«Лекции по дисциплине "Концепции современного естествознания"»

Тема 10. Проблемы микромира и квантовой физики

    Язык изучается многими дисциплинами. Лингвистика, логика, психология, антропология, семиотика предлагают спои данные к обобщению в философской теории. Под языком прежде всего понимается естественный человеческий язык в противоположность искусственному, формализованному языку или языку животных. Когда употребляют термин «язык», то, как правило, различают два оттенка его значения. Первый – язык как класс знаковых систем, средоточие универсальных свойств всех конкретных языков. И второй – язык как этническая или идиоэтническая знаковая система, используемая в некотором социуме в данное время и в определенных пространственных границах. О языке науки говорят, имея в виду специфический понятийный аппарат научной теории и приемлемые в ней средства доказательства. При этом остается проблема более точного исследования выразительных возможностей языка, а также достаточно четкое осознавание, какие предпосылки, идеализации и гипотезы допускаются, когда ученые принимают тот или иной язык. Следует разбираться и в допускающих способностях языка, т.е. речь идет о той принципиальной возможности, в рамках которой мы что-то можем, а что-то и не можем выразить посредством данного языка. С этой точки зрения сам процесс продвижения к истине есть также и своеобразная успешность «выразительных возможностей языка». Многие ученые считают, что само развитие науки непосредственно связано с развитием языковых средств выражения, с выработкой более совершенного языка и с переводом знаний с прежнего языка на новый. Ученые говорят об эмпирическом и теоретическом языках, языке наблюдений и описаний, количественных языках. Языки, используемые в ходе эксперимента, называются экспериментальными. В науке четко проявляется тенденция перехода от использования языка наблюдений к экспериментальному языку, или языку эксперимента. Убедительным примером тому служит язык современной квантовой физики, который содержит в себе термины, обозначающие явления и свойства, само существование которых было установлено в ходе проведения различных экспериментов.

    Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом, и принципе дополнительности Н. Бора.  Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключается в следующем. Допустим, ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться законами классической механики, то ситуация была бы простой: следовало лишь определить координаты частицы и ее импульс (количество движения). Но законы классической механики для микрочастиц применяться не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге «Физика атомного ядра» В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет, что никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы. С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и в принципе не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей.  Существование элементарного кванта действия служит препятствием для установления одновременно и с одинаковой точностью величин «канонически связанных», т.е. положения и величины движения частицы.   Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами про исходящего».[1]

    Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. М. Борн образно заметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.

       Значение эксперимента возросло в квантовой механике до такой степени, что, как писал Гейзенберг, наблюдение играет решающую роль в атомном событии, и что реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет. Из данного обстоятельства, заключающегося в том, что сам измерительный прибор влияет на результаты измерения и участвует в формировании изучаемого явления, следовало, во-первых, представление об особой «физической реальности», которой присущ данный феномен, а, во-вторых, представление о субъект-объектном единстве как единстве измерительного прибора  и изучаемой реальности.  Человек перешел на тот уровень, исследования, где его влияние оказывается неустранимым в ходе эксперимента и фиксируемым результатом является взаимодействие изучаемого объекта и измерительного прибора. Итак, принципиально новыми моментами в исследовании микромира стали: 1) каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами; 2) вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т.е. квант света); 3) можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью; 4) прибор, исследующий реальность, влияет на нее; 5)точное измерение возможно только при потоке частиц, но не одной частицы.

