развитию всякой жизни и безнравственно то, что уничтожает жизнь. Природа, породившая человека, достойна чувства уважения и от отношения людей к ней будет в конечном итоге зависеть жизнь человечества, его дальнейшая коэволюция, т. е. совместное гармоничное развитие.
 



+++



·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·цDocuments and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\Kse_12.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\Kse_14.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\Kse_16.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\Kse_21.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\kse_23.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\kse_25.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\Kse_31.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\kse_33.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\kse_35.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\Kse_37.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\Kse_41.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\kse_43.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\kse_45.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\Kse_51.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\kse_53.htm
·Documents and Settings\Ихтик.IHTIK\Мои документы\Lopatakse\kse_55.htm
·J Заголовок 3B Заголовок 4Ў: 15тT Основной текст с отступомD Body Text 2N Body Text Indent 2F
Обычный (Web)N Body Text Indent 3ИхтикhC:\ЧТИВО\_Учебники, Хрестоматии\Естествознание\Лекции по курсу Концепции современного естествознания.docM
·ч
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·z
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·Times New RomanTimes New Roman

Приложенные файлы

  • doc 5332892
    Размер файла: 744 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий