---

[1] Хиральность – зеркальная асимметрия молекул. Молекулы, из которых образовано живое вещество, могут быть только одной ориентации – «левой» или «правой». Например, молекула ДНК имеет вид спирали, и эта спираль всегда правая.

[2] Иерархия – расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему

       Лекция 18. Термодинамика живых систем.

Жизнь как информационный процесс.

1. Термодинамика живых систем I закон (начало) термодинамики Теорема Пригожина 2. Управление и регуляция в живых системах 2.1.Задачи управления и регулирования2.2.Информационные связи внутри организма 2.3.Цели и специфика управления в живых системах Контрольные вопросы Литература

1. Термодинамика живых систем

Состояние живых систем в любой момент времени (динамическое состояние) характерно тем, что элементы системы постоянно разрушаются и строятся заново. Этот процесс носит название биологического обновления. Для обновления элементов в живых системах требуется постоянный приток извне веществ и энергии, а также вывод во внешнюю среду тепла и продуктов распада. Это означает, что живые системы обязательно должны быть открытыми системами. Благодаря этому в них создается и поддерживается химическое и физическое неравновесие. Именно на этом неравновесии основана работоспособность живой системы, направленная на поддержание высокой упорядоченности своей структуры (а. значит, на сохранение жизни) и осуществление различных жизненных функций. Кроме того, живая система, благодаря свойству открытости, достигает стационарности, т.е. постоянства своего неравновесного состояния.

В изолированной системе (такая система не обменивается с внешней средой веществом и энергией), находящейся в неравновесном состоянии происходят необратимые процессы, которые стремятся привести систему в равновесное состояние. Переход живо системы в такое состояние означает для нее смерть.

Таким образом, открытость – одно из важнейших свойств живых систем.

Весьма важным является вопрос о применимости законов термодинамики к живым системам.

 I закон (начало) термодинамики. Первый закон термодинамики гласит: изменение энергии системы равно количеству тепла, полученному системой, плюс работа внешних сил, совершенная над системой

DE = Q + A

Для адиабатически изолированных (Q = 0, то есть обмена теплом с внешней средой не происходит) и замкнутых (А = 0, то есть внешние силы отсутствуют) систем DE = 0. Последнее утверждение является законом сохранения энергии: при всех изменениях, происходящих в адиабатически изолированных и замкнутых системах полная энергия системы остается постоянной.

Если рассматривать термодинамическую систему, состоящую только из живой системы, то закон сохранения энергии неприменим, так как живая система является открытой. Для термодинамической системы, включающей в себя живую систему и среду, с которой система обменивается энергией и веществом, закон сохранения энергии выполняется. Действительно, как показали опыты, общее количество энергии, которое получает организм за некоторый промежуток времени, вновь обнаруживается впоследствии в виде:

а) выделяемого тепла;
б) в совершаемой внешней работе или выделяемых веществах;
в) в виде теплоты сгорания веществ, синтезированных за этот промежуток времени за счет энергии, поступившей извне.

II закон (начало) термодинамики.  Второй закон термодинамики утверждает, что в изолированной термодинамической системе энтропия никогда не может уменьшаться. Она равна нулю при обратимых процессах и может только увеличиваться при необратимых процессах, то есть DS ³ 0. Переход системы из неравновесного состояния в равновесное необратим, поэтому также DS ³ 0.

Здесь есть также определенная связь с упорядоченностью системы, а также с информацией (большая упорядоченность соответствует большему количеству информации). Можно говорить при этом о единстве природы информации и энтропии.  Действительно, увеличение энтропии соответствует переходу системы из более упорядоченного в менее упорядоченное состояние. Такой переход сопровождается уменьшением информации, содержащейся в структуре системы. Беспорядок, неопределенность можно трактовать как недостаток информации. В свою очередь возрастание количества информации уменьшает неопределенность.

Вспомним физический смысл энтропии. Все процессы, самопроизвольно протекающие в природе, необратимы и способствуют переходу системы в равновесное состояние, которое всегда характеризуется тем, что:

а) в процессе этого перехода всегда безвозвратно выделяется некоторая энергия и для совершения полезной работы она использована быть не может;
б) равновесном состоянии элементы системы характеризуются наименьшей упорядоченностью.

Отсюда следует, что энтропия является как мерой рассеяния энергии, так и, что сейчас для нас главное, мерой неупорядоченности системы.

Применение второго закона термодинамики к живым системам без учета того, что это открытые системы, приводит к противоречию. Действительно, энтропия должна всегда возрастать, то есть должна расти неупорядоченность живой системы. В то же время мы хорошо знаем, что все живые системы постоянно создают из беспорядка упорядоченность. В них создается и поддерживается физическое и химическое неравновесие, на котором основана работоспособность  живых систем. В процессе развития каждого организма (ортогенеза), так же как и в процессе эволюционного развития (филогенеза) все время образуются новые структуры, и достигается состояние с более высокой упорядоченностью. А это означает, что энтропия (неупорядоченность) живой системы не должна возрастать. Таким образом, второй закон термодинамики, справедливый для изолированных систем, для живых систем, являющихся открытыми, неприменим.

Для открытых термодинамических систем изменение энтропии состоит из суммы DS = DS_i + DS_е
где DS_i – изменение энтропии в ходе процессов, происходящих в самой живой системе, DS_e – изменение энтропии при обмене веществом и энергией с окружающей средой.

Согласно второму закону термодинамики величина DS_i может быть только положительной или в предельном случае (обратимые процессы) равна нулю. Величина dS_e может быть положительной (DS_e > 0, система получает энтропию) и отрицательной (DS_e < 0, система отдает энтропию). При этом суммарное изменение энтропии может быть и отрицательным. При DS_e < 0 и | DS_e| > | DS_i | :

DS = DS_i + DS_e < 0,

что означает увеличение упорядоченности в случае, когда систему покидает больше энтропии, чем возникает внутри ее в ходе необратимых процессов.

Рассмотрим производную энтропии по времени , которую называют скоростью изменения или производством энтропии. Из выражения для DS следует, что производство энтропии открытой системы:

Для стационарного состояния, когда неравновесность во времени не изменяется, производство энтропии должно быть равно нулю (производная от постоянной величины):

Это означает, что

т.е. энтропия, возникающая в ходе процессов, происходящих внутри системы (dS_i), должна полностью переходить во внешнюю среду.

Теорема Пригожина. Согласно теореме Пригожина, если открытую термодинамическую систему при неизменных во времени условиях предоставить самой себе, то прирост энтропии  будет уменьшаться до тех пор, пока система не достигнет стационарного состояния динамического равновесия; в этом состоянии прирост энтропии будет  минимальным, то есть. 

Таким образом, мы можем сказать, что для открытой системы в стационарном состоянии производство энтропии  минимально.

Для живых систем это означает следующее:

В течение времени жизни живой системы ее элементы постоянно подвергаются распаду. Энтропия этих процессов положительна (возникает неупорядоченность).

Для компенсации распада (компенсации неупорядоченности) должна совершаться внутренняя работа в форме процессов синтеза элементов взамен распавшихся. А это означает, что эта внутренняя работа является процессом  с отрицательной энтропией (такие процессы называют негэнтропийными, а отрицательную энтропию – негэнтропией).

Негэйнтропийный процесс противодействует увеличению энтропии системы, которое связано с процессом распада и создает упорядоченность.

Источником энергии для совершения негэнтропийной внутренней работы являются:

Для организмов - гетеротрофов (питающихся только органической пищей) – энергия в виде химических связей и низкая энтропия поглощаемых высокоструктурированных органических веществ. В этом случае поглощаемые пищевые вещества обладают больше упорядоченностью (меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы гетеротрофы переносят упорядоченность (негэнтропию) из питательных веществ в самих себя.

Для организмов - автотрофов (самостоятельно синтезирующих для себя питательные вещества из неорганических соединений с участием солнечного излучения) – энергия солнечного света, представляющего электромагнитное излучение с низкой энтропией.

Таким образом, обмен веществ с точки зрения термодинамики необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе.

Если рассматривать систему «живой организм плюс среда», из которой берутся питательные вещества и в которую отдаются продукты обмена, то второй закон термодинамики справедлив: энтропия этой системы возрастает и никогда не уменьшается. Это означает, что живая система создает внутри себя упорядоченность за счет того, что она уменьшает упорядоченность в окружающей среде.

Итак, живая система является открытой системой, и ее энтропия не возрастает, как это имеет место в изолированной системе. Это означает, что живая система постоянно совершает работу, направленную на поддержание своей упорядоченности, и находится в неравновесном стационарном состоянии. Производство энтропии при этом (как следует из теоремы Пригожина) минимально.

Таким образом, с позиций термодинамики можно утверждать, что живым системам присущи процессы, уменьшающие энтропию систем и, следовательно, поддерживающие их организованность.

Следующий вопрос заключается в том, как реализуются процессы самоуправления и самоорганизации живых систем. Вопрос этот прежде всего связан с рассмотрением жизни как информационного процесса. Недаром кибернетика определена ее создателем Н. Винером как «наука об управлении и передачи информации в живых организмах и машинах».

Прежде всего, рассмотрим две важнейшие функции организованных и управляющих систем – управление и регулирование.

2.Управление и регулирование в живых системах
2.1 Задачи управления и регулирования

Управление и регулирование – близкие понятия, однако, между ними есть определенная разница. Управление – функция организованных систем, обеспечивающая выполнение следующих задач:

· сохранение определенной структуры системы;
· поддержание режима деятельности системы;
· реализацию цели деятельности системы по определенному правилу (алгоритму).

Эти задачи решаются с помощью регулирования.

Регулирование – функция управляющих систем, обеспечивающая выполнение таких задач, как:

· поддержание постоянства регулируемой величины на некотором определенном уровне;
· изменение регулируемой величины по заданному закону (программное регулирование);
· изменение регулируемой величины в соответствии с ходом некоторого внешнего процесса (следящее регулирование).

Гомеостазис. В целом регулирование направлено на поддержание гомеостазиса – относительно динамического постоянства характеристик внутренней среды организма.

Гомеостазис обусловлен способностью живых систем вырабатывать реакции в ответ на изменение параметров внешней среды, которые исключают или сводят к минимуму последствия этих изменений (ср. с рассмотренным ранее принципом Ле-Шателье).

Задачи управления в живой системе, таким образом, состоят в том, чтобы как можно эффективнее отвечать на изменения, происходящие во внешней и внутренней ее среде, то есть нейтрализовать возмущающие воздействия на систему. Живая система решает задачу управления путем своевременной перестройки своей структуры в соответствии с изменившимися условиями. Иными словами, процесс управления является процессом упорядочения системы в соответствии с изменениями во внешней и внутренней среде с целью противодействия факторам дезорганизации. Этот процесс осуществляется с помощью элементов, входящих в состав самой системы.

В живых системах управляющие факторы воздействуют на систему не извне, а возникают в ней самой. Поэтому управление в живых системах является самоуправлением, процессы регулирования – процессами саморегулирования, а сами живые системы являются самоорганизующимися системами. Здесь уместно дать еще одно определение самоорганизации.

Самоорганизация – процесс, в ходе которого создается, поддерживается или совершенствуется организация сложной системы. Свойства самоорганизации присущи всем живым системам: клеткам, организмам, популяциям, биогеоценозам. Процессы самоорганизации происходят за счет перестройки существующих и образования новых связей между элементами системы. В самоорганизующихся системах приспособление к изменяющимся условиям или улучшение процесса управления достигается изменением структуры системы управления: включением или отключением элементов системы, изменением связей между элементами и их подчиненностью, изменением алгоритмов управления.

Уровни управления. В организме существует несколько уровней управления.

Внутриклеточный механизм регуляции осуществляет биохимическую регуляцию в соответствии с генетической информацией, которая содержится на молекулярном уровне.

Механизм тканевой регуляции– более высокий уровень регуляции, чем клеточный. Ткани взаимодействуют в рамках организма путем обмена определенными химическими веществами. Регулирует это взаимодействие еще один, более высокий уровень – железы внутренней секреции. Они вырабатывают гормоны, циркулирующие в крови, которые управляют организмом как целым.

Высший уровень регуляции – центральная нервная система, которая присутствует у всех много клеточных организмов. Она воздействует на все другие уровни регуляции.

Управление организмом имеет многоуровневый «иерархический» характер. На каждом уровне управление направлено на решение задач, присущих этому уровню. Чем выше уровень, тем более общие для системы задачи на нем решаются. Главная же цель, общая для живой системы в целом ставится и решается на высшем уровне управления. Цели и задачи нижележащих уровней носят вспомогательную роль по отношению к общей цели.

Основой для процессов управления и регуляции является обмен информацией благодаря наличию информационных связей. Рассмотрим подробнее информационные связи внутри организма.

2.2 Информационные связи внутри организма

Гормональная связь. Гормон, то есть химический сигнал, по кровотоку посылает во все части организма, но только в определенные органы, способные принять данный сигнал, реагируют на него как приемники.

Нервные связи (только у многоклеточных организмов). Информационным параметром нервных связей служит частота следования импульсов. Частота импульсов увеличивается при росте интенсивности стимула.

Генетическая связь. Источником сообщения в этом случае является молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Функционирование этой связи будет рассмотрено позже.

Таким образом, процесс управления в информационном смысле носит антиэнтропийный характер: получая информацию об окружающей среде, живая система уменьшает информационную энтропию внутри себя, использует получаемую информацию для поддержания своей организованности.

2.3 Цели и специфика управления в живых системах

Цели управления в живых системах чрезвычайно разнообразны. В любой системе цель управления в общем виде заключается в достижении системой множества полезных для нее свойств при разнообразных внешних воздействиях. Здесь мы рассматриваем живые, биологические системы. Биологической системой, которой присущи все свойства живого и все задачи управления, является организм, в том числе одноклеточный. Клетка, хотя и самоуправляемая, не является автономной системой, так как регуляция в клетке подчинена организму.

Обратные связи. Важной стороной управления в живых системах является наличие обратных связей. Принцип обратных связей является одним из основных принципов самоуправления, саморегуляции и самоорганизации. Без наличия обратных связей процесс самоуправления невозможен. С помощью обратных связей сами отклонения объекта от заданного состояния формируют управляющие воздействия, которые приводят состояние объекта в заданное. Иными словами, обратная связь – это обратное воздействие результатов процесса на его протекание (см. рис. 1). Обратная связь может быть положительной и отрицательной.

Положительная обратная связь – такая обратная связь, когда результаты процесса усиливают его. Если же результаты процесса ослабляют его действие, говорят об отрицательной обратной связи.

Действие обратных связей можно рассмотреть на примере роста численности популяции некоторых видов, к примеру, мелких рыбёшек, в зависимости от наличия пищи (планктона) и наличия рыб-хищников. Чем больше пищи, тем большее число потомков рыбёшек может прокормиться и затем дать новое потомство. При неограниченном количестве пищи и отсутствии хищников и болезней у рыбешек их численность могла бы неограниченно возрастать. Здесь имеет место положительная обратная связь (см. рис. 2), выражающаяся в том, что процесс роста популяции рыбешек ведет к еще большему (в геометрической прогрессии) её росту. В случае наличия рыб-хищников возникает еще одна обратная связь: численность хищников будет влиять на количество корма для них (на количество мелких рыбешек). Эта обратная связь будет отрицательной. В результате действия обратных связей численность в популяциях является волнообразной (так называемые «волны жизни») и колебания численности будут происходить вокруг некоторого среднего уровня.

Роль положительных и отрицательных обратных связей различна. Отрицательные обратные связи обеспечивают стабильность функций живых систем, их устойчивость к внешним воздействиям. Они являются основным механизмом энергетического и метаболического баланса в живых системах, контроля численности популяций, саморегуляции эволюционного процесса.

Положительные обратные связи играют позитивную роль усилителей процессов жизнедеятельности. Особую роль они играют для роста и развития.

Таким образом, общие характеристики обратных связей могут быть сформулированы следующим образом:

 Отрицательные обратные связи способствуют восстановлению исходного состояния. Положительные – уводят организм  все дальше от исходного состояния.

Самоорганизация на всех уровнях начинается на основе механизмов положительной обратной связи, на которые затем накладываются ограничения отрицательных обратных связей.

Иерархия целей управления в живых системах. Рассмотрим  наиболее общую цель всех живых систем – сохранение и продолжение жизни. Здесь цель достигается в следующем порядке:

Цель I порядка – обеспечить существование систем (достигается поддержанием стационарного неравновесного состояния, при котором = min.) Нарушение этого состояния означает смерть.

Цель II порядка – обеспечить высокое качество существования системы → поддержание гомеостазиса. Гомеостазис – необходимое условие высокого качества функционирования системы;

Цель III порядка – достижение максимально высоких показателей существования системы (максимальная энергетическая эффективность и надежность).

По мере ухудшения внешних условий система отказывается от иерархически менее важных целей («не до жиру – быть бы живу!»).

Контрольные вопросы

1. В чем заключается особенность применения II начала термодинамики к живым системам?
2. Что означает переход живой системы в равновесное состояние?
3. В чем суть теоремы Пригожина для открытых термодинамических систем при неизменных условиях?
4. Что извлекает организм из окружающей среды  для того, чтобы энтропия системы не возрастала?
5. В чем состоит задача управления в живой системе?

6. Каким путем живая система решает задачу управления?
7. Какие функции организованных систем обеспечивает управление?
8. Какие функции организованных систем обеспечивает регулирование?
9. Дайте определение гомеостаза.
10. Что такое обратная связь? Поясните понятие положительной и отрицательной обратной связи.
11. Объясните иерархию целей управления в живых системах.

Литература

1.      Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. - М.: Агар, 1996.
2. Тулинов В.Д., Недельский Н.Ф., Олейников Б.И. Концепции современного естествознания, М.:  МУПК, 1995
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск: ЮКЭА, 1997

        Лекция 19. Концепция эволюции в биологии

1. Эволюционная теория Дарвина – Уоллеса 2. Современная (синтетическая) теория эволюции Основные законы эволюции Основные факторы эволюции Формы естественного отбора Контрольные вопросыЛитература

Под эволюцией подразумевается процесс длительных, постепенных, медленных изменений, которые в конечном итоге приводят к изменениям коренным, качественным, завершающимся образованием новых систем, структур и видов. Представления об эволюции в естествознании имеют ключевое значение. В начале нашего курса было рассмотрено понятие парадигмы – особого способа организации научного знания, задающего характер вùдения мира, системы предварительных условий, ориентиров и предпосылок в процессе построения и обоснования различных теорий, т.е. системы, которая определяет в целом тенденции развития научных исследований. [1] Парадигма современного естествознания – это эволюционно-синергетическая парадигма, в основе которой лежат представления о самоорганизации и эволюции материи на всех ее структурных уровнях. Ранее уже говорилось об эволюции Вселенной, звезд, планетных систем, геологической и химической эволюции. Однако впервые эволюционная концепция четко и обоснованно была сформулирована в биологии.

1. Эволюционная теория Дарвина – Уоллеса

Представления об эволюции живого высказывались практически на протяжении всего периода развития естествознания (Эмпедокл, Аристотель, Ламарк). Тем не менее, основоположником эволюционной теории в биологии считается Ч. Дарвин. В каком-то смысле толчком к развитию теории эволюции можно считать книгу Т. Мальтуса «Трактат о народонаселении» (1778), в котором он показал, к чему бы привел рост народонаселения, если бы он ничем не сдерживался. Дарвин применил подход Мальтуса на другие живые системы. Исследуя изменения численности популяций, он пришел к объяснению эволюции путем естественного отбора (1839 г). Таким образом, наибольший вклад  Дарвина в науку заключается не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил, как она может происходить.

В это же время другой естествоиспытатель А.Р. Уоллес, как и Дарвин, много путешествовавший и тоже читавший Мальтуса, пришел к тем же выводам. В 1858 г. Дарвин и Уоллес выступили с докладами о своих идеях на заседании Линнеевского общества в Лондоне. В 1859 г. Дарвин опубликовал свой труд «Происхождение видов» («Origin of species»).

Согласно теории Дарвина – Уоллеса, механизмом, с помощью которого возникают новые виды, служит естественный отбор. Эта теория основывается на трех наблюдениях и двух выводах, которые удобно представить в виде следующей схемы.