    В химии элементом назвали субстанцию, которая не могла быть разложена или расщеплена какими угодно средствами, имевшимися в то время в распоряжении ученых: кипячением, сжиганием, растворением, смешиванием с другими веществами. Затем в физике появилось понятие атома, заимствованное у Демокрита (с греч. «неделимый»), которым была названа мельчайшая единица материи, входящая в состав химического элемента. Химический элемент состоит из одинаковых атомов. Потом выяснилось, что сам атом состоит из элементарных частиц. В первой модели атома, предложенной Э. Резерфордом, электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца (планетарная модель атома). Установлено, что поперечник атома составляет 10^{-8 см, а ядра – 10-12 см. Масса протона больше массы электрона в 2000 раз. Плотность ядра 1014} г/см³. Превращение химических веществ друг в друга, о чем мечтали алхимики, возможно, но для этого нужно изменить атомное ядро, а это требует энергий в миллионы раз превосходящих те, которые имеют место при химических процессах. В 20 веке открыто огромное количество элементарных частиц и выявлены закономерности их взаимодействия. Их можно разделить на несколько групп: адроны (из них состоят ядра), лептоны (электроны, нейтрино), фотоны (кванты света без массы покоя). Фотоны и нейтрино движутся со скоростью света. Немецкий физик П. Дирак предсказал в 1936 году существование античастиц с той же массой, что и частицы, но зарядом противоположного знака. К настоящему времени на ускорителях высоких энергий получены позитроны (античастицы электронов) и антипротоны. При столкновении частица и античастица аннигилируют с выделением фотонов – безмассовых частиц света (вещество переходит в излучение). В результате взаимодействия фотонов могут рождаться пары «частица – античастица». Открытие все большего количества элементарных частиц подтвердило взаимопревращение вещества и энергии (предсказанное, впрочем, еще Анаксимандром), так что материя, которая прежде отождествлялась с веществом, все больше начала походить на материю как «потенцию» в смысле Аристотеля, которая нуждается в форме, чтобы стать вещественной реальностью. Понятия «химического элемента» и «элементарной частицы» свидетельствуют о том, что и то, и другое когда-то предполагалось простым и бесструктурным. Затем ученые перестали употреблять для каждого нового уровня одно и то же слово элемент-неделимый и для следующего уровня взяли ничего конкретно не значащее слово из художественного произведения «кварк». Может так точнее и ближе к истине. Все кажется элементарным, пока не обнаружишь его составные части. Будет ли конец возможности расщепления определит только прогресс научного знания. Теоретически предсказанные кварки, главной особенностью которых является дробный заряд, были затем экспериментально найдены. По сообщениям американских ученых в 1994 году обнаружен последний из шести разновидностей, самый тяжелый кварк.

    Известны четыре основных физических взаимодействия, которые определяют структуру нашего мира: сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные. I. Сильные взаимодействия имеют место между адронами (от греч. «адрос» – сильный), к которым относятся барионы (греч. «барис» – тяжелый) – это нуклоны (протоны и нейтроны) и гипероны, и мезоны. Сильные взаимодействия возможны только на больших расстояниях. Одно из проявлений сильных взаимодействий – ядерные силы. Сильные взаимодействия открыты Э. Резерфордом в 1911 году одновременно с открытием атомного ядра (этими силами объясняется рассеяние α-частиц, проходящих через вещество). Согласно гипотезе Юкавы (1935 г.) сильные взаимодействия состоят в испускании промежуточной частицы – переносчика ядерных сил. Это пи-мезон, обнаруженный в 1947 году, с массой в 6 раз меньше массы нуклона, и найденные позже другие мезоны. Нуклоны окружены «облаками» мезонов. Нуклоны могут приходить в возбужденные состояния – барионные резонансы – и обмениваться при этом иными частицами. При столкновении барионов их облака перекрываются и «возбуждаются», испуская частицы в направлении разлетающихся облаков. Из центральной области столкновения могут испускаться в различных направлениях более медленные вторичные частицы. Ядерные силы не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях величина заряда сохраняется.

II. Электромагнитное взаимодействие в 100-1000 раз слабее сильного взаимодействия. При нем происходит испускание и поглощение «частиц света» – фотонов.

III. Слабые взаимодействия слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. Радиус действия на два порядка меньше радиуса сильного взаимодействия. За счет слабого взаимодействия светит Солнце (протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино). Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью – оно проходит через железную плиту толщиной миллиард км. При слабых взаимодействиях меняется заряд частиц. Слабое взаимодействие представляет собой не контактное взаимодействие, а осуществляется путем обмена промежуточными тяжелыми частицами – бозонами, аналогичными фотону. Бозон виртуален и нестабилен.

IV. Гравитационное взаимодействие во много раз слабее электромагнитного. Спустя 100 лет после того, как Ньютон открыл закон тяготения, Кулон обнаружил такую же зависимость электрической силы от расстояния. Но закон Ньютона и закон Кулона существенно различаются в следующих двух отношениях. Гравитационное притяжение существует всегда, в то время как электрические силы существуют только в том случае, если тела обладают электрическими зарядами. В законе тяготения имеется только притяжение, а электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать. Одна из главных задач современной физики – создать общую теорию поля и физических взаимоотношений. Но действительное развитие науки далеко не всегда совпадает с планируемым. Новый диалог с природой возникает и в результате изучения механизмов эволюции неживых систем в новой науке – синергетике.