2 Современная (синтетическая) теория эволюции

Теория Дарвина – Уоллеса в 20-м веке была значительно расширена и разработана в свете современных данных генетики (которая во времена Дарвина еще не существовала), палеонтологии, молекулярной биологии, экологии, этологии (науки о поведении животных) и получила название неодарвинизма или синтетической теории эволюции.

Новая, синтетическая теория эволюции представляет собой синтез основных эволюционных идей Дарвина, прежде всего, идеи естественного отбора, с новыми результатами биологических исследований в области наследственности и изменчивости. Современная теория эволюции имеет следующие особенности:

· она ясно выделяет элементарную структуру, с которой начинается эволюция – это популяция;

· выделяет элементарное явление (процесс) эволюции – устойчивое изменение генотипа популяции;

· шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции;

· четко разграничивает микроэволюцию и макроэволюцию (впервые эти термины были введены в 1927 г. Ю.А. Филипченко, а дальнейшее уточнение и развитие получили в трудах выдающегося биолога-генетика Н.В. Тимофеева-Ресовского).

Микроэволюция – это совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов.

Макроэволюция  связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого.

Изменения, изучаемые в рамках микроэволюции, доступны непосредственному наблюдению, тогда как макроэволюция происходит на протяжении длительного периода, и ее процесс может быть только реконструирован, мысленно воссоздан. Как микро- так и макроэволюция происходят, в конечном итоге, под влиянием изменений в окружающей среде.

Подтверждения теории эволюции. Сведения, подтверждающие современные представления об эволюции, являются результатами исследований в различных областях науки, из которыми важнейшими являются

палеонтология,
биогеография,
морфология,
сравнительная эмбриология,
молекулярная биология,
систематика,
селекция растений и животных.

(Подробнее см. [1], [2])

Важнейшими  аргументами в пользу эволюционной теории является так называемая палеонтологическая летопись, т.е. обнаруживаемые ископаемые формы живых организмов и биогенетический закон Геккеля («онтогенез повторяет филогенез»).

Основные законы эволюции. Многочисленные исследования, проведенные в рамках вышеупомянутых наук, позволили сформулировать следующие основные законы эволюции.

1. Скорость эволюции в разные периоды неодинакова и характеризуется тенденцией ускорения *.  В настоящее время она протекает быстро, и это отмечается появлением новых форм и вымиранием многих старых.

2. Эволюция различных организмов происходит с разной скоростью.

3. Новые виды образуются не из наиболее высокоразвитых и специализированных форм, а из относительно простых, неспециализированных форм.

4. Эволюция не всегда идет от простого к сложному. Существуют примеры «регрессивной» эволюции, когда сложная форма давала начало более простым (некоторые группы организмов, например, бактерии, сохранились только благодаря упрощению своей организации).

5. Эволюция затрагивает популяции, а не отдельные особи и происходит в результате мутаций, естественного отбора и дрейфа генов.

Последнее весьма важно для понимания различия между дарвиновской теории эволюции и современной теорией (неодарвинизмом).

Основные факторы эволюции. Современная теория эволюции, обобщая данные многочисленных биологических исследований,  позволила сформулировать основные факторы и движущие силы эволюции.

1. Первым важнейшим фактором эволюции является мутационный процесс, который исходит из признания факта, что основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций, т.е. изменений наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызываемых искусственно.

2. Второй важнейший фактор – популяционные волны, часто называемые «волнами жизни». Они определяют количественные флуктуации (отклонения от среднего значения) численности организмов в популяции, а также области ее обитания (ареала).

3. Третьим основным фактором эволюции признается обособленность группы организмов.

К перечисленным основным факторам эволюции добавляют такие как частота смены поколений в популяции, темпы и характер мутационных процессов и др. Важно помнить, что все перечисленные факторы выступают не изолированно, а во взаимосвязи и взаимодействии друг с другом.  Все эти факторы являются необходимыми, однако, сами по себе они не объясняют механизма эволюционного процесса и его движущей силы. Движущая сила эволюции заключается в действии естественного отбора, который является результатом взаимодействия популяций и окружающей среды. Результатом же самого естественного отбора является устранение от размножения (элиминация) отдельных организмов, популяций, видов и других уровней организации живых систем. (Следует иметь в виду, что трактовка естественного отбора как процесса выживания сильнейших, наиболее приспособленных некорректна, так как, с одной стороны, в ряде случаев бессмысленно говорить о большей или меньшей приспособленности, с другой – даже при явно меньшей степени приспособленности, допускается возможность размножения).

Формы естественного отбора. Естественный отбор в процессе эволюции принимает различные формы. Можно выделить три основных формы: стабилизирующий отбор, движущий отбор и дизруптивный отбор.

Стабилизирующий отбор - форма естественного отбора, направленная на поддержание и повышение устойчивости реализации в популяции среднего, ранее сложившегося признака или свойства. При стабилизирующем отборе преимущество в размножении получают особи со средним выражением признака ( по образному выражению, это  «выживание заурядностей»). Эта форма отбора как бы охраняет и усиливает новый признак, устраняя от размножения все особи, фенотипически заметно уклоняющиеся в ту или другую сторону от сложившейся нормы.

Пример: после снегопада и сильных ветров было найдено 136 оглушенных и полуживых воробьев; 72 из них выжили, а 64 погибли. У погибших птиц были очень длинные или очень короткие крылья. Особи же со средними - «нормальными» крыльями оказались более выносливыми.

Упомянутое ранее биохимическое единство жизни на Земле - это один из результатов стабилизирующего отбора. Действительно, аминокислотный состав низших позвоночных и человека почти один и тот же. Биохимические основы жизни оказались надежными для воспроизведения организмов независимо от уровня их организации.

Стабилизирующий отбор в точение миллионов поколений оберегает сложившиеся виды от существенных изменений, от разрушающего действия мутационного процесса, выбраковывая уклонения от приспособительной нормы. Эта форма отбора действиует до тех пор, пока не изменяются существенно условия жизни, в которых выработаны данные признаки или свойства вида.

Движущий (направленный) отбор -  отбор, способствующий сдвигу среднего значения признака или свойства. Такой отбор способствует закреплению новой нормы взамен старой, пришедшей в несоответствие с изменившимися условиями. Результатом такого отбора является, например, утрата некоторого признака. Так в условиях функциональной непригодности органа или его части естественный отбор способствует их редукции, т.е. уменьшению, исчезновению. Пример:  утрата пальцев у копытных, глаз у пещерных животных, конечностей у змей и т.п. Материал же для действия такого отбора поставляется разного рода мутациями.

Дизруптивный (разрывающий) отбор  - форма отбора, благоприятствующая более чем одному фенотипу и действующая против средних, промежуточных форм. Эта форма отбора проявляется в тех случаях, когда ни одна из групп генотипов не получает абсолютного преимущества в борьбе за существование из-за разнообразия условий, одновременно встречающихся на одной территории. В одних условиях отбирается одно качество признака, в других - другое. Дизруптивный отбор направлен против особей со средним, промежуточным характером признаков и ведет к установлению полиморфизма, т.е. множества форм в пределах одной популяции, которая как бы «разрывается» на части.

Пример: В лесах, где почвы коричневого цвета особи земляной улитки чаще имеют коричневую и розовую окраску раковин, на участках с грубой и желтой травой преобладает желтая окраска и т.п. [2].

Некоторые современные исследователи справедливо полагают, что синтетическая теория эволюции не является достаточно всеобъемлющей моделью развития жизни [7] и разрабатывают системную теорию эволюции, в которой подчеркивается следующее:

1. Эволюция протекает в открытых системах, и необходим учет взаимодействия биосферных геологических и космических процессов, которое, по-видимому, дает импульс для развития живых систем. Значительные события из истории жизни должны, таким образом, рассматриваться в связи с развитием планеты.

2. Эволюционные импульсы распространяются от высших системных уровней к низшим: от биосферы к экосистемам, соообществам, популяциям, организмам, геномам. Прослеживание причинно-следственных связей не только «снизу вверх» (от генных мутаций к популяционным процессам), как это свойственно традиционному подходу, но и «сверху вниз», позволяет не уповать всякий раз на случайность при построении модели эволюции.

3. Характер эволюции изменяется с течением времени, т.е. эволюционирует сама эволюция: значение тех или иных признаков приспособленности и неприспособленности, по которым осуществляется естественный отбор, в процессе эволюции и биологического прогресса падает или возрастает, как, например, роль индивидуального развития, роль индивида в историческом развитии.

4. Направленность эволюции определяется системными свойствами, задающими ее цель, что позволяет нам понять смысл биологического прогресса. Действительно, в живых (открытых) системах стационарное состояние соответствует минимальному производству энтропии. Физический смысл производства энтропии применительно к живым системам заключается в отмирании живой материи в форме гибели организмов, т.е. образованию мертвой массы («мортмассы»),  и производство энтропии тем выше, чем выше отношение мортмассы к биомассе. Это отношение падает при движении по эволюционной лестнице от простых организмов к сложным. Согласно теореме И. Пригожина, рассмотренной нами ранее, в открытых системах стационарное состояние соответствует минимуму производства энтропии. Такие системы, следовательно, имеют цель, определенное состояние, к которому они стремятся. Это позволяет объяснить, почему эволюция не остановилась на уровне бактериальных сообществ, а продвинулась дальше по пути, который привел к появлению высших животных и человека.

Контрольные вопросы

1. Объясните термин «эволюционно-синергетическая парадигма».
2. Назовите и объясните основные положения эволюционной теории Дарвина.
3. Что такое синтетическая теория эволюции, как она соотносится с теорией Дарвина?
4. Что такое микроэволюция?
5. Что такое макроэволюция?

6. Что подтверждает теорию эволюции?
7. Назовите основные законы эволюции.
8. Назовите основные факторы эволюции.
9. Что является движущей силой эволюции?
10. Назовите и объясните основные формы естественного отбора.

11. Что является результатом естественного отбора?
12. Правильно ли утверждение «выживает сильнейший»?
13. Назовите формы естественного отбора.
14. Что такое стабилизирующий отбор?
15. Что такое движущий отбор?

Литература

1. Концепции современного естествознания /под ред. С.И.Самыгина.-Ростов н/Д: Феникс, 1997.
2. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. – М.: Высшая школа, 1998.
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
4. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания. Структурный курс основ естествознания. – М.: Учпедгиз, 1999.
5. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. – М.: «Культура и спорт», ЮНИТИ, 1997.
6. Красилов В. Эволюция: Дарвин и современность. // Знание – Сила. - № 2. – 1997.
7. Красилов В. Эволюция: Дарвин и системный подход. // Знание – Сила. - № 3. – 1997.

[1]  Новые научные парадигмы, как правило, не отрицают, а задают границы корректности предшествующих им теорий. К примеру, теория относительности не отменила классическую физику, но описала рамки, в которых положения классической теории справедливы. Физика Ньютона - частный случай физики Эйнштейна.

* Первые живые организмы возникли около 3,5 млрд. лет назад, многоклеточные – 2,5 млрд. лет назад, животные и растения – 400 млн. лет назад, млекопитающие и птицы – 100 млн. лет, приматы – 60 млн. лет, гомиды – 16 млн. лет, род человека – 6 млн. лет, Homo sapiens – 60 тыс. лет назад.

               Лекция 20. Человек

1. Место человека в системе животного мира и антропогенез 2. Основные этапы развития Человека Разумного 3. Дифференциация на расы. Расы и этносы 4. Эколого-эволюционные возможности человека 5. Биосоциальные основы поведения Контрольные вопросы Литература

1. Место человека в системе животного мира и антропогенез

Вопрос о происхождении человека имеет не только  научное значение: с позиций эволюционной биологии или чисто зоологической точки зрения – это частный филогенетический вопрос. Здесь речь идет, с одной стороны, об огромном философском, мировоззренческом значении ответа на этот вопрос, а с другой – о возможности проследить, как закономерности биологической эволюции уступают место другим закономерностям, связанным уже с возникновением социальной формы движения материи.

Представления о естественном возникновении человека от обезьяноподобных существ в результате эволюции существовали еще в глубокой древности. Аристотель отмечал сходство высших обезьян с человеком, считая, что «обезьяна менее красива, чем лошадь, она больше похожа на человека». В начале I тысячелетия до н.э. в Индии существовали философские школы, которые отстаивали идея развития материального мира. В еще более древних текстах «Аюрвед» утверждается, что человек произошел от обезьян, живших около 18 млн. лет назад на материке, объединявшем Индостан и Юго-Восточную Азию. По этим представлениям, около 4 млн. лет назад предки современных людей перешли к коллективному добыванию пищи, а современный человек появился около 1 млн. лет назад (интересно, что эти представления не так уж далеки от современных). Карл Линней в первом издании своей «системы природы» в 1735 г. объединил человека и обезьян в один отряд и дал ему имя «приматы» (>лат. первые, главенствующие). Интересно, что  Ж. Ламарк в 1809 г. изложил гипотезу происхождения человека от обезьян путем исторического развития организмов, но, боясь церкви, приписал буквально следующее: «Вот каким могло бы выглядеть происхождение человека, если б оно не было иным».

Надо заметить, что лишь в  середине 20-го века католическая церковь была вынуждена признать естественное происхождение человека как биологического существа. В своей энциклике «Происхождение человека» (1950) римский папа Пий XII провозгласил: «Учение церкви не запрещает эволюционному учению в соответствии с состоянием человеческой науки и теологии быть предметом исследований... специалистов до тех пор, пока они проводят исследования о происхождении человеческого тела из уже существующей живой материи, несмотря на то, что католическая вера обязывает нас придерживаться взгляда, что души созданы непосредственно Богом». Т.е. спор здесь идет лишь о возможности возникновения души. Тем не менее, анализ формирования высшей нервной деятельности в ряду предковых и  родственных человеку современных млекопитающих свидетельствует о том, что все проявления психической сферы также являются результатом естественно-исторических процессов.

Однако основную роль в доказательстве животного происхождения человека сыграла книга Ч. Дарвина «Происхождение человека и половой отбор» (1851), которая содержала огромное число систематизированных фактов из разных областей биологии. Ч. Дарвин подчеркивал при этом, что человекообразные обезьяны не могут рассматриваться как предки человека – они как бы наши «двоюродные братья». ( К сожалению,  это зачастую плохо усваивается людьми, далекими от биологии: риторический вопрос: «а что же они (т.е. обезьяны) сейчас-то в людей не превращаются?»).

Высшим обезьянам (например, шимпанзе) свойственна «человечность» бытового поведения на воле: они обнимаются при встречах, похлопывают друг друга по плечу или по спине, соприкасаются руками. В экспериментальных условиях обезьяны пытаются делать примитивные орудия (например, расщепляют острым камнем доску), обучаются и общаются с человеком на жестовом языке глухонемых, а также с помощью специального компьютера и т.п.

Важным аргументом в пользу теории антропогенеза оказалось установление имуннологического и биохимического родства человека с обезьянами. Человекообразные высшие обезьяны намного ближе к человеку, чем к низшим обезьянам по структуре лейкоцитов, генетическим особенностям. Так, у человека диплоидное число хромосом равно 46, а у человекообразных обезьян – 48, в то время как у низших обезьян это число колеблется в пределах от 54 до 78. Известны случая успешного переливания крови шимпанзе людям, имеющим соответствующую группу крови и наоборот. Для низших же обезьян кровь человека абсолютно чужеродна. Тонкие методы, основанные на определении аминокислотных последовательностей белков, показывают, что человек и шимпанзе отличаются на 1% аминокислотных замен. Многие белки человека и шимпанзе, например, гормон роста, взаимозаменяемы.

Тем не менее, анатомические отличия человека от антропоидов (высших обезьян) весьма значительны. И главные из них те, что обеспечивают человеку возможность полноценной  трудовой деятельности и богатого речевого общения.

Говоря о месте человека в системе животного мира можно выразиться следующим образом:  человек – один из видов млекопитающих, относящихся к отряду приматов, подотряду узконосых. Современные человекообразные обезьяны – шимпанзе, горилла, орангутанг, гиббоны – представляют формы, около 10-15 млн. лет назад уклонившиеся от линии развития, общей с человеком.

2. Основные этапы развития человека разумного

За последние 40-50 лет в антропологии накопились данные, позволяющие не только ответить на многие вопросы, связанные с антропогенезом, но и поставить ряд новых проблем.

Находки, сделанные главным образом в Южной Африке, позволяют представить облик существ, находившихся в основании развития линии приматов, приведшей к возникновению рода Homo. Их стали называть австралопитеками (<лат. australis - южный, pithecus – обезьяна).

Австралопитеки – сравнительно крупные, около 20-65 кг массой, 100-150 см ростом ходили на коротких ногах при выпрямленном положении тела, масса мозга – 450-550 г. Это были обитатели открытых пространств. Свободные руки служили для нападения и защиты. Австралопитеки широко использовали как ударные орудия палки, камни, кости копытных и т.д. Судя по строению зубов, эти животные были всеядными. Одновременно существовало несколько разных видов австралопитеков и одним из наиболее вероятных «кандидатов» в непосредственные предки ствола рода Homo является так называемый афарский австралопитек, остатки которого найдены в Эфиопии, в слоях возраста около 3,5 млн. лет. Специализированные австралопитеки обитали уже вместе с ранними формами человека и могли быть его жертвами. В целом австралопитеки намного ближе к человеку, чем современные человекообразные обезьяны.

Род Homo, появившийся на Земле, продолжал претерпевать эволюционные изменения. В настоящее время известны несколько переходных форм.

1.   Человек умелый (Homo habilis). – 2 млн. лет назад.
2.   Архантропы (Homo erectus) – 2 млн. лет назад – 140 тыс. лет назад.
3. Палеоантропы (Homo Neanderthalensis,  неандертальцы) – от 250 до 40-25 тыс. лет назад. 

Последние исследования показывают, что неандертальцы – неоднородная группа. Интересно, что более древние по возрасту находки неандертальцев морфологически (т.е. по форме) более прогрессивны, чем более поздние формы. Ранние неандертальцы с менее мощным физическим развитием, по-видимому, впоследствии дали начало ветви современного человека – кроманьонца. Поздние же неандертальцы, более крупные и более развитой мускулатурой, оказались тупиковой ветвью и были вытеснены Человеком разумным – Homo sapiens – видом, к которому принадлежим и мы.

Возможные формы филогенеза человекообразных форм представлена на рис. 1. Важно иметь в виду, что это - весьма приближенные схемы. Дело в том, что Современные палеонтологические данные опровергают прежние представления о «прямолинейности» эволюционного  древа человека, в которых все, что существовало рядом с «основным» стволом, провозглашается «боковой» и «тупиковой» ветвью. Такая прямолинейность природе не свойственна.   Появлению нового вида предшествует «лихорадка эволюционной активности». Иными словами, возникает множество разновидностей, слегка, а потом и не так уж слегка отличающихся от типичной прежней. Многие из этих разновидностей продолжают сосуществовать и далее, постепенно все более расходясь, образуя новые виды и продолжая тем же путем эволюционировать и дальше. И никто из них не «выше» и не «ниже» других, нет среди них «главного ствола» и «боковых ветвей». Поэтому нельзя воображать себе эволюцию как ствол, неукротимо тянущийся к некой вершине, — эволюция больше похожа на гигантский кустарник, покрывающий огромное поле и состоящий из множества более мелких, но тоже очень сложных кустов [4].

По отношению к человеку это означает, что  могли одновременно сосуществовать многие веточки соответствующего эволюционного куста и ученым еще предстоит их отыскать.  Всякая же попытка провести через известные ископаемые находки, как более, так и менее «прогрессивные»,  некую «прямую», которая изображала бы эволюцию древнего человека, становится попросту невозможной.  Один из палеоантропологов хорошо сказал по этому поводу: «Пока в нашем распоряжении было мало черепов, такую прямую можно было легко провести. Но чем больше накапливается «точек», тем труднее оказывается это сделать». Это распространенное правило: чем меньше фактов существует (или принимается во внимание), тем легче выстроить стройную концепцию, теорию или гипотезу. Больше фактов, конечно, лучше, но зачастую накопление новых фактов заставляет пересматривать существующие теории.

Последние палеонтологические открытия свидетельствуют о том,  что на протяжении всей человеческой эволюции, во все ее периоды, от времен жизни нашего общего с приматами предка и до самых поздних времен, в каждую отдельную эпоху одновременно сосуществовали как минимум два-три очень разных вида и даже разных семейства гоминидов («куст»), и проводить прямую линию через кого-то из них к человеку пока еще рано: неизвестно, через какие точки ее проводить. Это справедливо и по отношению к эволюции других млекопитающих.  Крупнейший палеантрополог современности доктор М. Лики сказал по этому поводу: «В разнообразии гоминидных останков нет ничего удивительного, потому что ранние гоминиды, ответвляясь от общего предка человека и приматов и двигаясь на двух ногах, имели возможность перемещаться в разные регионы Африки и там развиваться в новые виды».

Культурные модели и выводы антропологии. В рассмотренном изменении парадигм антропологии можно усмотреть свидетельство того, что антропология, как и  вся наука в целом рассматривает свои объекты и делает из этого свои выводы под влиянием господствующих культурных моделей.

Действительно, прежнее представление о линейной эволюции человечества и всех прочих видов, держалось до тех пор, пока господствовали типичные для XIX века представления об экономическом, социальном и моральном прогрессе, растущем, как дерево, в одном направлении, — ко все лучшему и лучшему. Теперь на смену этим представлениям пришли идеи постмодернизма и мультикультурализма, провозглашающие равенство всех культур при полном отсутствии понятия «прогресса». Антропологи тоже переняли взгляд на древнюю историю человечества как на беспорядочную, хаотическую груду равноценных видов, никому из которых нельзя отдать предпочтение как единственному предку человечества; идея «многообразия равных» и «отсутствия порядка и направления» сменила идею «прогресса» в качестве бессознательной установки при интерпретации новых и старых данных. Такая  трактовка развития науки в общем виде сводится к утверждению, что так называемая научная истина сама по себе не существует вообще, а есть «социальные конструкты», то есть субъективные интерпретации, которые, в свою очередь, определяются влиянием на ученых социальных и культурных стереотипов среды и эпохи. (Подобный подход впервые выдвинул Томас Кун в своей книге «Структура научных революций»).

В то же время сложный, нелинейный характер эволюции человека как вида носит объективный характер и не зависит от культурных стереотипов. Разнообразие ранних гоминидов - предков человека связано с тем, что  приобретя прямохождение, далекие предки человека неминуемо должны были рассеяться в поисках новых мест обитания и новых источников пищи и тем самым приобрели шансы на разнообразие благодаря необходимости адаптироваться к новым условиям и использованию для этого случайных мутаций.  Изменение наших представлений о происхождении человека говорит о том, что научная картина эволюции стала сложнее, но зато и намного реальнее [5].

Согласно разрабатываемой в настоящее время комплексной гипотезе широкого моноцентризма, человек современного типа возник где-то в Восточном Средиземноморье, где, по-видимому, был совершен последний шаг на пути к современному виду неоантропов (Homo Sapiens). Фигура человека стала более стройной, увеличился рост. Величина головного мозга существенно не изменилась, однако произошли значительные перемены в его строении: большое развитие получили лобные доли и зоны, связанные с развитием речи и сложной, конструктивной деятельностью. После этого началось интенсивное и широкое расселение неоантропов по разным континентам. Не исключено, что при этом люди современного типа могли смешиваться с неандертальцами. Это, вероятно, было не простое вытеснение или уничтожение, а различные формы слияния, при которых происходило генетическое скрещивание пришлых и местных людей, а с точки зрения развития культуры начинала преобладать новая, прогрессивная культура кроманьонцев.

В настоящее время картина развития вида Homo Sapiens развертывается на основе палеонтологических данных с применением современных молекулярно-генетических методов. Тщательный анализ показывает, что несколько десятков тысяч лет назад численность исходной популяции Homo Sapiens была не более 5000 размножающихся пар. Затем, по-видимому, эта популяция разделилась на несколько групп, причем каждая из вновь образованных популяций в свое время проходила через так называемой «бутылочное горлышко» – период исключительно малой численности, когда число размножающихся пар могло насчитывать всего несколько десятков [2].

3. Дифференциация на расы. Расы и этносы

Все современное человечество принадлежит к единому полиморфному виду – Homo sapiens. Единство человечества основано на общности происхождения, социально-психического развития, способности к скрещиванию людей различных рас, практически одинаковом уровне общего физического и умственного развития.

Вид Homo sapiens распадается, как известно, на три большие расы: австрало-негроидную, европеоидную и монголоидную. Но, строго говоря, не все группы человечества можно разделить по трем основным стволам. Например, американские индейцы выпадают из этой классификации. Их часто относят к монголоидам, однако у них редко встречается эпикантус (складка во внутреннем крае глаза, прикрывающая слезный бугорок), а лицо с выступающим узким носом имеет такую же форму, как и у европеоидов. Поэтому их иногда выделяют в особую расу америндов. То же можно сказать об австралийцах-аборигенах. Хотя они темнокожи, волосы у них не курчавы, а волнистые борода и усы растут обильно как у европеоидов, а вот по составу крови и пальцевым узорам они оказываются ближе к монголоидам. Можно, кроме того, каждый из этих пяти стволов разделить на множество группировок, хотя такое деление будет в значительной мере условным. Так, например, известно, что среди жителей северной Европы намного чаще встречаются голубоглазые и светловолосые люди, чем среди жителей южной Европы, хотя здесь речь идет скорее о вероятности появления того или иного признака.

В результате антропологи выделяют несколько десятков человеческих рас – так называемых рас второго и третьего порядков. Точную цифру здесь назвать вообще невозможно, тем более, что многие такие группировки сливаются, исчезают или, наоборот, возникают. Это так называемые контактные группы. Например, в нашей стране около 45 млн. населения относится к переходному европеоидно-монголоидному типу. Можно даже сказать, что сейчас, в эпоху интенсивных контактов между народами и отмирания расовых предрассудков практически нет «чистых рас».

Три основных человеческих расы возникли, по-видимому, очень давно. В последнее время близость рас исследовали методами биохимической генетики. По этим данным получается, что общий предок всех рас жил около 90-92 тыс. лет назад. Именно тогда произошло разделение двух стволов – большого монголоидного (включая америндов) (см. рис.2). Коренные австралийцы проникли на свой материк около 50 тыс. лет назад и, по-видимому, по этой причине сохранили больше черт своего общего предка. Разделение европеоидов и негроидов произошло около 40 тыс. лет назад, причем долгое время они обитали совместно: на стоянке Маркина Гора вблизи Воронежа вместе с черепами кроманьонцев европеоидного типа найден череп с австралоидными чертами.

Механизм расогенеза. Известно, что существуют два основных механизма изменения генного состава (генофонда популяции) – естественный отбор и так называемый дрейф генов. При возникновении рас человека действовали оба этих механизма, но роль каждого из них в образовании того или иного признака остается дот конца не выясненной. Многие признаки имеют несомненно адаптивный (приспособительный характер), например, темная кожа и курчавые волосы негроидов. Не так все ясно с признаками европеоидной расы:  светлая кожа, светлые глаза, прямые, светлые волосы – признаки рецессивные по отношению к доминантным – темной коже, курчавым и темным волосам. Поэтому вероятно допустить, что при заселении Европы малыми по численности популяциями древних людей по внешности сходных с австралоидами, в результате близкородственных браков возникали и закреплялись рецессивные гомозиготы. Сходные процессы наблюдаются и в изолированных популяциях. С другой стороны, сильно пигментированная кожа препятствует проникновению ультрафиолетовых лучей, под действием которых синтезируется  витамин D, и на севере это оказывается вредным [2].

Понятие расы следует четко отличать от понятия этнос, национальность, нация, которые являются признаками социальными, а не биологическими. Грубейшая ошибка – отождествлять народы с расами. Представители разных рас могут образовывать одну нацию. Практически каждый достаточно большой народ разнороден по расовому составу. В истории известны случаи, когда расовый облик этноса в течении нескольких столетий полностью менялся.

4. Эколого-эволюционные возможности человека

С возникновением человека как социального существа биологические факторы эволюции постепенно ослабляют свое действие и ведущее значение в развитии человечества приобретают социальные факторы. Рассмотрим изменение роли основных биологических факторов эволюции.

Естественный отбор как основная и направляющая сила эволюции с переходом материи на социальный уровень развития резко ослабляет свое действие, однако не исчезает совсем (ранняя абортивность зигот, составляющая около 25% от всех зачатий является результатом естественного отбора).

Изоляция как эволюционный фактор еще недавно играла заметную роль, однако с развитием средств массового перемещения людей на планете остается все меньше генетически изолированных групп.

Волны численности еще в недавнем прошлом играли заметную роль в истории человечества. Например, во время эпидемий холеры и чумы всего лишь несколько сотен лет назад население Европы сокращалось в десятки раз. Такое сокращение могло быть основой для рада случайных процессов изменения генофонда. Теперь численность человечества не подвержена таким колебаниям.

Мутационный процесс – единственный эволюционный фактор, сохраняющий прежнее значение, в человеческом обществе. Вновь возникающие мутации постоянно меняют генотипический состав населения отдельных районов. В последнее время мутационный процесс в ряде районов нашей планеты может несколько повышаться за счет локального химического и энергетического загрязнения биосферы. Создавая и поддерживая разнообразие, мутации, в то же время являются крайне опасными из-за ослабления естественного отбора. Рождение неполноценных детей, передача неполноценных генов – все это реальные опасности на современном этапе развития общества [3]. Здесь человечество сталкивается с огромной нравственной проблемой. Единственный приемлемый выход видится в развитии генной инженерии, которая даст возможность исправлять поврежденные геномы.

Человечество изменятся и сейчас, причем особенно распространены процессы грацилизации и акселерации. Грацилизация – снижение общей массивности скелета – связана в основном с тем, что человек все меньше занимается физической работой. Параллельно идет процесс акселерации – ускорение развития всего организма. Теперь у грудных детей раньше удваивается масса. На год раньше, чем в прошлом веке, молочные зубы сменяются на постоянные.  За последние 100 лет подростки 14 - 16 лет стали почти на 20 см выше. Все эти изменения идут параллельно у представителей разных рас. Сами же расы постепенно теряют характерные для них наборы признаков. Это объясняется тем, что все больше и больше людей как бы изолируется от внешней среды. Так сейчас более трети населения живут и работают в одинаковых условиях при «комнатной» температуре. В таких условиях расовые признаки перестают быть адаптивными, и отбор практически не действует.

5. Биосоциальные основы поведения

Этот вопрос в сущности, сводится к следующему: рождается ли человек «безморальным», и только воспитание прививает ему принципы морали, или же человек появляется на свет с каким-то набором врожденных чувств и представлений о том, что хорошо, и что плохо. Нельзя сводить целиком человеческую мораль к врожденным программам (редукционизм), поскольку она продукт длительного социального развития, культуры (в том числе – религии), однако следует признать, что многие признаки, присущие человеку, генетически обусловлены. Эти поведенческие признаки рассматриваются в настоящее время с позиций биоэтики.

Биоэтика, или сложные поведенческие программы, присущие животному миру, рассматриваются как естественное обоснование человеческой морали. Поведение животных рассматривается в рамках специальной науки – этологии. Этологи открыли у животных большой набор инстинктивных запретов, необходимых и полезных в общении с сородичами.

Впервые глубокий анализ поведенческих программ животных провел в своей книге «Агрессия» выдающийся австрийский этолог Конрад Лоренц. К. Лоренц рассматривает мораль животных как создание естественным образом врожденного запрета выполнять обычные программы поведения в определенных случаях, возникающих при общении с себе подобными. То есть в тех случаях, когда проявление инстинкта может оказаться вредным, вводится в действие механизм его торможения. Интересно, что аналогичным образом происходит и культурно-историческое развитие человеческого общества. Действительно, важнейшие требования моральных заповедей в большинстве своем не предписания, а запреты.

Врожденные запреты создаются под жестоким давлением отбора ради выполнения задачи сохранения вида. К важнейшим из таких запретов относятся следующие:

1) «не убей своего»,

2) «нельзя нападать неожиданно и сзади, без предупреждения и без проверки» – этот запрет непосредственно вытекает из предидущего;

3) у хорошо вооруженных природой животных есть запреты применять смертоносное оружие или убийственный прием в драке со своими (у «слабо вооруженных природой» существ, к которым относится и человек, этот врожденный запрет развит плохо).

4) «нельзя бить того, кто принял позу покорности» – этот запрет также более всего выражен у сильно вооруженных животных (в основном хищников). Более слабое, проигравшее в схватке животное останавливает победителя, подставляя ему самое уязвимое место. (Сходная ситуация встречается у людей – «на бей!»).

5) «победа с тем, кто прав»; животное, защищающее свою территорию, свою нору, самку, детенышей, чаще выигрывает в конфликте даже у более сильного и агрессивного соперника. Это происходит не только потому, что противник заранее психически ослаблен. Его агрессивность также сдерживается запретом. Аналоги этого запрета в человеческом обществе – неприкосновенность жилища, личной жизни и имущества.

Разумеется, у животных возможны и сбои, поломки этого врожденного механизма. Такое животное, по существу, «выродок» становится опасным для своих сородичей.

К. Лоренц пишет, что можно лишь пожалеть, что человек не имеет «натуры хищника», поскольку большая часть опасностей, которые ему угрожают, происходят от того, что по натуре он сравнительно безобидное и всеядное существо, и у него нет естественного оружия, принадлежащего его телу, которым он мог бы убить крупное животное. Именно поэтому у него нет и тех механизмов безопасности, возникших в процессе эволюции, которые удерживают сильных животных от применения оружия против сородичей.

Контрольные вопросы

1. Как иммунология и биохимия помогают установить родство человека с другими видами отряда приматов?
2. Можно ли сказать, что человекообразные обезьяны являются предками человека? Поясните Ваш ответ.
3. Перечислите основные доказательства единства происхождения человечества.
4. Правильно ли  такое понимание человеческой эволюции, когда каждый предыдущий вид наших предков дает начало следующему виду, а тот следующему, пока дело не доходит до современного человека? Поясните Ваш ответ.
5. Изложите гипотезу широкого моноцентризма.

6. Опишите кратко историю формирования рас.
7. Объясните понятия расы, этноса, нации.  Какие понятия связаны с биологическими особенностями, а какие - с социально-культурными?
8. Как проявляются  факторы эволюции по отношению к человечеству в настоящее время? Какие эволюционные факторы при этом наиболее существенны?
9. В чем заключаются процессы грацилизации и акселерации?
10. Что такое биоэтика?

11. Что изучает этология?
12. Что подразумевается под биосоциальными основами поведения человека?
13. Что такое «мораль животных»?
Литература

1. Общая биология //под общей ред. акад. В.К. Шумного, проф. Г.М. Дымшица, проф. А.О. Рувинского, 2-е изд. – М.: Просвещение, 1995.
2. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. – М.: Высшая школа, 1998.
3. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 1998.

4. Концепции современного естествознания. /под ред. проф. С.А. Самыгина, 1. - Ростов н/Д: "Феникс", 1999.
5. Вартбург М. Чьи же мы потомки, в конце-то концов? - «Знание — сила», 2001, № 10.
6. Ефремов К. СЕНСАЦИЯ! Найден предок человека. -«Знание — сила», 2001, № 6.
7. Силкин Б. Наше генеалогическое древо сотрясается -«Знание — сила», 2001, № 6.  

       Лекция 21. Биосфера и цивилизация

1. Биосфера и место человека в биосфере 2. Антропогенный фактор и глобальные экологические проблемы 3. Негэнтропийный взгляд на экологические проблемы Контрольные вопросы Литература

1. Биосфера и место человека в биосфере

Термин «биосфера» появился в науке в 1875 г., однако первые представления о биосфере складывались уже в начале 19 в. Эти первые представления были, в частности, отражены в работе «Гидрология» Ж.Б. Ламарка (1802). не пользуясь понятием «биосфера, он писал, что «все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов». В 1826 г. немецкий ученый Гумбольдт ввел понятие «жизненная среда», понимая под этим оболочку Земли, куда включал атмосферные, морские и континентальные процессы и весь органический мир. Так в науке формировалось понятие пространства, охватываемого жизнью и ей же создаваемого. Геолог Э. Зюсс назвал это пространство «биосферой». Впоследствии понятие биосферы разрабатывалось разными исследователями. Считается, что наиболее полно концепция биосферы разработана в трудах отечественного естествоиспытатели и философа В.И. Вернадского (1863-1945). В 1926 г. вышла его работа «Биосфера», в котором ученый изложил свое учение о «живом веществе» и его геологических функциях. Суть его учения заключается в следующем:

биосфера – это целостная организованная система живого вещества;

все явления в ней – часть единого механизма биосферы;

живое вещество – это то звено, которое соединяет историю химических элементов с с эволюцией организмов и человека и с эволюцией всей биосферы.

Биосфера сыграла определяющую роль в возникновении атмосферы, гидросферы и литосчферы. Биосфера представляет собой единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Биосфера в своем естественном состоянии – это монолит жизни. 

Органическая жизнь сосредоточена в литосфере (верхняя часть твердой поверхности земной коры), в гидросфере (моря, реки, озера и Мировой океан), а также в тропосфере (нижние слои атмосферы).

Нижняя граница биосферы опускается на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана, а верхней служит так называемый озоновый экран на высоте 20-25 км, выше которого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца убивает все живое. Человеческое общество с его производством и созданной им искусственной средой – техносферой также является частью биосферы. Суммарная биомасса живых организмов Земли оценивается примерно в 2,4×10¹² т, причем основная ее часть (более 99%) образована наземными животными, растениями и организмами. Биомасса организмов океана ничтожно мала по сравнению с биомассой наземных организмов.

Жизнь распространена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных условиях принимает вид относительно независимых комплексов – биогеоценозов или экосистем. Живая часть биогеоценоза носит название биоценоза.

Разнообразные процессы и явления, протекающие в биосфере, являются объектом исследований различных наук. Особое место при этом отводится экологии. Э.Геккель, впервые применивший этот термин (<греч. ойкос – дом, жилище, логос – наука) определил экологию как «..познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая непременно антагонистические и неантагонистические взаимоотношения животных и растений, контактирующих друг с другом. Одним словом, экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование». В результате деятельности человека экология, дифференцируясь на множество самостоятельных  наук, все больше приобретает политический и социальный оттенок, включая в себя вопросы права, экономики, социологии, технологии и др.

Связи между компонентами биосферы. Биосфера выполняет свои функции благодаря многосторонним трофико-метаболическим (т.е. обменным) связям. Все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов.

Понятие о трофической цепи. Живые организмы, входящие в состав биоценоза, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии из ОС. Поскольку растения не нуждаются в других живых посредниках для строительства своего организма, их называют автотрофами (самопитающимися). Поскольку они, используя энергию солнечного света, создают органическое вещество из неорганического, их называют производителями, или продуцентами. Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, вынуждены использовать созданное автотрофами, употребляя их в пищу. их называют поэтому гетеротрофами, что означает «питаемый другими» или консументами (потребителями).

Травоядные животные - консументы 1-го порядка поедают растения – продуценты, первичные хищники – консументы 2-го порядка поедают травоядных, вторичные хищники – консументы 3-го порядка поедают хищников – консументов 2-го порядка и консументов 1-го порядка. Таким образом, создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов. И продуценты и консументы на разных этапах своего жизненного цикла смыкаются с редуцентами, или деструкторами (т.е. разрушителями): микроорганизмами, бактериями, грибами. Редуценты разлагают выделения животных, микроорганизмов, мертвые организмы и минерализуют их до воды, СО₂ и минеральных удобрений. Таким образом, в сообществе живых организмов от звена к звену циркулируют питательные вещества и энергия (см. рис. 1).

Экологические факторы. Среда, окружающая живые организмы, т.е. материальные тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях, характеризуется огромным разнообразием. Это многообразие элементов, явлений, условий рассматриваются в качестве экологических факторов.

Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз индивидуального развития. Организм, в свою очередь, реагирует на экологический фактор специфичными приспособительными реакциями. Экологические факторы подразделяются на две категории: факторы неживой природы (абиотические) и факторы живой природы (биотические).