Тема 11. Мегамир, его состав, строение и эволюция

    Форма сосуществования материальных объектов и процессов, происходящих с ними, характеризует структурность и протяженность материальных систем. Определяет протяженность материальных тел, границы, занимаемые их объемом, относительность их положения. Пространство – это то, что вмешает материальный мир. Вне пространства нет материи. Существует материя – значит она располагается в пространстве и определяет свойства пространства. Понятие «начала» и «конца» определяется только тем, что человек смертен. Для него разумное состояние вещей как раз соразмерно этому понятию. Вот почему во всем многообразии взаимодействий объектов материального мира ему очень важно обозначить систему понятийных координат, которые и определяют его желание во всем видеть начало и кожи. В действительности, как отметил шотландский ученый Дж. Геттон (1726–1797), «в экономии природы мы не видим ни следов начала, ни признаков конца». Эти же понятия о «начале» и «конце» пространства и времени неприемлемы для нас в силу вечности и бесконечности движения материального мира. Поэтому стремление человека соизмерить все со своим представлением не столько относительно, сколько антропоцентрично. Джордано Бруно восклицал: «Пусть эта поверхность будет какой угодно; но я спрашиваю: что находится за ней?» И эта беспомощность в понятии бесконечности пространства поражает разум любого человека.  Бесконечно пространство или нет; является ли оно просто соотношением между материальными телами или существует независимо от них само по себе; является ли пространство вместилищем материи, которое можно наблюдать и в отсутствие материальных тел; нейтрально оно или управляет телами, находящимися в нем – вот те вопросы (да и многие другие), которые возникают относительно сущности, которую мы называем пространством. Три модели Вселенной русского математика А.А. Фридмана (1888–1925) и поныне составляют основу для космологических построений. Каждая из этих моделей возникает из начальной сингулярности; одна из них «открытая», другая «плоская», а третья «замкнутая». Открытая модель представляет собой беспредельное расширение Вселенной с неограниченными значениями пространственно-временных координат. В замкнутой модели вселенная расширяется до некоторых конечных размеров, после чего вновь коллапсирует в сингулярность. Промежуточной между этими двумя моделями является плоская модель, где Вселенная также расширяется, но скорость этого расширения постепенно снижается и достигает нуля в бесконечном будущем. В любой попытке найти закономерности строения Вселенной появляется проблема измерения расстояний, причем чем большее расстояние мы хотим измерить, тем большая может быть допущена ошибка при его измерении.  Взаимодействия объектов материального мира не могут происходить вне пространства. Таким образом, пространство – это мера существования объектов материального мира, вне которых не существует и самого пространства. Это объем, ограниченный взаимодействием физических тел, полей. Наконец, пространство – это полевая форма существования материи. Структура пространства есть структура взаимодействия объектов материального мира в том объеме, границы которого определяются рамками взаимодействия объектов материального мира. Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового  излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной. Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов,  которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими. Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный».  Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой  сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается  в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.

       Существуют две основные концепции происхождения небесных тел. Первая основывается на небулярной модели образования Солнечной системы, выдвинутой  еще французским физиком и математиком Пьером Лапласом и развитой немецким философом Иммануилом Кантом. В соответствии с нею звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия первоначальной туманности. Принятие модели Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной существенным образом повлияло и на модели образования небесных тел и привело к гипотезе Виктора Амбарцумяна о возникновении галактик, звезд и планетных систем из сверхплотного (состоящего из самых тяжелых элементарных частиц – гиперонов) дозвездного вещества, находящегося в ядрах галактик, путем его фрагментации. Интерпретация небесных тел определяется тем, какую из двух гипотез считают истинной. Открытие В. Амбарцумяном звездных ассоциаций, состоящих из очень молодых звезд, стремящихся убежать друг от друга, было понято им как подтверждение гипотезы образования звезд из первоначального сверхплотного вещества. Какая из двух концепций ближе к истине, решит последующее развитие естествознания.

Тема 12. Проблема «начала» и «конца» Вселенной

    Современная космология рассматривает в качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, сценарий включающий инфляционную стадию. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что расширение вселенной и весь последующий ход ее эволюции рассматривается из состояния, когда вся материя была представлена только физическим вакуумом. Однако в физической теории «вакуум» уже давно перестал быть «пустотой», «ничем». Вакуум – это «нечто», хотя и по имени «ничто». Инфляционная теория предполагает процесс вздутия Вселенной. Эволюция Вселенной предстает в контексте инфляционной теории как синергетический самоорганизующийся процесс.  

    Из принятия теории  относительности вытекало  в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения». Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения:  в  видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее   эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний,  воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно   увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т.е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т.е. о расширении Метагалактики – видимой части Вселенной. Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов  лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

    Взгляд на материю как на бесчисленное множество атомов, без каких-либо заметных изменений, сохранялся в различных школах философского материализма вплоть почти до начала ХХ века. Отождествление материи с веществом (и с неделимыми атомами в его основе) был характерен и для французских материалистов XVIII века, и для Л. Фейербаха. Интересно, что и Ф. Энгельс, основываясь на позициях атомистического материализма, вместе с тем в ответе на вопрос: существует ли материя как таковая, писал, что реально существует материя лишь в виде конкретных форм, объектов и не существует материи как бесструктурной первоматерии, не изменяемой формы всех форм. В конце 19 и начале 20 века в естествознании, особенно в физике был сделан ряд выдающихся открытий, которые опровергали сложившиеся прежде представления о материи и ее свойствах. Были открыты рентгеновские лучи, радиоактивное излучение урана (А. Беккерель, П. Кюри, М. Складовская-Кюри), электрон (Д. Томсон). М. Планком была создана  теория квантов, энергии микрообъектов, А. Эйнштейн вскрыл количественную связь между массой тел и энергией связи их атомов. Все это привело к коренному пересмотру прежних устоявшихся представлений о строении материи. Рухнуло основное положение атомистического материализма о неделимости, неизменности и о неуничтожимости атома, что послужило поводом для опровержения материализма в свете новейших выводов естествознания. Так, например, известный французский физик Анри Пуанкаре писал, что «великий революционер радий» подорвал принцип сохранения энергии, а электронная теория свела на нет принцип сохранения массы. В результате он приходит к выводу, что все старые принципы физики разгромлены, поэтому ее положения не соответствуют действительности, а являются лишь продуктами человеческого сознания. Одним из атрибутов материи является ее несотворимость и неуничтожимость, что проявляется в совокупности многих естественнонаучных законов сохранения материи в процессе ее изменения. Процесс изменения форм и состоянии материальной субстанции практически не ограничен. Так, физика открыла всеобщую превращаемость элементарных частиц, а также видов движения материи. Например, механическое движение вследствие трения приводит к накоплению внутренней энергии тела, к усилению теплового движения его молекул. Это движение, в свою очередь, может превратиться в электромагнитное и химическое. В микромире частицы вещества превращаются в излучение и, наоборот, полевые процессы могут привести к возникновению вещества. Однако в процессе всех этих взаимных превращений материя сохраняется как субстанция – основа всех изменений. Закон сохранения и превращения материи гласит: какие бы процессы превращения ни происходили в мире, общий субстанциальный баланс материи остается неизменным.[2] Вещество может превратиться в другое вещество, поле – в другое поле, вещество – в поле, поле – в вещество, но никогда эта цепочка взаимных превращений не может оборваться в ничто. Материя не может произойти из ничего и не может в это ничто превратиться.    Тезис о том, что в связи с новыми открытиями физики материя исчезла, был правомерно оспорен В.И. Лениным, защищавшим философский материализм. Характеризуя подлинный смысл выражения «материя исчезла», В.И. Ленин показывает, что исчезает не материя, а тот предел, до которого мы знали материю, что то исчезновение материи, о котором говорят некоторые ученые и философы, не имеет отношения к философскому представлению о материи, ибо нельзя смешивать философское понятие (термин) материя с естественнонаучными представлениями о материальном мире. С развитием естествознания происходит смена одного научного представления о мире (материи) другим, более глубоким и основательным. Однако такая смена конкретных научных представлений не может опровергнуть смысл и значение философского понятия (категории) «материя», которая служит для обозначения объективной реальности, данной человеку в его ощущениях и существующей независимо от них.   Рассматривая материю, как философскую категорию, обозначавшую объективную реальность, В.И. Ленин тем самым продолжает материалистическую линию в философии. В его определении нет подведения категории «материя» под более широкое понятие, ибо такого понятия просто не существует. В этом смысле понятия «материя» и «объективная реальность» – синонимы. Материя противопоставляется сознанию, при этом подчеркивается объективность, как независимость ее существования от сознания. Именно это свойство: существовать до, вне и независимо от сознания определяет смысл и значение философско-материалистического представления о материи. Философская трактовка материи обладает признаком всеобщности и обозначает всю объективную реальность. При таком понимании материи нет и не может быть ссылок на физические свойства материи, знание о которых относительно.   В 20 веке открыто огромное количество элементарных частиц и выявлены закономерности их взаимодействия. Их можно разделить на несколько групп: андроны, лептоны, фотоны. Понятие «элементарной частицы» свидетельствует о том, что она предполагалась простой и бесструктурной. Затем ученые перестали употреблять для каждого нового уровня одно и то же слово элемент-неделимый и для следующего уровня взяли ничего конкретно не значащее слово «кварк». Будет ли конец возможности расщепления определит только прогресс научного познания.   