(Существуют и другие классификации экологических факторов, например, зависящие от численности тех или иных организмов и не зависящие, постоянно действующие или периодические).

Абиотические факторы. Абиотические факторы могут быть классифицированы следующим образом:

 климатические: солнечный свет, температура, влага, скорость движения воздуха, давление;
химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов;
эдафогенные, или почвенные: механический состав почв, влагоемкость, плотность, воздухопроницаемость;
орографические (< греч. гора): высота над уровнем соря, рельеф, экспозиция склона.

Биотические факторы. Под биотическими факторами понимают совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие. Они могут быть, в свою очередь, подразделены на

фитогенные: влияние растительных организмов;
зоогенные: влияние животных организмов;
микробиогенные: вирусы, простейшие, бактерии;
антропогенные: деятельность человека.

Растения создают первичное органическое вещество на Земле и, следовательно, представляют собой пищу для всех иных живых организмов. Любой вид животных обладает четкой исбирательностью к составу пищи. Среди животных есть виды, которые могут питаться одним видом растений или животных (монофаги) и многими видами (полифаги).

Типы взаимоотношений между животными весьма разнообразны. Можно назвать некоторые из них.

1. «Хищник – жертва», т.е. непосредственное преследование и пожирание одних видов другими.
2. Комменсализм - взаимоотношение, когда один вид питается остатками пищи другого.
3. Синойкия – использование одними животными нор и гнезд других.
4. Нейтрализм – взаимонезависимость совместно обитающих видов.
5. Протокооперация – совместное гнездование нескольких видов птиц, способствующее защите от хищников.
6. Интерференция – ненамеренное подавление одного вида другим.

Лимитирующие факторы. В 1840 г. химик – органик Ю. Либих (1803-1873) выдвинул теорию минерального питания растений, в которой утверждается, что развитие растений зависит не только от тех химических элементов или веществ (факторов), которые присутствуют в достаточном для организма количестве, но и от тех, которых не хватает. Например, избыток воды или азота не заменяет недостатка бора или железа, которые обычно присутствуют в почве в малых количествах. Либих сформулировал «закон минимума» (называемый также «законом Либиха»), согласно которому необходимо увеличивать содержание в почве минерального вещества, находящегося в минимальном количестве. Разумеется, закон Либиха справедлив не только для растений.

Спустя 70 лет американский ученый В.Шелфорд доказал, что не только вещество или какой-либо другой фактор (например, температура, давление и т.п.), присутствующее в минимуме, может определять урожай или жизнеспособность организма, но и избыток какого-то элемента может приводить к нежелательным последствиям. Например, многие животные и растения могут поддерживать жизнедеятельность лишь в некотором узком диапазоне рН. Согласно В.Шелфорду, факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке по отношению к оптимальным требованиям организма, называются лимитирующими, а соответствующее правило получило название «закона лимитирующего фактора», или «закона толерантности» (толерантность = терпимость). Действие закона толерантности проиллюстрировано на рис. 2.

Экологическая ниша. Любой живой организм адаптирован к определенным условиям окружающей среды. Требования того или иного организма к факторам среды обуславливают границы его рапространения (ареал) и место, занимаемое в экосистеме. Совокупность множества параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида и его функциональных характеристик (преобразование им вещества и энергии, обмен информацией со средой и с себе подобными и др.) представляет собой экологическую нишу. Таким образом, экологическая ниша включает не только положение вида в пространстве, но и его функциональную роль в сообществе (например, трофический уровень) и его положение относительно абиотических факторов (температура, влажность и т.п.). Определить экологическую нишу какого-либо вида, по образному выражению, означает сказать: где он живет, как он живет, кого он ест и кто его ест.

В настоящее время одним из важнейших биотических факторов является антропогенный фактор.

2. Антропогенный фактор и глобальные экологические проблемы

Человек появился в ходе эволюции биосферы. Он – ее элемент. Появление разума, по-видимому, закономерный этап в развитии живой материи, коренной перелом в ее эволюции, ибо она получила способность мыслить и познавать себя. Все необходимое для жизни человек получает из биосферы. Туда же он сбрасывает бытовые и промышленные отходы. Долгое время Природа справлялась с теми нарушениями, которые человек вносил в ее деятельность и сохраняла равновесие. В настоящее время деятельность человека стала соизмеримой с силами Природы и она уже не способна выдерживать напор преобразующей деятельности человека. Это приводит к формированию глобального экологического кризиса, сопровождающегося обострением так называемых глобальных экологических проблем, к которым относятся проблема народонаселения («демографический взрыв»), изменение состава атмосферы и климата, изменение состояния водных систем, истощение природных ресурсов. Рассмотрим эти проблемы подробнее.

1. Рост народонаселения. Сейчас на Земле – 5,5 млрд. человек. В 20-м веке темп роста народонаселения резко увеличился и только за последние 40 лет человечество выросло более чем в два раза. Если рассматривать темы роста человечества за всю его историю, то четко прослеживается экспоненциальный характер зависимости численности населения от времени (см. рис.3). В настоящее время появились тенденции к сокращению темпа роста населения (пунктирная кривая), однако он все еще продолжает оставаться высоким. По прогнозам демографов, к 2025 г. на Земле будет от 7,6 до 9,4 млрд. человек. Основная доля прироста населения приходится и будет приходится на развивающиеся страны. такой рост населения приведет к еще большему давлению человечества на ОС и, по-видимому, еще больше обострит существующие на сегодняшний день экологические проблемы. Дело в том, что у всех живых организмов существуют пределы роста, обусловленные т.н. экологической емкостью территорий, и человек не является исключением. Каковы эти пределы для человека? К настоящему времени разработаны так называемые ресурсная и биосферная модель мировой системы. По ресурсной модели население Земли не должно превышать 7,0 –7,5 млрд. человек, а по биосферной – 10 млрд.

2. Изменение состава атмосферы. На первом месте среди загрязнителей атмосферы стоит энергетика (80). Энергетика – основа цивилизации и без производства достаточного количества энергии человечество не сможет существовать и развиваться. Сегодня главный производитель энергии – теплоэлектростанции (ТЭС), их доля в общем производстве энергии составляет около 63%. Доля ГЭС составляет около 20%, доля АЭС – около 17%. Существенную роль в загрязнении атмосферы играет транспорт и выбросы промышленных предприятий. Вносят свою лепту и лесные пожары, до 95% которых обусловлено человеческой неосторожностью. Загрязнение атмосферы, в свою очередь порождает такие проблемы, как парниковый эффект и потепление климата, истощение озонового слоя, закисление природных сред.

Парниковый эффект. Ежегодно в атмосферу выбрасывается 1,5 млрд. т аэрозолей (пыль, дым, туман), миллиарды тонн СО₂ и СО. Углекислый газ пропускает к Земле тепло Солнца, но хуже пропускает в космос тепло Земли. Аналогично влияние метана, который также выбрасывается в атмосферу. Результат – повышение температуры на Земле (потепление). За последние 100 лет оно составило 0,5 – 0,6^оС. Это приводит к усилению процессов опустынивания и повышению уровня Мирового океана.

Закисление природных сред. Выбрасываемые в атмосферу диоксиды серы и азота доокисляются в атмосфере и, растворяясь в воде, образуют серную и азотную кислоты, выпадая затем на землю с дождем, снегом, туманом. Кислотные дожди губительны для растений, лесов и рыбных водоемов. Попадая на почву, они вызывают повышение ее кислотности, что нарушает жизнедеятельность микроорганизмов.

Истощение озонового слоя. Как было сказано ранее, озоновый слой находится на высоте 20 – 25 км над поверхностью Земли и защищает нас от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. В последние годы наблюдается циклический процесс снижения концентрации озона в приполярных областях (вначале над Антарктидой, а затем и в северном полушарии). Это явление получило название «озоновых дыр». Оно носит сезонный характер, до сих пор нет четкого описания его механизма. Главными «виновниками» разрушения озонового слоя на сегодняшний день считаются хлорфторуглероды (ХФУ), которые используются в холодильной промышленности (фреон) и в производстве аэрозолей. Они разлагаются с выделением атомов хлора, которые ускоряют превращение озона в молекулярный кислород О₂.

Истощение ресурсов. Среди разнообразных ресурсов нашей планеты в рамках этой лекции отметим леса – одно из величайших богатств Земли. На протяжении последних 50 лет наблюдается уменьшение площади лесов на 1-2% ежегодно, а за последние 200 лет их количество уменьшилось вдвое. Особенно быстро идет разрушение тропических лесов, в которых сосредоточено до 60% существующих видов растений и животных. Этот процесс чрезвычайно опасен еще и потому, что тропические леса Амазонки, Юго-Восточной Азии, а также леса Сибири называют легкими планеты – настолько велик их вклад в образование атмосферного кислорода.

Истощение грозит и водным ресурсам планеты. Потребление воды постоянно растет, однако использование и охрана водных ресурсов далеки от оптимальных решений. Так, большой отбор воды на орошение из рек Средней Азии привел к катастрофе Аральского моря. Соль со дна высохшего моря разносится ветром на сотни километров, вызывая засоление почв. За последние годы высохли сотни естественных водоемов Приаралья. Подобные проблемы существуют и на других территориях. Беспокойство вызывает загрязнение водоемов сточными водами – отходами промышленных предприятий. Из-за аварий танкеров и нефтепроводов в ОС ежегодно попадает более 5 млн. тонн нефти. Нефтяные пленки, кроме прямого вреда, замедляют обмен гидросферы и атмосферы, что приводит к гибели жизни в океане.

Несовершенство сельскохозяйственной технологии ведет к сокращению площадей плодородных земель. Распаханный плодородный слой смывается сточными водами и сильно развеивается ветом, если вспашка произведена с переворотом пласта. Распашка обширных степных земель в СССР и США стала причиной пыльных бурь и гибели миллионов гектаров плодородных земель.

Огромные отрицательные последствия для ОС связаны с военной активностью. Здесь сказывается разрушительное влияние как непосредственно военных действий, так и гонки вооружений, сопряженной с изготовлением и хранением химически, биологически и энергетически опасных веществ.

В этих условиях биосфера стала утрачивать свои компенсационные свойства и не успевает залечивать раны, наносимые ей. Выход из экологического кризиса видится в реализации понятия «ноосфера», введенного В.И. Вернадским для обозначения биосферы, преобразованной трудом человека и измененной научной мыслью. Главные компоненты ноосферы – это человечество, производство и Природа, составляющие единую систему, так как человечество не может отказаться от научно-технического прогресса и вернуться в первобытное состояние. Общий подход к решению экологических проблем – достижение сбалансированного развития человечества путем реализации программ по предотвращению экологических катастроф. к таким программам можно отнести сдерживание роста населения, развитие новых малоотходных технологий производства, поиск новых, более «чистых» источников энергии и т.п.

3. Негэнтропийный взгляд на экологические проблемы

Основная проблема, связанная с загрязнением окружающей среды, обусловлена термодинамическими ограничениями, заложенными в самой природе. Причины загрязнения ОС можно свести к следующим.

1. Неэффективное использование энергии, либо использование так называемых «деградированных форм энергии» для получения энергии более высокого качества, что требует привлечения огромных мощностей. Потребляя запасенную в природных структурах энергию нефти, газа и угля, человек вносит в биосферу хаос и разрушает ту упорядоченность (энергию химических связей высокомолекулярных соединений), которую создала свободная энергия солнечного излучения.

2. Рост мощностей для удовлетворения растущих потребностей современного общества.

Первые две причины объясняют, почему самой разрушительной по своему воздействию на природу из всех областей человеческой деятельности является энергетика.

Следующие причины связаны с предыдущими, однако, они не носят абсолютного характера и являются субъективными, т.е. зависящими от сознания и воли людей.

3. Использование неэффективных преобразователей энергии.

4. Нежелание поставщиков энергии перерабатывать вторичные продукты.

Действие этих причин можно значительно ослабить на путях научно-технического прогресса, хотя это требует значительных средств и определенной перестройки общественного сознания.

Из рассмотренного ранее вопроса о термодинамике живых систем следует, что негэнтропия, т.е. отрицательная энтропия, одной из составляющих которой является высококачественная энергия, необходима как в качестве фундамента жизни, так и для обеспечения производственной деятельности человечества. Негэнтропия является необходимым условием существования направленных процессов и образования упорядоченных структур. Для того, чтобы не возникало противоречий между деятельностью человека и объективными тенденциями развития материального мира, человек должен научиться правильному использованию запасов негэнтропии. А эта задача связана, прежде всего, с оптимальным выбором источников энергии.

В течение долгого времени традиционные источники негэнтропии – непосредственно солнечное излучение и его опосредованные формы: падающая вода, сила ветра приливов и отливов, природные топлива – поставляли человеку все необходимые для определенного уровня развития общества блага. Оптимальное расстояние от Земли до Солнца – этого гигантского термоядерного реактора обусловило возникновение и развитие жизни на нашей планете.

Обычно показателем технического развития общества служит количество потребляемой в единицу времени (обычно за год) энергии DE(t). Однако, из вышесказанного следует, что правильнее было бы оценивать потребление негэнтропии, исходя из реально возможных запасов негэнтропии. Это означает, что необходимо использовать объективные критерии научно-технического прогресса наряду со степенью истощения природных ресурсов и загрязнения ОС.

Из второго начала термодинамики следует, что любая машина теряет энергию, однако, можно использовать наиболее эффективные источники энергии, например, гравитационную энергию (энергия приливов, водопадов) для преобразования ее в электрическую. ( В настоящее время доля этих источников энергии в экономике индустриально развитых стран не превышает 8%). Хотя процесс деградации энергии неизбежен, 2-е начало не запрещает с помощью внешней работы преобразовывать продукты деградации в менее опасные. При этом возникает потребность в разработке и строительстве специальных устройств для переработки отходов, при этом важную роль должна сыграть информация, которая поддается преобразованию и «усилению». Дело в том, что даже деградированные формы массы (вещества – побочных продуктов, продуктов разложения) и энергии могут принять участие в процессах по организации информации. Примером такого организующего эффекта деградированных форм энергии и массы является генетическая мутация, получившая название «индустриальный меланизм». В загрязненной среде мутанты обладают наибольшими шансами на выживание. Загрязнение изменило характер многих экосистем, распределение живых организмов стало зависеть от характера загрязнения, а это тоже информация. Проблема в том, как оптимально использовать эти явления и управлять ими. В настоящее время информационный подход эффективно используется в системе экологического мониторинга – автоматизированного слежения и контроля параметров окружающей среды.

Роль информатизации общества. Энергетические затраты на производство информации невелики по сравнению с выигрышем, получаемым в энерго- и материалоемких процессах, управляемых с ее помощью. Это ярко проявляется в ходе так называемой информационной революции нашего времени. Так всего за три десятилетия быстродействие ЭВМ выросло более чем в 200 раз и продолжает расти, на несколько порядков вырос объем машинной памяти, причем предел эффективности ЭВМ еще далеко не достигнут. В то же время, не оправдались надежды на переход к так называемым безбумажным технологиям благодаря введению электронного документооборота. Наоборот, во всем мире расход бумаги резко возрос, что, безусловно, усиливает негативные воздействия на окружающую среду.

Разнообразие и устойчивость. Для самопроизвольно развивающейся экологической системы существует тенденция к усложнению, к вытеснению низкоорганизованных видов высокоорганизованными. Это проявляется в виде экологической сукцессии: пустое поле зарастает сначала сорняком, потом – цветами, кустарниками, деревьями, которые становятся все более разнообразными по видам. Система стремится к своему наиболее зрелому состоянию – климаксу. Экосистемы приобретают более длинные цепи питания, и взаимосвязи внутри системы усиливаются. Энергия в таких системах используется наиболее эффективно, так как все составляющие ее части оптимально «подогнаны» друг к другу. Таким образом, наиболее устойчивы те системы, которые состоят из максимального числа видов. Это относится и к человеческому обществу, разнообразие которого – залог его устойчивости и развития [2].

Контрольные вопросы

1. Когда начали формироваться представления о биосфере?
2. Кто автор термина «биосфера»?
3. Что такое биосфера?
4. Чем ограничена биосфера?
5. Что изучает экология?

6. Что такое трофическая цепь?
7. Поясните роль продуцентов, консументов и редуцентов в экологической системе.
8. Что такое экологический фактор. На какие категории они подразделяются?
9. Перечислите основные абиотические факторы.
10. Перечислите основные биотические факторы.

11. Назовите и объясните основные типы взаимоотношений между животными в биоценозе.
12. Сформулируйте закон Либиха.
13. Что такое лимитирующие факторы? Поясните.
14. Дайте определение экологической ниши.
15. Назовите основные глобальные экологические проблемы.

16. Что такое «парниковый эффект» и что является его причиной?
17. Какова роль озонового слоя?
18. В чем заключается опасность хлорфторуглеводородов?
19. Опишите кратко механизм образования «кислотных дождей».
20. В чем заключается опасность вырубки влажных тропических лесов?

21. Объясните понятие «ноосферы».
22. Как объяснить загрязнение ОС с позиций термодинамики?
23. Может ли деградированная энергия стать источником организации информации? Поясните.
24. Что является главным источником негэнтропии на Земле?
25. Как связаны разнообразие в экологической системе и ее устойчивость?

Литература

1.      Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
3. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. М.: Высшая школа, 1988.

Лекция 22. Основные концепции и перспективы биотехнологии

1. Микробиология 2. Инженерная энзимология 3. Перспективы биотехнологии и проблемы биологической безопасности. Биоэтика. 3.1. Генная и клеточная инженерия 3.2. Евгеника 3.3. Клонирование 3.4. Расшифровка генома человека 3.5. Биоэтика Контрольные вопросы Литература

1. Микробиология

Микробиология - это наука, изучающая микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы, водоросли) - х систематику, морфологию, физиологию, биохимию, наследственность и изменчивость, распространение и роль в круговороте веществ в природе, практическое значение.
Возникновение и развитие микробиологии. Начало микробиологии связывают с именем голландского исследователя А. Левенгука (16321723), который впервые увидел бактерии и дрожжи, рассматривая с помощью изготовленных им микроскопов зубной налёт, растительные настои, пиво и т.д. Однако, подлинным творцом микробиологии как науки был Л. Пастер, выяснивший роль микроорганизмов в брожении (виноделие, пивоварение) и в возникновении болезней животных и человека. Исключительное значение для борьбы с заразными болезнями имел предложенный Пастером метод предохранительных прививок, основанный на введении в организм животного или человека ослабленных культур болезнетворных микроорганизмов. Задолго до открытия вирусов Пастер предложил прививки против вирусной болезни - бешенства. Работы Пастера послужили научной основой стерилизации хирургических инструментов и перевязочных материалов, приготовления консервов, пастеризации пищевых продуктов и т.д. Идеи Пастера о роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе были развиты основоположником общей микробиологии в России С. Н. Виноградским, открывшим хемоавтотрофные микроорганизмы, которые усваивают углекислый газ атмосферы за счёт энергии окисления неорганических веществ и бактерии, разлагающие целлюлозу в аэробных условиях. В развитии медицинской микробиологии важная роль принадлежит Р. Коху, открывшему возбудителей туберкулёза и холеры и предложившему плотные питательные среды для выращивания микроорганизмов. Существенный вклад в развитие медицинской микробиологии и иммунологии внесли Э. Беринг (Германия), Э. Ру (Франция), С. Китазато (Япония), а в России и СССР - И. И. Мечников, Л. А. Тарасевич, Д. К. Заболотный, Н. Ф. Гамалея.

Развитие микробиологии и потребности практики привели к обособлению ряда разделов микробиологии в самостоятельные научные дисциплины, в частности, такие как:

1. Общая микробиология изучает фундаментальные закономерности биологии микроорганизмов.

2. Техническая, или промышленная микробиология, задачей которой является изучение и осуществление микробиологических процессов, применяемых для получения дрожжей, кормового белка, липидов, бактериальных удобрений, а также получение путём микробиологического синтеза антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот, нуклеотидов, органических кислот и т.п.