Тема 13. Взаимообусловленность мега- и микромиров

    Будучи единым целым, природа не представляет собой какой-то замкнутой автономной системы. Она находится в тесном единстве и взаимодействии с окружающей ее неживой природой. Тела животных и растений состоят из тех же химических элементов, в них действуют те же химические и физические законы, которые присущи неживой природе. Неживая природа не только породила живое на определенной ступени своего развития, но и является необходимым условием его существования и развития. Существование жизни обеспечивается взаимодействием каждой особи с окружающей ее абиотической и биотической средами, а также взаимоотношениями всего органического мира как целого с неживой природой. Первое исторически обусловило строение индивидуумов, их приспособленность к определенным условиям. Второе осуществляется посредством определенной организации видов и образованием сообществ различных форм животных, растений и микроорганизмов. Материя структурирована не только движением, пространством, временем, но и размерностью, уровнем организации, нo если движение, пространство и время в материальном мире являются непременным атрибутом сосуществования, то уровень организации материи есть классификационный принцип, удобный для расчленения (дробления) признаков существования материального мира с целью его дискретного познания путем поел ело па тельного приближения от частного к общему или наоборот. Иерархические уровни организации вещества в естественнонаучных дисциплинах разные и разделяются по разным признакам (группам, классам, семействам, родам, видам – в органическом мире; комплексам, формациям, породам, минеральным видам – в неорганическом мире и т.д.). Причем границы этого разделения весьма условны и вызываются необходимостью получения информации о структурированной единице, определяющей какие-то признаки целого, которое, в свою очередь, может быть изучено на основании свойств единичного. Однако два иерархических уровня организации материи – микро- и макромир (микрокосм и макрокосм) издавна разграничиваются естественными науками, поскольку в них действия материальных и полевых форм движения проявляются несколько по-иному. Возникают новые взаимодействия. Но и это деление материального мира является условным. Ибо макромир состоит из структурированного вещества микромира. Уже в древности существовала идея о микро- и макрокосме. Микрокосм – это человек, макрокосм – вся Природа. Это как бы живые существа, созданные по единому образцу и наделенные единой душой... Принято структурные формы организации материи подразделять на микромир, мезомир, макромир и мегамир. Микромир: мир атомов, элементарных частиц. Мир бактерий и вирусов. Это вселенная невидимого невооруженным глазом мира.    Важная особенность явлений микромира заключается в том, что электрон  ведет себя подобно частице, когда движется во внешнем электрическом или магнитном поле, и подобно волне, когда дифрагирует, проходя сквозь кристалл.  Поведение потока частиц – электронов, атомов, молекул – при встрече с препятствиями или отверстиями атомных размеров подчиняется волновым законам: наблюдаются явления дифракции, интерференции, отражения, преломления и т.п.  Относящиеся к микромиру космические объекты и существа образуют единую природу и единое поле, связанное законами сохранения (Ньютон, Майер, Джоуль, Фарадей, Пастер) и находятся в гомеостазе (Кеннон). Индивиды и виды передают жизнь потомкам без скачков и разрывов: каждая клетка из клетки. В мегамире процессы эволюции на основе теории Дарвина необратимы, как и микропроцессы, как и эволюция космических систем. Но круговые процессы в галактиках порождают другие круговые процессы, так что в любой части Вселенной, содержащей большое число объектов, число очагов жизни сохраняется. В отличии от неживых систем, у живых существ целенаправленная передача по наследству может быть неосознанной (передача генетического кода) и осознанной (накопление и передача знаний). Большое значение может иметь синергетика, которая исследует совместное действие многих элементов системы и выделяет принципы, которые управляют самоорганизацией, а потому кооперирует действие многих научных дисциплин.