3. Сельскохозяйственная микробиология, которая выясняет состав почвенной микрофлоры, её роль в круговороте веществ в почве, а также её значение для структуры и плодородия почвы, влияние обработки на микробиологические процессы в ней, действие бактериальных препаратов на урожайность растений. В ее задачу входят также изучение микроорганизмов, вызывающих заболевания растений, и борьба с ними, разработка микробиологических способов борьбы с насекомыми - вредителями, методов консервирования кормов, мочки льна, предохранения урожая от порчи, вызываемой микроорганизмами.

4. Геологическая микробиология, объектом изучения которой является роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе, в образовании и разрушении залежей полезных ископаемых. Результатом прикладных исследований в этой области являются методы получения (выщелачивания) из руд металлов (медь, германий, уран, олово) и др. ископаемых с помощью бактерий.

5. Водная микробиология изучает количественный и качественный состав мик- офлоры солёных и пресных вод и её роль в биохимических процессах, протекающих в водоёмах, осуществляет контроль за качеством питьевой воды, совершенствует микробиологические методы очистки сточных вод.

6. Медицинская микробиология исследует микроорганизмы, вызывающие заболевания человека, и разрабатывает эффективные методы борьбы с ними.

Следует отметить, что если ранее к объектам изучения микробиологии относили также и вирусы, то в настоящее время своеобразие строения и размножения вирусов, а также применение специальных методов их исследования привели к возникновению вирусологии как самостоятельной науки, не относящейся к микробиологии.
В наши дни микробиология бурно развивается. Существуют три основных причины такого развития:
· благодаря успехам физики, химии и техники микробиология получила большое число новых методов исследования
· начиная с 40х гг. 20 в. резко возросло практическое применение микроорганизмов.
· микроорганизмы стали использовать для решения важнейших биологических проблем, таких, как наследственность и изменчивость, биосинтез органических соединений, регуляция обмена веществ и др.

Успешное развитие современной микробиологии невозможно без гармонического сочетания исследований, проводимых на популяционном, клеточном, органном и молекулярном уровнях. Для исследования морфологии и цитологии микроорганизмов разработаны новые виды микроскопической техники. Так, в СССР был изобретён метод капиллярной микроскопии, позволивший открыть новый, ранее не доступный для наблюдения мир микроорганизмов, обладающих своеобразной морфологией и физиологией.

Для изучения обмена веществ и химического состава микроорганизмов получили распространение различные методы физикохимической биологии: хроматографии, массспектрометрия, метод изотопных индикаторов, электрофорез. С помощью электронного микроскопа стало возможным изучение тонких особенностей строения цитоплазматических мембран и рибосом, их состава и функций (например, роль цитоплазматических мембран в процессах транспорта различных веществ или участие рибосом в биосинтезе белка).

Широкое распространение получило непрерывное культивирование микроорганизмов, основанное на постоянном притоке свежей питательной среды и оттоке жидкой культуры. Установлено, что наряду с размножением клеток (ростом культуры) происходит развитие культуры, т. е. возрастные изменения у клеток, составляющих культуру, сопровождающиеся изменением их физиологии. Примером может служить тот факт, молодые клетки, даже интенсивно размножаясь, не способны синтезировать многие продукты жизнедеятельности, например ацетон, бутанол, антибиотики, образуемые более старыми культурами. Современные методы изучения физиологии и биохимии микроорганизмов дали возможность расшифровать особенности их энергетического обмена, пути биосинтеза аминокислот, многих белков, антибиотиков, некоторых липидов, гормонов и др. соединений, а также установить принципы регуляции обмена веществ у микроорганизмов.

Практическое значение микробиологии. В настоящее время весьма велика роль прикладных исследований в области микробиологии. Еще в глубокой древности, за несколько тыс. лет до возникновения микробиологии как науки человек, не зная о существовании микроорганизмов, широко применял их для приготовления кумыса и др. кисломолочных продуктов, получения вина, пива, уксуса, при силосовании кормов, мочке льна.
Микроорганизмы играют важнейшую роль в плодородии почв, в продуктивности водоёмов, в образовании и разрушении залежей полезных ископаемых. Особенно важна способность микроорганизмов минерализовать органические остатки животных и растений. Всё возрастающее применение микроорганизмов в практике привело к возникновению микробиологической промышленности и к значительному расширению микробиологических исследований в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. С середины 19 в. до 40х гг. 20 в. техническая микробиология в основном изучала различные брожения, а микроорганизмы использовались преимущественно в пищевой промышленности. С 40х гг. быстро развиваются новые направления технической микробиологии, которые связаны с появлением нового поколения оборудования и аппаратуры. Выращивание микроорганизмов стали проводить в закрытых ферментёрах большой ёмкости, совершенствовались методы отделения клеток микроорганизмов от культуральной жидкости, выделения из последней и химической очистки их продуктов обмена.

Одним из первых возникло и развилось производство антибиотиков. В широких масштабах микробиологическим путём получают аминокислоты (лизин, глутаминовая кислота, триптофан и др.), ферменты, витамины, а также кормовые дрожжи на непищевом сырье (сульфитные щелока, гидролизаты древесины, торфа и сельскохозяйственные растительные отходы, углеводороды нефти и природного газа, фенольные или крахмалсодержащие сточные воды и т.д.). Осуществляется получение микробиологическим путём полисахаридов и осваивается промышленный биосинтез липидов.
Резко возросло применение микроорганизмов в сельском хозяйстве. Увеличилось производство бактериальных удобрений, в частности нитрагина, приготовляемого из культур клубеньковых бактерий, фиксирующих азот в условиях симбиоза с бобовыми растениями, и применяемого для заражения семян бобовых культур. Новое направление сельскохозяйственной микробиологии связано с микробиологическими методами борьбы с насекомыми и их личинками - вредителями сельскохозяйственных растений и лесов. Найдены бактерии и грибы, убивающие своими токсинами этих вредителей, освоено производство соответствующих препаратов.
Высушенные клетки молочнокислых бактерий используют для лечения кишечных заболеваний человека и сельскохозяйственных животных.
Известно, что деление микроорганизмов на полезных и вредных условно, т.к. оценка результатов их деятельности зависит от условий, в которых она проявляется. Так, разложение целлюлозы микроорганизмами важно и полезно в растительных остатках или при переваривании пищи в пищеварительном тракте (животные и человек не способны усваивать целлюлозу без её предварительного гидролиза микробным ферментом целлюлазой). В то же время эти же микроорганизмы разрушают рыболовные сети, канаты, картон, бумагу, книги, хлопчатобумажные ткани и т.д. Даже болезнетворные микроорганизмы не могут быть отнесены к абсолютно вредным, т.к. из них приготовляют вакцины, предохраняющие животных или человека от заболеваний.
Микроорганизмы используются, когда возникает необходимость ускорить разложение определённых химических веществ, например пестицидов, в почве. Велика роль мик- оорганизмов при очистке сточных вод (минерализация веществ, содержащихся в сточных водах).

2. Инженерная энзимология

Инженерная энзимология - это новое научнотехническое направление, появление которого связано с необходимостью интенсификации биотехнологических процессов.
Задачи инженерной энзимологии - конструирование органических катализаторов (энзимов) с заданными свойствами на основе ферментов и полиферментных систем, выделенных из клеток или находящихся в них.
Термин "заданные свойства" имеет в виду, что эти свойства задаются практическими потребностями в данном катализаторе, условиями проведения ферментативного процесса, специфичностью, необходимой производительностью и т.д.
Инженерная энзимология основана на принципах органического и ферментативного катализа, химической технологии, биотехнологии и биохимии и со времени своего зарождения целиком обращена к практике.
Хотя основная направленность современной инженерной энзимологии - спользование каталитической активности иммобилизованных (см. ниже) ферментов и клеток, ее рамки гораздо шире. Цель этой дисциплины - ботка научных основ применения ферментных катализаторов для создания новых биотехнологических производств, новых методов в диагностике и терапии, органическом синтезе и др., а также решение фундаментальных проблем энзимологии при помощи иммобилизованных ферментов.

Практические разработки в области инженерной энзимологии связаны с решением следующих задач:
· получением нового продукта;
· улучшением качества известного продукта;
· повышением экономичности биотехнологического процесса.

Иммобилизованные ферменты.

Ферменты в качестве биологических катализаторов применяются в различных отраслях промышленности - щевой, текстильной, фармацевтической, кожевенной, в медицине, сельском хозяйстве, в тонком органическом синтезе и т.д. Более широкое использование ферментов в биотехнологии до последнего времени сдерживалось вследствие ряда причин, а именно:
· трудоемкости отделения ферментов от исходных реагентов и продуктов реакции;
· нестабильности ферментов при хранении и при действии различных факторов;
· высокой стоимости чистых ферментных препаратов.

Создание биокатализаторов нового поколения - ммобилизованных, т.е. связанных ферментов открыло перед прикладной энзимологией новые перспективы.
Иммобилизация фермента - это методический прием, при котором молекулу биокатализатора включают в какуюлибо фазу, отделенную от фазы свободного раствора, но способную обмениваться с ней молекулами субстрата, эффектора или ингибитора. В качестве такой фазы может применяться, например, уголь (это установлено еще в 1916 г. Дж. Нельсоном и Е. Гриффином). В 1959 г. был применен принципиально новый методический прием - ковалентное связывание. С этого времени и ведется целенаправленная разработка гетерогенных катализаторов на основе ферментов.
Иммобилизованные ферменты имеют существенные преимущества. Так, например, они легко отделимы от реакционной среды. Это дает возможность остановить реакцию в любой момент, получить продукт, незагрязненный катализатором, и использовать ферментный препарат многократно. Иммобилизованные ферменты технологичны, что определяется возможностью вести биотехнологический процесс непрерывно и регулировать скорость катализируемой реакции и выход продукта путем изменения скорости протока. Подбором соответствующих носителей и методов иммобилизации можно целенаправленно модифицировать такие свойства ферментов, как специфичность, рН- температурозависимость, а также стабильность фермента при денатурирующих воздействиях.
Успешное использование иммобилизованных ферментов в значительной мере определяется выбором подходящего сочетания носителя и метода иммобилизации, а также знанием кинетики реакций с участием таких катализаторов.

Применение иммобилизованных ферментов.

Иммобилизованные ферменты можно использовать, главным образом, в трех направлениях:

1. Анализ различных веществ, в качестве лечебных средств и биокатализато- ов для использования в биотехнологических производствах.

2. Лечебные средства. Такие средства применяются либо в том случае, когда необходимый фермент отсутствует в тканях, вследствие генетических или других нару- ений, либо в качестве агентов, разрушающих нежелательные компоненты, например, мочевину. Использование чужеродных (бактериальных) ферментов зачастую нежелательно, вследствие того, что они могут стать причиной аллергических реакций и, кроме того, они крайне неустойчивы. Иммобилизация позволяет обойти эти барьеры, так как она повышает стабильность фермента и препятствует его взаимодействию с иммунной системой макроорганизма. Например, в аппарате "искусственная почка", предназначенном для освобождения крови от различных шлаков, в том числе и мочевины, путем ультрафильтрации, используется колонка с иммобилизованной уреазой. Ферменты применяют в лечебных целях и тогда, когда они необходимы, но по причине различных патологических процессов отсутствуют, например, для растворения кровяных тромбов.

3. Применение в различных производствах. Иммобилизованные ферменты широко используются в бумажной, текстильной, химической и фармацевтической промышленности, а также для обработки сточных вод.

3. Перспективы биотехнологии и проблемы биологической безопасности. Биоэтика

3.1. Генная и клеточная инженерия

Двадцать первый век часто называют веком биологии, имея в виду, что прикладное значение открытий, сделанных за последние десятилетия в биологии, и, в первую очередь, в таких науках как генетика и молекулярная биология. Последние, в свою очередь, являются теоретической основой для таких прикладных дисциплин как генная и клеточная инженерия.
Генная инженерия, или технология рекомбинантных ДНК - это изменение с помощью биохимических и генетических методик хромосомного материала - основного наследственного вещества клеток. Известно, что хромосомный материал состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Биологи изолируют те или иные участки ДНК, соединяют их в новых комбинациях и переносят из одной клетки в другую. В результате удается осуществить такие изменения генома, которые естественным путем вряд ли могли бы возникнуть. Фактически генная инженерия занимается тем, что берет гены и части ДНК одного вида, например, рыбы, и пересаживает их в клетки другого, на- мер, помидора. Для этого генная инженерия располагает набором различных технологий для того, чтобы разрезать ДНК произвольно или в определенных участках гена. Выделив сегмент ДНК, можно его изучать, размножать или склеивать с ДНК других клеток и организмов. Генная инженерия позволяет преодолеть межвидовые барьеры и перемешивать информацию между абсолютно не связанными между собой видами.
В настоящее время научились уже переносить гены от одного животного к другому и от животного к растениям. Получены "трансгенные" мыши, свиньи, овцы, коровы и рыбы. ДНК можно прямо инъецировать в оплодотворенное яйцо вида- еципиента, или можно использовать в качестве переносчика вирус, который, проникнув в клетку, внесет с собой и нужный ген. Третий метод связан с использованием неспециализированных стволовых (т.е. родоначальных) клеток эмбриона. Гены вводят в стволовые клетки путем инъекции или с помощью вируса, и полученные в результате трансгенные клетки инъецируют другому зародышу, который включает эти чужие клетки в свои ткани. Гены человека вводили и в растения, например в табак, в надежде получить таким способом большие количества нужных белков, в частности антител и ферментов. В этих экспериментах перенос генов оказался довольно простым делом. Была придумана специальная "генная пушка", выстреливающая ДНК прямо в листья растений.
Практическое применение генной инженерии. Современные технологии позволяют синтезировать гены, и с помощью таких синтезированных генов, введенных в бакте- , получают ряд весьма важных биологических веществ. Их производство составило важную отрасль биотехнологии.
Методом генной инженерии уже получен уже ряд препаратов, в том числе инсулин человека и противовирусный препарат интерферон. И хотя эта технология еще только разрабатывается, она сулит достижение огромных успехов и в медицине, и в сельском хозяйстве. В медицине, например, это весьма перспективный путь создания и производства вакцин. В сельском хозяйстве с помощью рекомбинантной ДНК могут быть получены сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомымвредителям и гербицидам.
Интерферон - белок, синтезируемый организмом в ответ на вирусную инфекцию, изучают сейчас как возможное средство лечения рака и СПИДа. Понадобились бы тысячи литров крови человека, чтобы получить такое количество интерферона, какое дает всего один литр бактериальной культуры. Ясно, что выигрыш от массового производства этого вещества очень велик. Очень важную роль играет также получаемый на основе микробиологического синтеза инсулин, необходимый для лечения диабета. Методами генной инженерии удалось создать и ряд вакцин, которые испытываются сейчас для проверки их эффективности против вызывающего СПИД вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). С помощью рекомбинантной ДНК получают в достаточных количествах и человеческий гормон роста, единственное средство лечения редкой детской болезни - гипофизарной карликовости.
Еще одно перспективное направление в медицине, связанное с рекомбинантной ДНК, - т.н. генная терапия. В этих работах, которые пока еще не вышли из экспериментальной стадии, в организм для борьбы с опухолью вводится сконструированная по методу генной инженерии копия гена, кодирующего мощный противоопухолевый фермент. Генную терапию начали применять также для борьбы с наследственными нарушениями в иммунной системе.
В сельском хозяйстве удалось генетически изменить десятки продовольственных и кормовых культур. В животноводстве использование гормона роста, полученного биотехнологическим путем, позволило повысить удои молока; с помощью генетически измененного вируса создана вакцина против герпеса у свиней.
Генная терапия. В последнее десятилетие в биомедицинскую практику вошло понятие генной терапии. Под генной терапией понимается комплекс методов, позволяющих вводить "лечебные" гены в клетки живого организма для компенсации существующих и профилактики возможных патологических процессов.
В настоящее время проводятся широкие клинические испытания генотерапевтических подходов в лечении таких заболеваний, как рак, иммунодефицит и др. Эту деятельность следует приветствовать и поддерживать, чтобы, если вы, к несчастью, не имеете "хороших" генов от рождения, в один прекрасный день смогли бы купить их в ближайшей аптеке [6].
Но есть и оборотная сторона медали. Несмотря на явную пользу от генетических исследований и экспериментов, само понятие "генная инженерия" породило различные подозрения и страхи, стало предметом озабоченности и даже политических споров. Мно- гие опасаются, например, что какойнибудь вирус, вызывающий рак у человека, будет введен в бактерию, обычно живущую в теле или на коже человека, и тогда эта бактерия будет вызывать рак. Возможно также, что фрагмент ДНК, несущий ген устойчивости к лекарственным препаратам, введут в пневмококк, в результате чего пневмококк станет устойчивым к антибиотикам и пневмония не будет поддаваться лечению. Такого рода опасности, несомненно, существуют.
В современной генной терапии в ряде случаев в качестве векторов для доставки генов используются модифицированные вирусы, которые в естественных условиях в ходе инфекции используют клетки организма для саморепликации, что в итоге приводит к раз- ушению зараженных клеток и высвобождению миллионов копий исходного вируса.

В естественных условиях борьбу с вирусами осуществляет система иммунитета, которая узнает зараженные клетки и уничтожает их еще до образования вирусного потомства. В генной терапии вирусы модифицируются таким образом, что они теряют способность к размножению в клетках организма. В их геноме исключается некоторый участок, существенный для репликации вируса. Вместо него вставляется "лечебный" ген. Такой вирус способен проникать в клетки и обеспечивать экспрессию гена, ответственно- го за терапевтический эффект, при этом не происходит размножения вируса и, следовательно, разрушения клетки. Тем не менее, иммунная система воспринимает такие клетки как чужеродные и уничтожает их. С этим связана одна из основных проблем современной генотерапии, так как для устойчивого терапевтического действия введенного гена необходима его длительная экспрессия. Поэтому усилия многих научных лабораторий направлены на преодоление этого иммунного барьера. С этой целью в геном вируса вводятся дополнительные гены, продукты которых обладают иммуносупрессивным, т.е. подавляющим иммунитет действием. Придание иммуносупрессивных свойств вирусным векторам также важно в генной терапии аутоиммунных заболеваний, в частности такого, как ревматоидный артрит.
Опасности генной терапии связаны с попаданием таких модифицированных вирусов в природную среду. При этом существует вероятность обмена генетической информации с вирусом дикого типа, что приведет к образованию нового вируса, способного разрушать клетки организма - вируса, который остается "невидимым" для иммунной системы. Если представить, что такой вирус будет передаваться воздушнокапельным путем, а симптомы будут проявляться только через период времени, в течение которого невозможно осуществлять тотальный карантин (например, один месяц), то последствия для человечества и биосферы могут стать катастрофическими.
Генетические исследования ведутся серьезными и ответственными учеными, а методы, позволяющие свести к минимуму возможность случайного распространения потенциально опасных микробов, все время совершенствуются. Оценивая возможные опасности, которые эти исследования в себе таят, следует сопоставлять их с подлинными трагедиями, вызванными недоеданием и болезнями, губящими и калечащими людей.