Тема 14. Проблема сущности жизни

  Что такое живое и чем оно отличается от неживого? Есть несколько фундаментальных отличий в вещественном, структурном и функциональном  планах. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядочные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, – белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно  воспроизводство самих себя. Устойчивость и воспроизведение есть и в неживых системах. Но в живых телах имеет место процесс самовоспроизведения. Не что-то воспроизводит их, а они сами. Это принципиально новый момент. Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т.д. Неотъемлемым свойством живого является деятельность, активность. «Все живые существа должны или действовать, или погибнуть. Мышь должна находиться в постоянном движении, птица летать, рыба плавать и даже растение должно расти».[3] Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются как бы переходные формы от нежизни к жизни. 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 организма-хозяина и используя его ферментные системы. В зависимости от того, какой признак мы считаем самым важным, мы относим вирусы к живым системам или нет. Структурный, или системный, анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы живого мира. Наиболее распространенным является выделение на основе критерия масштабности следующих уровней организации живого. Биосферный включающий всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой. На этом уровне биологической наукой решается такая, в частности, проблема, как изменение концентрации углекислою газа в атмосфере. Используя этот подход, ученые выяснили, что в последнее время концентрация углекислого газа возрастает ежегодно на 0,4%, создавая опасность глобального повышения температуры, возникновения так называемого «парникового эффекта». Уровень биогеоценозов выражает следующую ступень структуры живого, состоящую из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс, экосистему. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функционирования биогеоценозов, или экосистем. Популяционно-видовой уровень образуется свободно-скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяций. А затем на этой основе можно будет поддерживать оптимальную численность популяции. Этот уровень также чрезвычайно важен для исследования путей исторического развития живого, его эволюции. Организменный и органно-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ. Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения. Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии. Разделение живой материи на уровни является, конечно, весьма условным. Решение конкретных биологических проблем, таких, как регуляция численности вида, опирается на данные о всех уровнях живом. Но все биологи согласны в том, что в мире живого существуют ступенчатые уровни, своем рода иерархии. Представление о них наглядно отражает системный подход в изучении природы, который помогает глубже понять ее. Фундаментальной же основой, так сказать первокирпичиком живого мира, является клетка. Ее исследование помогает уяснить специфику всего живого.

    Хиральность (киралыюсть) (от греч. cheir – рука), свойство объекта (молекулы, кристалла) не совмещаться со своим отображением в идеальном плоском зеркале. Противоположное свойство – ахиральность, когда отображение совместимо с исходной фигурой. Математическим условием хиральности является отсутствие зеркально-поворотных осей симметрии S_n. Наряду с конфигурацией и конфорнацией хиральность – основное понятие стереохимии. Хиральность – необходимое условие оптической активности. 

    Определение предмета биологии на первый взгляд кажется довольно простым. Биология – это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Современная биологическая наука – результат длительного процесса развития. Интерес к познанию живого у человека возник очень давно, он был связан с его важнейшими потребностями – в пище, лекарствах, одежде, жилье и т.д. Но только в первых древних цивилизованных обществах люди стали изучать живые организмы более тщательно, составлять перечни животных и растений, населяющих разные регионы, классифицировать их. Одним из первых биологов древности был Аристотель. В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Структуру его можно рассматривать с разных точек зрения. По объектам исследования биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию. По свойствам, проявлениям живого в биологии выделяются: морфология – наука о строении живых организмов; физиология – наука о функционировании организмов; молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток; экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой; генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости. По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются: анатомия, изучающая макроскопическое строение животных: гистология, изучающая строение тканей; цитология исследующая строение живых клеток. Эта многоплановость комплекса биологических наук обусловлена чрезвычайным многообразием живого мира. К настоящему времени биологами обнаружено и описано более 1 млн. видов животных, около полумиллиона растений, несколько сот тысяч видов грибов, более 3 тыс. видов бактерий. Причем мир живой природы исследован далеко не полностью. Число неописанных видов оценивается по меньшей мере в 1 млн. Важнейшим инструментом дальнейшего познания этого мира служит категория «живого», являющаяся ключевой, исходной для всей системы биологических наук. В развитии биологии выделяют три основных этапа: 1) систематики (К. Линней), 2) эволюционный (Ч. Дарвин), 3) биологии микромира (Г. Мендель). Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления, со сменой биологических парадигм. Благодаря развитию современной биологии микромира, познанию молекулярных структур живого отчетливее стало просматриваться единство природы, органического и неорганического мира, специфика живого.