3.2. Евгеника

Развитие генетики привело к рождению "евгеники" - учения о средствах, путях и условиях изменения наследственности человека и создания более совершенных его ка- еств.
Понятие "евгеника" ввел в 1883 г. пионер математической статистики Фрэнсис Гальтон (18221911), применив идею отбора своего кузена Чарльза Дарвина к человеку. "Евгеника есть наука, которая занимается всеми влияниями, улучшающими качества расы", - сал он в книге "Исследования человеческой способности и ее развития", - говорил о расах животных, растений, особенно человека. Надо оговориться, что наукой евгеника все же не стала: она была движением, в том смысле, как мы говорим о зеленом или феминистическом движении, - ногда с сильным и качественным научным моментом В Британии евгеника дала основу математической генетике популяций, в России - основу генетике человека и медицинской генетике и косвенно экспериментальной генетике популяций. На основе положений евгеники в ряде стран, например, во Франции, проводились мероприятия, направленные на охрану материнства и детства. В то же время, именно "евгенисты" дали рациональное обоснование "акту Джонсона" - систскому закону США 1924 г. об ограничении иммиграции из Европы "низших рас", особенно цыган и ев- еев.
Следует отметить русское евгеническое движения, существовавшего в 19201930 гг. Обсуждение возможностей евгеники, совпавшее по времени со стартом и быст- ым развитием генетических исследований в России, шло в рамках мощных традиций русской медицины и биологии. Возглавлявшие движение видные российские биологи Ю.А. Филипченко (18821930) и Н.К. Кольцов (18721940) обладали достаточным влиянием для поддержания в этом движении высоких научных стандартов и этических норм. Ев- геническая программа Филипченко, включавшая изучение наследственности человека путем анкетных обследований, генетическое и евгеническое просвещение, подачу советов евгенического характера. В контексте сегодняшних представлений она должна быть определена как медико- генетическая программа.
Н.К.Кольцов широко понимал евгенику и включал в нее составление генеалогий, географию болезней, витальную статистику, социальную гигиену и ряд социологических тем, но прежде всего - нициированные и руководимые им исследования генетики психи- еских особенностей человека, типов наследования цвета глаз и волос, биохимических показателей крови и групп крови, роли наследственности в развитии эндемического зоба, обследование монозиготных близнецов. В евгенических докладах и статьях Кольцов постоянно подчеркивал роль биологического разнообразия и желательность разветвленных открытых полииерархических систем, биологических и социальных. Поэтому то, чем он занимался, говоря о евгенике, нельзя назвать собственно евгеникой (в указанном вы- е смысле). Напротив, у нас есть все основания утверждать, что Кольцов выдвинул программу исследований в области генетики человека.
В наши дни, в контексте проекта изучения генома человека и техники генной инженерии, позитивная евгеника получила иной смысл: предполагаемая (в будущем) пересадка генов ради повышения физических и умственных способностей, теперь уже любого человека. Отношение к перспективам новой позитивной евгеники стало одной из трех основных тем обсуждения на генетической части Симпозиума по социальным и этическим последствиям проекта "Геном человека" в Национальном институте здоровья США в 1991 г. Следует помнить о том, что осуществление подобных технологий пока весьма проблематично, так как механизмы включения генов у человека остаются загадкой. Известно, что сдвиг по одному наследственному признаку влечет за собой изменение широкого спектра коррелированных, т.е. связанных с ним признаков [7].
Таким образом, следует различать естественнонаучную основу евгеники, т.е. законы генетики и философскосоциологическую надстройку. Эта надстройка может быть как гуманистической, так и реакционной, антигуманной, обслуживающей идеи фашизма, расизма.

3.3. Клонирование

Проблема клонирования животных по своей сенсационности и социальной значимости стоит в настоящее время в центре внимания не только специалистов в области биологии, но и широкой общественности и постоянно освещается в средствах массовой информации. При этом чаще всего приходится встречаться как с неоправданным оптимизмом, так и с крайним пессимизмом и неприятием исследований в этой области. Как отмечает ряд авторов, и то и другое, в первую очередь обусловлено некомпетентностью лиц, представляющих в СМИ соответствующую информацию.
Прежде всего надо определить, что следует понимать под клонированием животных и что такое клон. По принятому в науке определению клонирование является точным воспроизведением того или иного живого объекта в какомто количестве копий. Эти копии и называются клоном. Вполне естественно, что все эти "копии" должны обладать идентичной наследственной информацией, т.е. нести идентичный набор генов. В ряде случаев получение клона животных не вызывает особого удивления и является рутинной процедурой, хотя и не такой уж простой. Генетики получают подобные клоны, когда используемые ими объекты размножаются посредством партеногенеза, т.е. бесполым путем, без предшествующего оплодотворения. Естественно, те особи, которые будут развиваться из потомков той или иной исходной половой клетки, будут в генетическом отношении одинаковыми и могут составить клон. У нас в стране, например, блестящие работы по клонированию такого рода выполняет на шелкопряде с помощью разработанной им специальной методики академик В.А. Струнников. Выведенные им клоны шелкопряда славятся на весь мир. В то же время ему удалось установить, что отдельные особи в пределах определенного клона не идентичны, но отличаются друг от друга, и порою весьма существенно. В ряде клонов это разнообразие бывает большим, чем в генетически разнообразных популяциях.
В эмбриологии тоже известны методы получения клонов. Если зародыша морского ежа на стадии раннего дробления искусственно разделить на составляющие его клетки - бластомеры, то из каждого разовьется целый организм. В ходе последующего развития зародышевые клетки теряют эту замечательную способность и становятся все более и более специализированными. Можно также использовать ядра так называемых стволовых эмбриональных клеток от какогонибудь конкретного раннего эмбриона, которые еще не являются очень специализированными (таковым будет их потомство). Эти ядра пересаживают в яйцеклетки, из которых удалено собственное ядро, и такие яйцеклетки, развиваясь в новые организмы, опятьтаки могут образовать клон генетически идентичных животных.
У человека известны случаи своеобразного "естественного" клонирования - это так называемые однояйцевые близнецы, которые возникают благодаря редко встречающемуся естественному разделению оплодотворенной яйцеклетки на два отделяющихся друг от друга и в последующем самостоятельно развивающихся бластомера. Такие близнецы (их принято называть монозиготными) очень похожи друг на друга, но не идентичны, т.е. точными копиями друг друга не являются!

Острые же споры и дискуссии вызывает клонирование другого рода, а именно получение ряда точных копий того или иного взрослого животного, "прославившегося" какимито своими выдающимися качествами (например, рекордные надои молока, высокий настриг шерсти и т.д.), а также ученого мужа или политика или артиста, особо ценного для человечества в силу его, скажем, гениальности. Вот тутто и возникают весьма и весьма большие сложности, включая этические и социальные проблемы, в которых следует разобраться.
Специалисты отмечают невозможность получения таких абсолютных копий по ряду причин. Дело в том, что В ходе индивидуального развития организма происходят изменения в его ядрах - одни гены активно работают, другие - не активны и "молчат". И чем организм более специализирован, чем выше ступенька эволюционной лестницы, на которой он стоит, тем эти изменения глубже и тем труднее обратимы. У некоторых организмов, например у известного кишечного паразита аскариды, генетический материал в будущих зародышевых клетках остается неизменным в ходе развития, а в других, соматических, клетках выбрасываются целые большие фрагменты ДНК - носителя наследственной информации. В красных кровяных шариках (эритроцитах крови) птиц ядра "сморщиваются" в маленький комочек и не "работают", а потому из эритроцитов млекопитающих, стоящих эволюционно выше птиц, вообще выбрасываются за ненадобностью. И, следовательно, встает вопрос: способны ли ядра соматических клеток полностью и эквивалентно заменить ядра зародышевых клеток в их функции обеспечения нормального развития зародыша?
Кроме того, условия развития зародыша в матке разных приемных матерей будут существенно различаться, а значит, и точных копий уже не будет получено! Но даже если все проблемы удастся решить и все трудности преодолены, клонирование человека абсолютно исключается.
Для того, чтобы получить положительный результат при клонировании человека (как и другого высшего животного) необходимо трансплантировать развивающиеся яйцеклетки с чужеродными ядрами нескольким тысячам приемных матерей, поскольку процент положительных исходов крайне низок и, скорее всего, его не удастся повысить. Что же будет с остальными зародышами? Большая часть погибнет в утробе матери или разовьется в уродов. Такая технология представляется преступной, а потому вполне естественно ожидать принятия закона, запрещающего такого рода исследования как в высшей степени аморальные.
Вместе с тем существует и другая точка зрения, которая была высказана в Декла- ции в защиту клонирования и неприкосновенности научных исследований, подписанной рядом крупнейших ученых, общественных деятелей и писателей, среди которых Френсис Крик, лауреат Нобелевской премии по физиологии, США, Хосе Дельгадо, директор Центра нейробиологических исследований, Испания, Херберт Хауптман, лауреат Нобелевской премии, профессор биофизических наук, США, Сергей Капица, заведующий кафедрой, МФТИ, Россия, Таслима Насрин, писатель, врач, социальный критик, Бангладеш, Симона Вейль, бывший президент Европейского парламента, Франция, Курт Воннегут, писатель, США и др. в 1998 г.
В Декларации признается, что клонирование высших животных действительно ставит этические проблемы. Поэтому необходимо разработать соответствующие директивы, которые позволят предотвратить злоупотребления, в то же время сделав максимально доступными выгоды клонирования. Эти директивы должны как можно больше учитывать автономию и выбор каждого отдельного человека. Необходимо также предпринять все меры, чтобы сохранить свободу и неприкосновенность научных исследований.
В Декларации говорится также и о том, что моральные проблемы, порождаемые клонированием, не крупнее и не глубже тех, с которыми люди уже сталкивались по поводу таких технологий, как ядерная энергия, рекомбинантная ДНК или компьютерное моделирование. Они просто новые. Какие же моральные проблемы может породить клонирование человека? Некоторые религии учат, что человеческие существа фундаментально отличны от других млекопитающих - то божество наделило людей бессмертными душами, придав им ценность, не сравнимую с ценностью других живых существ. Утверждается, что природа человека уникальна и священна. Научные достижения, которые могут изменить эту "природу", встречают гневный протест.
Вместе с тем, насколько может судить научная мысль, вид Homo sapiens принадлежит к царству животных. Богатство мыслей, чувств, упований и надежд человечества возникает, по всей видимости, из электрохимических процессов в мозге, а не из нематериальной души, способы действия которой не может обнаружить ни один прибор. Теперь же существует вполне реальная опасность приостановки исследований, несущих огромные потенциальные блага, исключительно из- х конфликта с религиозными верованиями некоторых людей. Важно понять, что подобные религиозные возражения уже возникали по поводу вскрытия людей, анестезии, искусственного оплодотворения и всей генетической революции наших дней - , тем не менее, каждое из этих достижений принесло огромные блага. Тот взгляд на природу человека, который коренится в мифическом прошлом человечества, не должен быть нашим главным критерием при принятии моральных решений о клонировании.
В Декларации подчеркивается, что в клонировании высших животных, исключая человека, не содержится какихлибо неразрешимых этических дилемм. Не является очевидным и также и то, что будущие достижения в клонировании человеческих тканей и даже человеческих существ создадут моральные затруднения, которые не сможет разрешить человеческий разум.
Российское законодательство также устанавливает весьма жесткие ограничения на использование человеческого материала. Так, в предлагаемой медиками поправке к проекту "Закона о репродуктивных правах граждан и гарантиях их осуществления" содержится такай пункт: "Человеческий эмбрион не может быть целенаправленно получен или клонирован в научных, фармакологических или лечебных целях".
Всемирная организация здравоохранения /ВОЗ/ также негативно относится к клонированию собственно человека. Генеральный директор ВОЗ Хироси Накадзима считает, что "использование клонирования для производства человека неприемлемо с этической точки зрения". Специалисты ВОЗ исходят из того, что применение метода клонирования к людям нарушило бы такие фундаментальные принципы медицинской науки и права, как уважение человеческого достоинства и безопасность человеческого генетического потенциала.
Вместе с тем ВОЗ не против исследований в области клонирования клеток, поскольку это могло бы принести пользу, в частности, для диагностики и изучения рака. Не возражают медики и против клонирования животных, которое может содействовать изу- ению болезней, поражающих людей. При этом ВОЗ считает, что хотя клонирование животных способно принести существенные выгоды медицине, нужно быть все время на- еку, помня о возможных негативных последствиях - таких, например, как перенос заразных болезней от животных человеку.

3.4. Расшифровка генома человека

Программа "Геном человека" существует и финансируется в России с 1989 года. Несмотря на серьезные экономические трудности, работы в этой области продолжаются и поныне. В США, которые осуществляют большую часть проводимых исследований по проекту "Геном Человека", финансирование началось с 1990 года. Помимо США и России в реализации проекта участвуют научные центры Западной Европы, Японии и некоторых других стран. Задача проекта заключается в том, чтобы установить последовательность около 80000 генов и трех миллиардов нуклеотидов, из которых состоит ДНК человека.
Реализация проекта имеет серьезное значение для фундаментальной науки, поскольку значительно углубит знания об организации и функционировании генетического аппарата человека. Зная сходство и различие в строении ДНК человека и приматов, можно будет более точно реконструировать процесс антропогенеза. Трудно переоценить его значение для медицинской практики. Уже сейчас разработаны десятки и еще больше на подходе новых тестов для ДНКдиагностики наследственных болезней человека. Отмечу, что, например, внедрение тестов, выявляющих болезнь Тей Сакса, снизило рождаемость детей с этой патологией в США более чем на 90%.
Определение локализации и физической структуры генов, ответственных за возникновение тех или иных генетических нарушений человека, открывает возможности для исправления наследственного материала методами генетической терапии.
Следует также отметить, что осуществление проекта "Геном человека" сопряжено с революционным преобразованием молекулярнобиологических технологий, которые впоследствии могут найти применение в диагностике и коррекции генетически детерминированных заболеваний, а также в промышленных биотехнологиях. Уже сейчас растет число частных фирм, которые вкладывают значительные ресурсы в развитие геномных исследований, предполагая получить грандиозные прибыли.
Академик А.А.Баев писал: "...геном человека - это уже не только фундаментальная научная проблема, но и крупное социальное явление, как финансовое, так и производственное. Изучение генома достигло такого состояния, что и гуманитарии, занимающиеся вопросами философии, социологии, права, и религиозные деятели, и вообще общественность должны, наконец, вплотную заняться вопросами биоэтики (см. ниже)".

3.5. Биоэтика

Формирование биоэтики обусловлено прежде всего теми грандиозными изменениями, которые произошли в технологическом перевооружении современной медицины, кардинальными сдвигами в медикоклинической практике, которые нашли свое выражение в успехах генной - нженерии, трансплантации органов, биотехнологии, поддержании жизни пациента. Все эти процессы невиданным образом обострили моральные проблемы, встающие перед врачом, перед родственниками больных, перед медицинским персоналом. Существуют ли пределы и каковы они в поддержании жизни смертельно больного человека? Допустима ли эвтаназия? С какого момента следует считать наступление смерти? С какого момента зародыш можно считать живым существом? Допустимы ли аборты? Или аборты есть убийство живых существ? Таковы лишь некоторые из тех вопросов, которые встают перед врачом, да и перед широкой общественностью в условиях невиданного технологического оснащения современной медицины в развитых странах
Биоэтика как исследовательское направление междисциплинарного характера сформировалось в конце 60х - начале 70х гг. Термин "биоэтика" предложен В. Р. Поттером в 1969 г. Трактовка ее весьма разнородна. Прежде всего биоэтику пытаются отождествить с биомедицинской этикой, ограничив ее содержание этическими проблемами отношений "врач - циент". Существует и более широкое понимание биоэтики, включающее в себя. ряд аксиологических (ценностных)проблем профессиональной деятельности, смежной с врачебной, ряд социальных проблем, связанных с системами здравоохранения и, наконец, проблем, относящихся к отношению человека к животным и растениям. Кроме того, термин "биоэтика" указывает на то, что она ориентируется на исследования живых существ. Иными словами, биоэтика ориентируется на достижения современной биологии при обосновании или решении моральных проблем, возникающих в ходе научных исследований.
Несмотря на то, что биоэтика, как было сказано выше, оформилась как научное направление во второй половине 20 века, проблемы, которые она рассматривает, изначально составляли основу русской философской мысли.
Так начале 20- го века известный русский революционер П. А. Кропоткин разрабатывает этику альтруизма. Этику, по его мнению, необходимо обосновать научно, т. е. построить на базе естествознания, в частности, теории эволюции Дарвина. Высоко оценивая значение теории Дарвина, П. А. Кропоткин решительно критикует ее основной принцип - нцип борьбы за существование. Его необходимо дополнить принципом взаимной помощи как одним из важнейших факторов эволюционного процесса. Это означает, что корни нравственности - в инстинкте общительности, уже изначально существующем в органической природе. Природа называется Кропоткиным первым учителем этики, нравственным началом этики. Поэтому в работах Кропоткина - "Взаимная помощь как фактор эволюции", "Этика" много внимания уделено описанию различных форм взаимопомощи в животном мире, для того чтобы показать, как этические нормы укоренены в природном мире, истоки альтруизма - в инстинкте общительности и взаимопомощи, присущих уже животным. Позднее эти идеи нашли свои подтверждение в работах этологов К. Лоренца, Д.П. Филатова и др.
В сороковых годах 20- го столетия выдающийся советский биолог Д. П. Филатов начинает писать работу "Норма поведения, или мораль с естественно- сторической точки зрения". Увязывая этику с теорией эволюции и этологией, Филатов проводил мысль, что человек на первых фазах эволюции унаследовал от животного мира норму оборонительного поведения, эгоистическо- нстинктивное начало в поведении. Эгоизм первичен в жизни животных. Эта фаза в эволюции человека подчинена законам естественного отбора, действие которых в последующем ослабляется. В соответствии с этим уменьшается и жизненное значение эгоизма и увеличивается роль людей, для которых характерны любовь к жизни и природе в целом. Для морали будущего, по мнению Филатова, как раз и будет характерно повышение антиэгоистических норм морали и поведения людей, которые "поступают так, как поступил бы заботливый хозяин жизни: ничего для себя и все - для окружающего. И так как они поступают так не в силу взятого на себя принципа, а в силу своего всеобъемлющего интереса к жизни, их удовлетворение постоянно". Они - "носители объединенной, спаянной в одно целое любви ко всему и живому и неживому". Обращает на себя внимание то, что Д. П. Филатов, сохраняя ориентацию на науку, пытается построить этику, выходящую за границы и натуралистической, и христианской этики. Свою этику он называет этикой любви к жизни.
Биоэтика, как и любое другое изобретение человеческого духа, не является некоей моральной панацеей. Нельзя думать, что она сможет дать решение всех рассматриваемых ею проблем. Поскольку ситуации, анализируемые биоэтикой, рождаются в сфере современных и перспективных биологических и медицинских научных исследований, в будущем ей, повидимому, должно уделяться все большее внимание. Одной из главных задач биоэтики должна стать попытка пробудить чувство ответственности за те социальные формы, в которой эти ситуации возникают и разворачиваются в современном обществе. Только в этом случае появится возможность движения к осуществлению оптимистическую концепции Вернадского о переходе биосферы в сферу разума, где решающую роль играет не только наука, но и этический разум объединенного человечества.

Контрольные вопросы

1. Что изучает микробиология?
2. Труды каких ученых лежат в основе микробиологии?
3. Назовите основные направления микробиологии.
4. Какие методы исследования используются в микробиологии?
5. В чем заключается практическое значение микробиологии?
6. Что такое инженерная энзимология?
7. Что такое иммобилизованный фермент?
8. Каково практическое значение инженерной энзимологии?
9. Что составляет объект исследований генной инженерии?
10. Объясните понятие "трансгенный".
11. Что такое стволовые клетки?
12. Каково практическое значение генной инженерии?
13. Что такое генная терапия?
14. В чем видится опасность генной инженерии и генной терапии?
15. Что такое евгеника? Когда она возникла?
16. Что составляет естественнонаучную основу евгеники?
17. Дайте характеристику российскому евгеническому движению.
18. Что такое позитивная евгеника?
19. Что составляет философскосоциологическую надстройку евгеники?
20. Приведите примеры реакционной, расистской трактовки положений евгеники.
21. Каково, на ваш взгляд, будущее евгеники?
22. Поясните термины: клон, клонирование.
23. Что является признаком клона?
24. Какие методы получения клонов известны в настоящее время?
25. Что такое "естественное клонирование"?
26. Можно ли получить абсолютные копии организмов при клонировании? Поясните ваш ответ.
27. Почему клонирование высших животных и человека расценивается многими как аморальное?
28. Каково мнение ВОЗ о клонировании?
29. Назовите аргументы защитников клонирования.
30. Что вы думаете о целесообразности исследований в области клонирования? Сформулируйте ваши аргументы.
31. В чем заключается суть программы "Геном человека"?
32. В чем заключается практическая ценность программы "Геном человека"?
33. Поясните термин "биоэтика".
34. Чем обусловлено возникновение биоэтики?
35. В чем суть биоэтических концепций П.А. Кропоткина? Д.П. Филатова?
36. В чем состоят задачи современной биоэтики как междисциплинарного научного направления?