    Редукционизм – теория, которая объясняет развитие живого сведением сложного к более простому, обозримому, понимаемому, более доступному для анализа. Витализм – течение в биологии, признающее наличие в организме нематериальной силы, управляющей жизненными явлениями.

Тема 15. Проблема происхождения жизни на Земле

    Существует пять концепций возникновения жизни: 1) креационизм – божественное сотворение живого; 2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества (ее придерживался еще Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы); 3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда; 4) концепция панспермии – внеземного происхождения жизни; 5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.                                                

       Первая концепция является религиозной и к науке прямого отношения не имеет. Вторую опроверг изучавший деятельность бактерий французский микробиолог 19 века – Луи Пастер. Третья из-за своей оригинальности и умозрительности всегда имела немного сторонников.                    

       К началу 20 в. в науке господствовали две последние концепции. Концепция панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет «предшественников живого» –органических соединений, которые возможно сыграли роль «семян».                          

       У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два варианта. Согласно одному, происхождение жизни – результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Французский биолог Ж. Моно пишет, что жизнь не следует из законов физики, но совместима с ними. Жизнь – событие, исключительность которого необходимо сознавать. Согласно другой точке зрения, происхождение жизни – результат закономерной эволюции материи.                                                  

       Существуют разные точки зрения на проблему жизни на Земле. По мнению В.И. Вернадского жизнь появилась одновременно с образованием Земли. А.И. Опарин считал, что периоду развития жизни предшествовал длительный период химической эволюции Земли, во время которого (3-5 млрд. лет тому назад) образовались сложные органические вещества и протоклетки. Возникновение последних положило начало биохимической эволюции.                         

       Начало жизни на Земле – появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Переход от сложных органических веществ к простым живым организмам пока неясен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе 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.    

       Так или иначе, следующим шагом в организации живого должно было быть образование мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и получается клетка –  «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные биомолекулы и удалить отходы. Огромное значение для биологических процессов в клетке имеют ферменты. Они обладают часто высокой специализированностью и могут влиять только на одну реакцию. Принцип их действия в том, что молекулы других веществ стремятся присоединиться к активным участкам молекулы фермента. Тем самым повышается вероятность их столкновения, а, следовательно, скорость химической реакции.                                                

     В раскрытии тайны жизни участвую такие науки как генетика, физика, биология, геология и другие.[4]

Тема 16. Основные этапы и закономерности эволюции жизни на Земле

    Известны три способа синтеза природных органических веществ. Содержащие углерод и азот вещества могли возникать в расплавленных глубинах Земли и выноситься на поверхность при вулканической деятельности, попадая далее в океан. А.И. Опарин полагал, что органические вещества могли создаваться и в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом, ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. Разнообразие находящихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь. Наконец, органические соединения могли образоваться во Вселенной из неорганического космического «сырья». Для построения любого сложного органического соединения, входящего в состав живых тел, нужен небольшой набор блоков-мономеров {низкомолекулярных соединений): 29 мономеров (из них 20 аминокислот, 5 азотистых оснований) описывают биохимическое строение любого живого организма. Оно состоит из аминокислот (из которых построены все белки), азотистых соединений (составные части нуклеиновых кислот), глюкозы – источника энергии, жиров – структурного материала, идущего на построение в клетке мембран и запасающего энергию. После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства себе подобных. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например, на глине или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого Солнцем мелководья. 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 Земли воды, пропитывающие земной грунт, непрерывно перемещали растворенные в них вещества из мест их образования в места накопления. Там формировались пробионты –системы органических веществ, способных взаимодействовать с окружающей средой, т.е. расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды разнообразных богатых энергией веществ. Здесь уже возможен примитивный «отбор», ведущий к постепенному усложнению и упорядоченности как обеспечивающих преимущество в выживании. Механизм отбора действовал на самых ранних стадиях зарождения органических веществ – из множества образующихся веществ сохранялись устойчивые к дальнейшему усложнению. Затем образуются микросферы – шаровидные тела, возникающие при растворении и конденсации абиогенно полученных белко-воподобных веществ. В подтверждение возможности абиогенного синтеза были проведены следующие опыты. Воздействуя на смесь газов электрическими зарядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые получали сложные органические вещества, входящие в состав живых белков. Органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ, были искусственно получены при облучении водных растворов углекислоты. Американский ученый С. Миллер в 1953 году синтезировал ряд аминокислот при пропускании электрического заряда через смесь газов, предположительно составлявших первичную земную атмосферу. Были синтезированы и простые нуклеиновые кислоты. Этими экспериментами было доказано, что абиогенное образование органических соединений во Вселенной могло происходить в результате воздействия тепловой энергии, ионизирующего и ультрафиолетового излучений и электрических разрядов. Первичным источником этих форм энергии служат термоядерные процессы, протекающие в недрах Земли. Как показывает синергетика, энергия имела для возникновения жизни не меньшее значение, чем вещество. Разумно предположить, считает И. Пригожий, что некоторые из первых стадий эволюции к жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные условия. Неравновесные структуры – переход к живому, но еще нет воспроизводства. Итак, в образовании органических соединений большую роль играло не только вещество космического пространства, но и энергия звезд. Начало жизни на Земле – появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Переход от сложных органических веществ к простым живым организмам пока неясен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе 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. Самое трудное для этой гипотезы – объяснить способность живых систем к самовоспроизведению, т.е. сам переход от сложных неживых систем к простым живым организмам. Несомненно, в модели происхождения жизни будут включаться новые знания, и они будут все более обоснованными. Но повторимся, что чем более качественно новое отличается от старого, тем труднее объяснить его возникновение. Поэтому здесь и говорят о моделях и гипотезах, а не о теориях. Так или иначе, следующим шагом в организации живого должно было быть образование мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и получается клетка – «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные биомолекулы и удалить отходы. Огромное значение для биологических процессов в клетке имеют ферменты. Они обладают часто высокой специализированностью и могут влиять только на одну реакцию. Принцип их действия в том, что молекулы других веществ стремятся присоединиться к активным участкам молекулы фермента. Тем самым повышается вероятность их столкновения, а, следовательно, скорость химической реакции. На следующем этапе (приблизительно 2 млрд. лет тому назад) в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими. Их 25-30 тыс. видов. Самые простые из них – амебы. Инфузории имеют еще и реснички. Ядро простейших окружено двухмембранной оболочкой с порами и содержит хромосомы и нуклеоли. Ископаемые простейшие – радиолярии и фораминиферы – основные части осадочных горных пород. Многие простейшие обладают сложным двигательным аппаратом.       Примерно 1 млрд. лет тому назад появились первые многоклеточные организмы, и произошел выбор растительного или животного образа жизни. Первый важный результат растительной деятельности – фотосинтез – создание органического вещества из углекислоты и воды при использовании солнечной энергии, улавливаемой хлорофиллом. Продукт фотосинтеза – кислород в атмосфере. Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кислорода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный кислород, который не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли. Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф), а развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных горных пород, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов.   

    К высшим приматам относятся только человекообразные обезьяны. Они являются самыми крупными и самыми умными из обезьян. У них как и у человека – большой и высокоразвитый мозг. На всех пальцах ногти. Во рту 32 зуба. У них также четыре группы крови. Отдельных обезьян (шимпанзе) можно научить говорить жестами глухонемых. Их можно приручить убирать за собой, носить вещи и т.п.[5]

    На основе стадного образа жизни приматов, опыта сотен поколений были выработаны правила социальной жизни, сформировались парная семья как первичная ячейка общества, а также родовая община (минимальная – 25-30 человек, максимальная – 200-500 человек). Семьи строили себе простейшие жилища или размещались в пещерах. Время от времени община кочевала вслед за движением стад животных; плотность населения была весьма невелика – 1 человек на 50- 100 км. Человек разумный по сравнению со своими предшественниками имел не только биологические, но и определенные социальные отличия: речь; довольно развитые по сравнению с предшествующими видами Ноmо потребности и способности; изготовление и использование разнообразных орудий производства; первичную кооперацию и половозрастное разделение труда; семью и родовую общину; первичные знания, первобытное искусство, правила общежития и анимистические верования.