Литература

1. Большая Российская энциклопедия. - Russ Portal Company Ltd. Проект Рубрикон.
2. Жубанова А.А., Савицкая И.С. Инженерная энзимология. /Учебнометодическое пособие. - Изд. Казахского национального унта им. альФараби, 2001.
3. Корочкин Л.И. Клонирование животных: естественнонаучные и социальные проблемы. /Высокие технологии и современная цивилизация. Материалы научной конференции. Инт философии РАН, 1998.
4. Мадоян И.А. Этический фактор как обязательный компонент современных технологий в биоинженерии. /Высокие технологии и современная цивилизация. Материалы научной конференции. Инт философии РАН, 1998.

         Лекция 23. Принципы симметрии в научной картине мира

1. Понятие симметрии 2. Симметрия пространства – времени и законы сохранения 3. Симметрия и асимметрия живого 4. Нарушение симметрии как источник самоорганизации Контрольные вопросы Литература

1. Понятие симметрии

Одним из важных открытий современного естествознания является тот факт, что все многообразие окружающего нас физического мира связано с тем или иным нарушением определенных видов симметрий. Чтобы это утверждение стало более понятным, рассмотрим подробнее понятие симметрии.

«Симметричное обозначает нечто, обладающее хорошим соотношением пропорций, а симметрия – тот вид согласованности отдельных частей, который объединяет их в целое. Красота тесно связана с симметрией», - писал Г. Вейль в своей книге «Этюды о симметрии». Он ссылается при этом не только на пространственные соотношения, т.е. геометрическую симметрию. Разновидностью симметрии он считает гармонию в музыке, указывающую на акустические приложения симметрии.

Зеркальная симметрия в геометрии относится к операциям отражения или вращения. Она достаточно широко встречается в природе. Наибольшей симметрией в природе обладают кристаллы (например, симметрия снежинок, природных кристаллов), однако не у всех из них наблюдается зеркальная симметрия. Известны так называемые оптически активные кристаллы, которые поворачивают плоскость поляризации падающего на них света. [2].

В общем случае симметрия выражает степень упорядоченности какой-либо системы или объекта. Например, круг более упорядочен и, следовательно, симметричен, чем квадрат. В свою очередь, квадрат более симметричен, чем прямоугольник. Другими словами, симметрия – это неизменность (инвариантность) каких-либо свойств и характеристик объекта по отношению к каким-либо преобразованиям (операциям) над ним. Например, окружность симметрична относительно любой прямой (оси симметрии), лежащей в ее плоскости и проходящей через центр, она симметрична и относительно центра. Операциями симметрии в данном случае будут зеркальное отражение относительно оси и вращение относительно центра окружности.

В широком смысле симметрия – это понятие, отображающее существующий в объективной действительности порядок, определенное равновесное состояние, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность между частями целого.

Противоположным понятием является понятие асимметрии, которое отражает существующее в объективном мире нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между отдельными частями целого, связанное с изменением, развитием и организационной перестройкой. Уже отсюда следует, что асимметрия может рассматриваться как источник развития, эволюции, образования нового.

Симметрия может быть не только геометрической. Различают геометрическую и динамическую формы симметрии (и, соответственно, асимметрии).

К геометрической форме симметрии (внешние симметрии) относятся свойства пространства – времени, такие как однородность пространства и времени, изотропность пространства, эквивалентность инерциальных систем отсчета и т.д.

К динамической форме относятся симметрии, выражающие свойства физических взаимодействий, например, симметрии электрического заряда, симметрии спина и т.п. (внутренние симметрии). Современная физика, однако, раскрывает возможность сведения всех симметрий к геометрическим симметриям.

Калибровочные симметрии. Важным понятием в современной физике является понятие калибровочной симметрии. Калибровочные симметрии связаны с инвариантностью относительно масштабных преобразований. Сам термин «калибровка» происходит из жаргона железнодорожников, где он означает переход с узкой колеи на широкую. Под калибровкой, таким образом, первоначально понималось именно изменение уровня или масштаба. Так в СТО физические законы не изменяются относительно переноса (сдвига) системы координат. Траектории движения остаются прямолинейными, пространственный сдвиг остается одинаковым у всех точек пространства. Таким образом, здесь работают глобальные калибровочные преобразования.

Формы симметрии являются одновременно и формами асимметрии. Так геометрические асимметрии выражают неоднородность пространства – времени, анизотропность пространства и т.д. Динамические асимметрии проявляются в различиях между протонами и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях, различие между частицами и античастицами (по электрическому, барионному зарядам) и т.д. [3].

2. Симметрия пространства – времени и законы сохранения

Одной из важнейших особенностей геометрических симметрий является их связь с законами сохранения. Значение законов сохранения (законы сохранения импульса,  энергии, заряда и др.) для науки трудно переоценить. Дело в том, что понятие симметрии применимо к любому объекту, в том числе и к физическому закону. Вспомним, что согласно принципу относительности Эйнштейна, все физические законы имеют одинаковый вид в любых инерциальных системах отсчета. Это означает, что они симметричны (инвариантны) относительно перехода от одной инерциальной системы к другой.

Теорема Нетер. Наиболее общий подход к взаимосвязи симметрий и законов сохранения содержится в знаменитой теореме Э. Нетер. В 1918 г., работая в составе группы по проблемам теории относительности, доказала теорему, упрощенная формулировка которой гласит: если свойства системы не меняются относительно какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения. Рассмотрим переходы от одной инерциальной системы к другой. Поскольку есть разные способы таких переходов, то, следовательно, есть различные виды симметрии, каждому из которых, согласно теореме Нетер, должен соответствовать закон сохранения.

Переход от одной инерциальной системы (ИСО) к другой можно осуществлять следующими преобразованиями:

1. Сдвиг начала координат. Это связано с физической эквивалентностью всех точек пространства, т.е. с его однородностью. В этом случае говорят о симметрии относительно переносов в пространстве.

2. Поворот тройки осей координат. Эта возможность обусловлена одинаковостью свойств пространства во всех направлениях, т.е. изотропностью пространства и соответствует симметрии относительно поворотов.

3. Сдвиг начала отсчета по времени, соответствующий симметрии относительно переноса по времени. Этот вид симметрии связан с физической эквивалентностью различных моментов времени и однородностью времени, т.е. его равномерным течением во всех инерциальных системах –отсчета. Смысл эквивалентности различных моментов времени заключается в том, что все физические явления протекают независимо от времени их начала (при прочих равных условиях).

4. Равномерное прямолинейное движение начала отсчета со скоростью V, т.е. переход от покоящейся системы к системе, движущейся равномерно и прямолинейно. Это возможно, т.к. такие системы эквивалентны. Такую симметрию условно называют изотропностью пространства-времени. Переход же осуществляется с помощью преобразований Галилея или преобразований Лоренца.

(Важно отметить, что физические законы не являются симметричными относительно вращающихся систем отсчета. Вращение замкнутой системы отсчета можно обнаружить по действию центробежных сил, изменения плоскости качания маятника и др. Кроме того, физические законы не являются симметричными и относительно масштабных преобразований систем – т.н. преобразований подобия. Поэтому законы макромира нельзя автоматически переносить на микромир и мегамир.)

Описанные выше 4 вида симметрии являются универсальными. Это означает, что все законы Природы относительно них инвариантны с большой степенью точности, а соответствующие им законы являются фундаментальными.  К этим законам относятся соответственно:

1. Закон сохранения импульса как следствие однородности пространства.
2. Закон сохранения момента импульса как следствие изотропности пространства.
3. Закон сохранения энергии как следствие однородности времени.
4. Закон сохранения скорости центра масс (следствие изотропности пространства-времени).

Как уже было сказано ранее, описанные виды симметрий относятся к геометрическим. Связь с законами сохранения обнаруживают и динамические симметрии. С динамическими симметриями связан закон сохранения электрического заряда (при превращении элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной), закон сохранения лептонного заряда (при превращении элементарных частиц сумма разность числа пептонов и антилептонов не меняется) и т.д.

Так закон сохранения электрического заряда вытекает из электромагнитной калибровочной симметрии. Ее суть состоит в том, что при масштабных преобразованиях силовые характеристики электромагнитного поля (напряженность электрического поля   и индукция магнитного поля B остаются неизменными. Из этого закона вытекает, в частности, устойчивость электрона – самой мелкой фундаментальной заряженной частицы, способной существовать в свободном состоянии. (По современным данным время жизни электрона не менее 10¹⁹ лет).

При рассмотрении действия тех или иных фундаментальных законов не следует забывать, что каждому виду симметрии соответствует своя асимметрия. Асимметричные условия исключают наличие резкой грани между законами и условиями их действия. Поэтому содержание законов всегда должно включать определенные моменты асимметричных условий.

3. Симметрия и асимметрия живого

Мелкие организмы, взвешенные в воде, имеют почти шарообразную форму. У организмов, живущих в морских глубинах и подверженных высокому давлению воды, уже иная симметрия: у них вращательная способность свелась к отдельным поворотам вокруг некоторой оси. Филогенетическая эволюция стремилась вызывать наследственное различие между правым и левым, однако ее действие сдерживалось теми преимуществами, которое животное извлекало из зеркально-симметричного расположения своих органов. Этим, по-видимому, можно объяснить, почему наши конечности более подчиняются симметрии, чем наши внутренние органы. Так, расположение сердца и закручивание кишечника человека почти всегда левосторонее.

Современное естествознание пришло еще к одному важному открытию, связанному с симметрией и касающемуся отличия живого от неживого. Дело в том, что «живые» молекулы, т.е. молекулы органических веществ, составляющих живые организмы и полученные в ходе жизнедеятельности, отличаются от «неживых», т.е. полученных искусственно, отличаются зеркальной симметрией. Неживые молекулы могут быть как зеркально симметричны, так и зеркально асимметричны, как, например, левая и правая перчатка. Это свойства зеркальной асимметрии молекул называется киральностью, или хиральностью (<греч. cheiros – рука). Неживые киральные морекулы встречаются в Природе как в «левом» так и в «правом» варианте, т.е. они кирально нечистые. «Живые» молекулы могут быть только одной ориентации – «левой» или «правой», т.е. здесь говорят о киральной чистоте живого. Например, молекула ДНК, как известно, имеет вид спирали, и эта спираль всегда правая. У глюкозы, образующейся в организме – правовращающая форма, у фруктозы – левовращающая.

 Следовательно, важнейшая способность живых организмов - создавать кирально чистые молекулы. По современным представлениям именно киральность молекул определяет биохимическую границу между живым и неживым [1].

4. Нарушение симметрии как источник самоорганизации

Взаимосвязь симметрии и асимметрии рассматривается современной наукой в различных аспектах, охватывающих саморазвитие материи на всех ее структурных уровнях. Так современное синергетическое видение эволюции Вселенной основано на идее о т.н. спонтанном нарушении симметрии исходного вакуума. Под исходным вакуумом понимают состояние материи до Большого Взрыва, когда вся материя была представлена физическим вакуумом. В настоящее время считается, что истинный физический вакуум – это состояние материи с наименьшей энергией. Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума означает отход от общепринятого представления о вакууме как о состоянии, в котором значение энергии всех физических полей равно нулю. Здесь признается возможность существования состояний с наименьшей энергией при отличном от нуля значении некоторых физических полей и возникает представление о существовании вакуумных конденсатов – состояний с отличным от нуля средним значением энергии. Спонтанное нарушение симметрии означает, что при определенных макроусловиях фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости, а платой за устойчивое состояние является асимметричность вакуума. (Для такого вакуума введен термин «ложный вакуум»). В качестве наглядной иллюстрации можно привести пример со спонтанным нарушением вращательной симметрии (см. рис.1). Та же идея справедлива и в случае не вращательной, а калибровочной симметрии [4].

В качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, рассмотренный нами ранее, включает инфляционную стадию (раздувание) от «ложного вакуума» – вакуума, обладающего огромной энергией. Такой вакуум обладает стремление к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его расширение. «Ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, а следовательно, нестабильное состояние. В свете инфляционной теории эволюция Вселенной предстает как синергетический самоорганизующийся процесс. Если считать Вселенную замкнутой системой, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены как взаимодействие двух открытых подсистем – физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Согласно этой теории в процессе расширения из «суперсимметричного» состояния Вселенная разогрелась до температуры, соответствующей Большому Взрыву. Дальнейшее ее развитие по мере падения температуры пролегало через критические точки бифуркации (ветвления), в которых происходили спонтанные нарушения симметрий исходного вакуума. Схематично этот процесс представляется в следующем (весьма упрощенном!) виде:

1-я бифуркация: нарушение симметрии (тождества) между бозонами и фермионами привело к разделению материи на вещество и поле;

2-я бифуркация: нарушение тождества между кварками и лептонами; симметрия Вселенной нарушается до симметрии, отвечающей сильным взаимодействиям и симметрии, отвечающей электрослабым взаимодействиям; нарушается также симметрия между веществом и антивеществом: частиц вещества рождается больше, и вся наша Вселенная оказывается построенной из вещества;

3-я бифуркация: спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия, что обнаруживается нами в виде различия между электромагнитным и слабым взаимодействием.

4-я бифуркация: возникают протоны и нейтроны.

Дальнейшая эволюция Вселенной приводит к возникновению водорода, гелия, ионизованного газа, звезд, галактик и т.д.

Спонтанное нарушение симметрии вакуума выражается в том, что он отдает энергию на рождение микрообъектов, на приобретение их масс и зарядов, вследстве чего плотность энергии вакуума уменьшается.

Важным здесь является и то, что ход этой эволюции, выбор пути развития в моменты бифуркаций оказался именно таким, что в результате появилась именно такая Вселенная, какую мы наблюдаем, т.е. Вселенная, в которой оказалась возможной жизнь нашего типа и появление самого наблюдателя (т.н. антропный принцип).

Асимметрия и жизнь. Открытие киральной чистоты молекул биогенного происхождения проливает новый свет на возникновение жизни на Земле, которое могло быть вызвано спонтанным нарушением существующей до того зеркальной симметрии. Факторами возникновения асимметрии могли быть радиация, температура, давление, воздействие электромагнитных полей и др. Возможно, что жизнь на Земле зародилась в виде структур, схожих с генами современных организмов. Это мог быть акт самоорганизации материи в виде скачка, а не постепенной эволюции. В связи с этим говорят о Большом Биологическом Взрыве.

Исследования показывают, что в ходе развития жизни асимметрия все больше и больше вытесняет симметрию из биологических и химических процессов. Внешне симметричные полушария головного мозга различаются по своим функциям. Явно асимметричным признаком является разделение полов – достаточно «позднее приобретение» эволюции, причем каждый пол вносит в процесс воспроизведения свою генетическую информацию. Симметрия и асимметрия живого проявляются и в важнейших факторах эволюции. Так в устойчивости видов (наследственность) проявляется симметрия, а в их изменчивости – асимметрия [1].

Контрольные вопросы

1. Дайте различные толкования понятия «симметрия».
2. Что такое геометрическая симметрия (геометрическая форма симметрии)?
3. Что такое динамическая форма симметрии?
4. Что такое калибровочная симметрия?
5. Приведите упрощенную формулировку теоремы Нетер.

6. Перечислите виды переходов от одной ИСО к другой.
7. Чем обусловлена возможность перехода от одной ИСО к другой путем поворота системы координат?
8. С какой симметрией связан закон сохранения импульса?
9. С какой симметрией связан закон сохранения энергии?
10. С какой симметрией связан закон сохранения момента импульса?

11. С каким из законов сохранения связана электромагнитная калибровочная симметрия?
12. Как проявляются симметрия и асимметрия в мире живого?
13. Что такое киральная чистота живого?
14. Что такое «ложный» вакуум, чем он отличается от «истинного»?
15. Опишите кратко начальную стадию развития Вселенной с точки зрения нарушения исходных симметрий.
16. Как изменяется соотношение симметрии и асимметрии в процессе биологической эволюции?

Литература

1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
3. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания. Структурный курс основ естествознания. – М.: Учпедгиз, 1999.
4. Концепции современного естествознания./ под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. – Ростов н/Д: «Феникс», 1999.

     Лекция 24. Эволюционно-синергетическая парадигма

1. Концепция самоорганизации в науке 2. Основные понятия и принципы синергетики 2.1 Открытость, нелинейность, диссипативность.  2.2 Порядок и хаос  2.3 Бифуркации и параметры порядка  2.4 Фазовое пространство и аттракторы системы Контрольные вопросы Литература

1. Концепция самоорганизации в науке

 На предыдущих лекциях при рассмотрении самых различных вопросов из разных областей естествознания мы не раз обращались к понятию самоорганизация, которое неразрывно связано с понятием эволюции систем. Теперь возникает следующая проблема: каковы механизмы самоорганизации этих систем? Концепция самоорганизации в настоящее время приобретает все большее значения, становясь парадигмой исследования обширного класса систем и процессов, происходящих в них. В 70-х годах 20-го века возникла новая наука – синергетика,механизмы самоорганизации и развития. Областью ее исследований является изучение эволюции различных структур, относительная устойчивость которых поддерживается благодаря притоку энергии и вещества извне. В основе синергетики лежит, среди прочих, важное утверждение о том, что материальные системы могут быть закрытыми и закрытыми, равновесными и неравновесными, устойчивыми и неустойчивыми, линейными и нелинейными, статическими и динамическими. Принципиальная же возможность процессов самоорганизации обусловлена тем, что в целом все живые и неживые, природные и общественные системы являются открытыми, неравновесными, нелинейными.

Возникновение синергетики связано, в основном, с именами И. Пригожина - бельгийского физика и химика И.Пригожина, лауреата Нобелевской премии 1977 г., немецкого физика Г.Хакена, другого немецкого ученого М. Эйгена (вспомним его гиперциклы), а также наших отечественных ученых Б. Белоусова и Жаботинского.

И.Пригожин, разрабатывая современную термодинамику необратимых процессов (неравновесную термодинамику) открыл явление образования упорядоченных структур из хаотического, неупорядоченного состояния системы, т.е. самоорганизацию и сформулировал теорему о минимуме производства энтропии в стационарном неравновесном состоянии. К своим идеям он пришел, анализируя специфические химические реакции, которые впервые экспериментально были изучены Б. Белоусовым и А. Жаботинским. И. Пригожин со своими сотрудниками И.Стенгерс, Г.Николисом построили математическую модель таких реакций, а также показали, что в сильно неравновесных условиях может совершаться переход от беспорядка, теплового хаоса к порядку, организованности.

Г. Хакен, изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с греческого означает совместное действие, или взаимодействие, и хорошо передает смысл и цель нового подхода к изучению явлений.

М.Эйген доказал, что открытый Ч. Дарвином принцип отбора справедлив и на микроуровне, а генезиз (происхождение жизни есть результат процесса отбора, происходящего на молекулярном уровне. Он показал, что сложные органические структуры с адаптационными характеристиками возникают благодаря эволюционному процессу отбора на основе автокатализа.

2. Основные понятия и принципы синергетики

Порядок и хаос. В результате протекания процессов в изолированных системах сами системы переходят в состояние равновесия, которое соответствует максимальному беспорядку системы – равновесный тепловой хаос. Таким образом, самоорганизация, или эволюция в случае замкнутой системы приводит ее в состояние максимального беспорядка. В реальности, тем не менее, часто наблюдаются совершенно противоположные явления.

Уже теория Канта и Лапласа об образовании упорядоченной Солнечной системы из хаотических туманностей противоречила II началу термодинамики. Но особенно ярко проявилось противоречие II начала термодинамики с эволюционной теорией Дарвина. Ведь согласно ей, в мире живого естественно протекающие процессы ведут к усложнению форм и структур, к увеличению порядка, избавлению от хаоса и удалению от равновесия. Другими словами, самоорганизация в живой природе приводит систему к прямо противоположному состоянию, чем самоорганизация в неживых системах. Все это привело к появлению понятия открытой системы, которое и позволило устранить упомянутые противоречия.

Открытость систем.  Такие понятия как изолированная (закрытая) система, необратимые процессы являются идеализацией. При изучении обратимых процессов (например, качание маятника в вакууме при отсутствии трения) нет смысла говорить о направлении течения времени, т.к. прошлое, настоящее и будущее в этом случае не отличаются. Поэтому в уравнениях обратимых процессов время выступает всего лишь как параметр, который можно изменять. Но в реальности в случае с маятником всегда присутствует трение, колебания маятника будут затухающими, и прошлое, настоящее и будущее будут уже отличаться. Ранее уже говорилось о том, что необратимых процессов в живой природе эволюционным принципом стало II начало термодинамики, утверждающее, что энтропия изолированной системы возрастает. Именно рост энтропии устанавливает направление протекания процесса, т.е. «стрелу времени».

В своей книге «Что такое жизнь» выдающийся австрийский физик Э. Шредингер указал на то, что средство, при помощи которого организм поддерживает себя на достаточно высоком уровне упорядоченности, т.е. на достаточно низком уровне энтропии, в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды. Другими словами, организм извлекает из окружающей среды негэнтропию. Открытая система заимствует энергию и вещество из окружающей его среды и одновременно выводит в окружающую среду отработанное вещество и отработанную энергию. Вырабатывая и заимствуя энергию, открытая система производит энтропию, но она не накапливается в ней, а выводится в окружающую среду. С поступлением энергии и вещества в открытую систему ее неравновесность возрастает, разрушаются прежние связи между элементами и возникают новые, которые приводят к новой структуре, новым кооперативным процессам, т.е. к коллективному поведению ее элементов.

Нелинейность. Сложные системы являются нелинейными. Для их описания используются нелинейные математические уравнения, т.е. уравнения, в которых искомые величины входят в степенях больше единицы, в составе математических функций (тригонометрических, логарифмических и т.п.) или коэффициенты зависят от свойств среды и особенностей протекания процесса. Нелинейные уравнения могут иметь несколько качественно различных решений. Физически это означает возможность различных путей эволюции системы.

Диссипативность. Великий русский математик А.М.Ляпунов разработал общую теорию устойчивости состояний систем. Очень кратко ее идею можно выразить следующим образом. Устойчивые состояния систем не теряют своей устойчивости при флуктуациях физических параметров, поскольку система за счет внутренних взаимодействий способна погасить возникающие флуктуации. Неустойчивые системы, наоборот, при возникновении флуктуаций способны усиливать их, и, в результате такого нарастания амплитуд возмущений система уходит из стационарного состояния. Критерием эволюции при этом является величина (dS/dt) < 0, которая указывает направление развития физической системы к устойчивому стационарному состоянию. Эти процессы происходят достаточно медленно, поэтому на каждом этапе как бы достигается равновесие. Величина прироста энтропии за единицу времени в единице объема называется функцией диссипации, а системы, в которых функция диссипации отлична от нуля, называются диссипативными. В таких системах энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного движения и, в конечном счете, в тепло. Практически все системы являются таковыми, поскольку трение и прочие силы сопротивления приводят к диссипации энергии (диссипация < лат. dissipatio – разгонять, рассеивать).

При определенных условиях суммарное уменьшение энтропии за счет обмена потоками с внешней средой может превысить ее внутреннее производство. Тогда неупорядоченное однородное состояние системы может потерять устойчивость. В ней возникают и могут возрасти до макроскопического уровня т.н. крупномасштабные флуктуации. При этом из хаоса могут возникнуть структуры, которые последовательно начнут переходить во все более упорядоченные. Образование этих структур происходит не из=за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы, поэтому это явление и получило название самоорганизации. При этом энтропия, отнесенная к тому же значению энергии, убывает. Пригожин назвал упорядоченные образования, возникающие в диссипативных системах в ходе неравновесных необратимых процессов, диссипативными структурами.

На макроуровне диссипативность проявляется как хаос. На микроуровне хаос – это не разрушающий фактор, а сила, выводящая систему путь образования новых структур.

Бифуркации. Выше было сказано, что нелинейная система уравнений, которой описывается практически любая реальная сложная система, имеет не одно, а подчас целый спектр решений. Ответвления от известного решения появляются при изменении значения параметров системы. Поэтому мы введем здесь еще одно понятие - управляющие параметры (параметры порядка). Изменения управляющих параметров способны вызвать катастрофические, т.е. большие скачки переменных системы, и эти скачки осуществляются практически мгновенно.

Путь на изолированном острове выводятся летом насекомые численностью x_j и откладывают яйца. Потомство их на следующее лето появится численностью x_{j+1  =}  cx_j (1- x_j )_­.  Рост популяции насекомых описывается первым членом в правой части уравнения x_j, а убыль – вторым. Параметр роста (коэффициент пропорциональности) с является управляющим параметром. При с<1 популяция при увеличении j убывает и исчезает. В области 1<c<3 численность приближается к значению x = 1 - (1/c). Следующий диапазон 3<c<3,4 соответствует двум ветвям решения и при определенных условиях численность может колебаться между ними (рис. 1). Т.е. она растет резко от малого значения, и откладывается много яиц. Но перенаселенность, возникающая на следующий год, вновь снижает численность в следующем году до малого значения., так что период колебания численности равен двум годам. Далее, при 3,4<c<3,54 имеем уже 4 ветви, и возникает 4—стадийный цикл колебаний и. т.д. Подобные решения имеют место для широкого класса систем химических, электрических, гидродинамических и т.д.

Итак, при изменении управляющих параметров в системе наблюдаются различные переходные явления, которые мы рассмотрим с помощью т.н. диаграммы бифуркации (см. рис. 2).

1 – асимптотическая ветвь, где система остается устойчивой, т.е. при малых l имеет одно единственное решение
2 – точка, где l=l_С - здесь происходит потеря устойчивости. Появляется два решения.
3 – система вновь находится в равновесии, причем существуют 2 устойчивые ветви b1 и b2.

Сама точка l_С носит название точки бифуркации (<лат. раздвоение, размножение) или «точкой катастрофы».

Ранее уже использовалось понятие флуктуации, т.е. отклонение какой-либо величины от среднего значения. Здесь, как видим, малая флуктуация управляющего параметра может иметь определяющее значение для системы (она начинает развиваться либо по ветви b1, либо по ветви b2). В биологической эволюции флуктуации проявляются в мутациях, изменчивости, в то время как устойчивость обусловлена естественным отбором.

Усложнение структуры и поведения системы тесно связано с появлением новых путей решения в результате бифуркаций. В сильно неравновесных условиях процессы самоорганизации соответствуют «тонкому взаимодействию» между случайностью и необходимостью, флуктуациями и детерминистскими законами. Вблизи бифуркаций, т.е. резких, «взрывных» изменений системы, основную роль играют флуктуации или случайные элементы, тогда как в интервалах между бифуркациями преобладает детерминизм. Ситуацию, возникающую после воздействия флуктуации на систему и возникновения новой структуры, И. Пригожин назвал порядком через флуктуацию или «порядком из хаоса». Флуктуации могут усиливаться в процессе эволюции системы или затухать, что зависит от эффективности «канала связи» между системой и внешним миром.

Аттракторы и фазовые траектории.  Для выяснения сущности этих понятий рассмотрим динамическую систему. Понятие динамической системы состоит из двух частей: понятия состояния (существенной информации о системе) и динамики (правила, описывающего эволюцию системы во времени). Эволюцию можно наблюдать в пространстве состояний, или фазовом пространстве, - абстрактном пространстве, в котором координатами служат компоненты состояния. При этом координаты выбираются в зависимости от контекста. В случае механической системы это могут быть положение и скорость, в случае экологической модели - популяции различных биологических видов.

Пусть интересующий нас процесс зависит только от одной переменной (например, от времени t ) и может быть смоделирован с помощью системы дифференциальных уравнений вида

   , (2.1)

где  - N- мерный вектор, характеризующий состояние системы, - начальные данные. К числу математических моделей такого рода относятся, например, уравнения механики для системы материальных точек (движение планет Солнечной системы, груза на наклонной плоскости, элементарной частицы в электромагнитном поле и др.). Число явлений окружающего мира, которое может быть описано с помощью подобных моделей огромно, однако число моделей, которые могут быть изучены путем вычислительного эксперимента на компьютерах весьма ограничено, а уравнения, которые могут быть решены аналитически, составляют чрезвычайно малую долю.

Рассмотрим наиболее простой пример динамической системы - простой маятник. Его движение задается всего двумя переменными: положением и скоростью. Таким образом, его состояние - это точка на плоскости, координаты которой - положение маятника и его скорость. Это означает, что размерность вектора, характеризующего состояние маятника N = 2. Эволюция состояния описывается правилом, которое выводится из законов Ньютона и выражается математически в виде дифференциального уравнения. Когда маятник качается взад-вперед, его состояние - точка на плоскости - движется по некоторой траектории («орбите»). В идеальном случае маятника без трения орбита представляет собой петлю; при наличии трения орбита закручивается по спирали к некоторой точке, соответствующей остановке маятника (см. рис. 3). Часы с маятником, которые заводятся при помощи пружины или гирь, также проходят циклически некоторую последовательность состояний. Маятник снова и снова повторяет свой путь. В фазовом пространстве его движению соответствует периодическая траектория, или цикл. Неважно, как маятник запущен в движение - в конце концов, он придет к тому же циклу. Такие аттракторы называются предельными циклами. Другим примером системы с предельным циклом является сердце.

Точка или множество точек (например, петля, цикл), к которому стремится прийти система, называется аттрактором (от лат. attractio – притягиваю). Другими словами, аттрактор – это точка или некоторое множество точек, к которому стремится динамическая система с течением времени, как бы «забывая» начальные условия. Действительно, каковы бы не были начальные значения переменных системы, по мере развития динамического процесса, они будут стремиться к одним и тем же значениям или одним и тем же множествам значений – аттракторам. Таким образом, аттракторы - это геометрические структуры, характеризующие поведение в фазовом пространстве по прошествии длительного времени.

Одна и та же система может иметь несколько аттракторов. Если это так, то разные начальные условия могут привести к разным аттракторам. Множество точек, приводящих к некоторому аттрактору, называется его областью притяжения. Система с маятником имеет две такие области: при небольшом смещении маятника от точки покоя он возвращается в эту точку, однако при большом отклонении часы начинают тикать, и маятник совершает стабильные колебания.

Свойства аттракторов задаются набором траекторий в пространстве n переменных состояния, которые зависят от времени как от параметра. В обычном аттракторе эти траектории простые (точка, окружность, эллипс и т.п.). Но ряд явлений сопровождается появлением траекторий запутанных, не похожих ни на точки, ни на кривые, ни на поверхности, имеют вид «спутанных клубков», многослойных поверхностей. Такие аттракторы получили названия «странных аттракторов». Странность состоит в том, что, попав в область странного аттрактора, точка, соответствующая состоянию системы будет «блуждать» там и только через большой промежуток времени приблизится к какой-либо точке аттрактора. Поведение системы выглядит при этом хаотическим, а ее дальнейшее поведение сильно зависит от начальных условий.

Контрольные вопросы

1. Что является областью исследования синергетики?
2. Назовите имена ученых, внесших вклад в развитие синергетики.
3. Какие системы называются диссипативными?
4. Поясните смысл бифуркации.
5. Что такое параметры порядка?
6. Что такое фазовое пространство, фазовая траектория?
7. Что такое аттрактор, странный аттрактор.

Литература

1.      Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
3. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания. Структурный курс основ естествознания. – М.: Учпедгиз, 1999.
4. Концепции современного естествознания./ под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. – Ростов н/Д: «Феникс», 1999. 

        Лекция 25. Эволюционно-синергетическая парадигма (продолжение)

1. Примеры самоорганизации в неживой природе 2. Самоорганизация в социальных системах Синергетика и экономика Эволюция в социальных и гуманитарных системах Синергетические координаты для описания эволюции Контрольные вопросы Литература

1. Примеры самоорганизации в неживой природе

Ячейки Х.Бенара. Классическим примером возникновения структуры является конвективная ячейка Бенара. Если в сковородку с гладким дном налить минеральное масло, подмешать для наглядности мелкие алюминиевые опилки и начать нагревать, мы получим довольно наглядную модель самоорганизующейся открытой системы. При небольшом перепаде температур передача тепла от нижнего слоя масла к верхнему идет только за счет теплопроводности, и масло является типичной открытой хаотической системой. Но при некотором критическом перепаде температур между нижним и верхним слоями масла в нем возникают упорядоченные структуры в виде шестигранных призм (конвективных ячеек), как это показано на рис.1. В центре ячейки масло поднимается вверх, а по краям опускается вниз. В верхнем слое шестигранной призмы оно движется от центра призмы к ее краям, в нижнем – от краев к центру. Важно отметить, что для устойчивости потоков жидкости необходима регулировка подогрева, и она происходит самосогласованно. Возникает структура, поддерживающая максимальную скорость тепловых потоков. Поскольку система обменивается с окружающей средой только теплом и в стационарном состоянии (при Т­₁) получает тепла столько, сколько отдает (при Т₂ < Т₁),  то

 S = (Q/T1) – (Q/T2) < 0,

т.е. внутренняя структура (или самоорганизация) поддерживается за счет поглощения отрицательной энтропии, или негэнтропии из окружающей среды. Подобные конвективные ячейки образуются в атмосфере, если отсутствует горизонтальный перепад давления.

Работа лазера. Рабочей средой твердотельного лазера является рубиновый стержень, на концах которого устанавливаются два качественных зеркала (резонатор). С помощью мощной лампы накачки атомы рубина приходят в возбужденное состояние и начинают излучать. Вначале их излучение является хаотическим, независимым друг от друга, и лазер работает как обычная лампа. Но при определенном (критическом) значении мощности накачки происходит скачкообразный переход работы лазера от хаотического излучения к самосогласованному. Коллективное излучение атомов становится когерентным, т.е. упорядоченным.

Химические часы. Самоорганизация в химических системах связана с поступлением извне новых веществ, которые обеспечивают продолжение реакции, и выведением в окружающую среду отработанных. Такие реакции были получены в 50-х годах 20-го века советскими учеными Б. Белоусовым и А. Жаботинским. Однако полученные ими результаты были настолько необычными, что ученые долго не могли опубликовать их. Лишь в 80-х годах они получили признание. Суть реакции Белоусова - Жаботинского состоит в окислении органической (малоновой) кислоты бромидом калия. При добавлении индикатора окислительно-восстановительных реакций (ферроина) можно наблюдать за ходом реакции по периодическому изменению цвета раствора. Внешне самоорганизация проявляется появлением в жидкой среде концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора с синего на красный и наоборот (рис.2). Этот колебательный процесс идет без всякого вмешательства извне в точение нескольких десятков минут и получил название «химических часов». Следует заметить, что колебания происходят около неустойчивого стационарного состояния вдали от состояний равновесия. (Около устойчивых стационарных состояний такие периодические колебания невозможны).

2. Самоорганизация в социальных системах

Попытки объяснить механизмы самоорганизации, которые начались, по существу, еще в 18-м веке, не обошли стороной и общественные науки. Основоположник классической политической экономии А.Смит (1723-1790) в своем главном труде «Исследование о природе и причинах богатства народов» показал, что спонтанный порядок на рынке является результатом взаимодействия различных, часто противоположных стремлений, целей и интересов его участников. Такое взаимодействие приводит к установлению никем не запланированного порядка, который выражается в равновесии спроса и предложения. А. Смит использовал метафору «невидимой руки», которая регулирует цены на рынке.

Подобные же идеи высказывались в то время и относительно самоорганизации норм нравственности в обществе. При этом идеи самоорганизации, самосовершенствования деятельности социальных систем связывались с эволюционными процессами. И вот в конце 20-го века ответ на многие поставленные вопросы пришел из естественных наук, когда было обнаружено поразительное сходство процессов самоорганизации на самых различных структурных уровнях материи.

Социальные системы так же как и природные – столь же сложные и нелинейные. В них возможны изменения структурных связей, кризисы и катастрофы, в том числе  экологические и экономические. И здесь большое значение имеет возможность, опираясь на методы синергетики, определить условия нарушения прежней устойчивости и возможность перехода в новое состояние, сопровождаемое структурными изменениями.

Стохастическая модель процесса формирования общественного мнения была построена Г.Хакеном в его работе «Синергетика». Здесь главной трудностью был выбор макроскопических переменных, описывающих общество. Г. Хакен взял довольно простой пример. Он использовал в качестве параметров порядка число индивидуумов с соответствующими мнениями – за (+) и минус (-). Тогда формирование общественного мнения описывалось изменением этих чисел. При отсутствии внешних воздействий оказались возможными два результата. Вследствие частых перемен точек зрения получается одноцентровое распределение мнений в коллективе, а при значительной устойчивости связей между индивидуумами формируются два противоположных мнения, соответствующих состоянию поляризации общества. Эта модель позволяет качественно объяснить неустойчивые ситуации, когда характеристика общественного состояния, зависящая от связи индивидуумов, приближается к критическому значению (точке бифуркации).

Синергетика и экономика. Как уже говорилось, самоорганизующиеся системы – это открытые системы, свободно обменивающиеся с внешней средой и другими системами энергией, материальными потоками и информацией. В случае рынка -–это свободное движение капитала, рабочей силы и товара. Целенаправленная деятельность субъектов – участников процесса в условиях внешних воздействий и конкуренции делает систему асимметричной и неравновесной, т.е. уводит ее от состояния равновесия (максимума энтропии). 

Кооперация и конкуренция фирм являются самоорганизующимися процессами. При синергетическом моделировании рынка как самоорганизующейся системы с целью максимизации прибыли приходится решать дифференциальные балансовые уравнения, применять компьютерные системы обработки информации, новые информационные технологии.

В неравновесных системах, помимо знания балансовых уравнений, встает задача формализации и учета отношения порядка и беспорядка (соответственно, энтропии и негэнтропии). Эта проблема не так проста. Рынок выступает здесь в качестве индикатора, быстро обнаруживая неходовые товары, производство которых нерентабельно и ведет к росту энтропии.

Высококачественные товары, пользующиеся большим спросом и производящиеся в большем объеме (работает положительная обратная связь), напротив, увеличивают негэнтропию, порядок, так как ускоряются процессы производства и обмена, повышается занятость, полнее удовлетворяются потребности общества, растет жизненный уровень людей. Через некоторое время по мере расширения выпуска происходит насыщение рынка этим товаром, наступает момент равновесия между спросом и предложением,  но конкурирующие фирмы уже освоили к этому времени новые изделия, поставили на рынок новые товары, с более высокими качествами. Товарно-денежные отношения снова активизируются. И когда производителей достаточно много, новые предложения поступают непрерывно. Так поддерживается неравновесность рынка и эффективность функционирования экономической системы.

Эволюция в социальных и гуманитарных системах. Между социально-культурной эволюцией и эволюцией биологической существует определенное сходство. Многие ученые характеризуют социальную эволюцию как продолжение биологической эволюции другими средствами. Сама культура при этом мощным средством приспособления к реальности. Однако сходство не означает тождества, и если рассматривать социально-культурную эволюцию как продолжение биологической эволюции, необходимо учитывать тот факт, что процессы самоорганизации при этом значительно усложняются, а сама эволюция приобретает качественно отличный характер. В частности, в живой природе эволюция происходит путем генетической передачи наследственной информации от родителей к потомкам. В социально-экономической и культурной эволюции непосредственный опыт, приобретенный людьми в процессе приспособления к изменениям окружающей среды, не передается по наследству.

В обществе существуют свои методы и средства передачи накопленного опыта (индивидуального, социального). Это традиции, религия, искусство, системы образования и т.п. Традиции относятся к наиболее устойчивому явлению, присущему тому или иному народу или группе. Лауреат Нобелевской премии Ф.Хайек помещает их между инстинктом и разумом. Традиции сыграли решающую роль в становлении порядка в человеческой деятельности и формировании цивилизации. Традиции придают социальной эволюции более ускоренный характер по сравнению с биологической. Вместе с тем между биологической и социальной эволюцией нет непроходимой пропасти – они связаны между собой определенными свойствами, присущими как животным, так и человеку. Важнейшим из них является способность к подражанию. Уже у высших животных эта способность является существенным фактором приспособления к изменениям ОС. Многие ученые считают, что именно обучение путем подражания в сочетании с трудовой деятельностью привело в действие высокоэффективный механизм социально-культурной эволюции.

Синергетические координаты для описания эволюции. Спираль развития. Явления развития можно рассматривать как борьбу двух противоположных тенденций: организации и дезорганизации. При этом удобно их рассматривать в связи с понятием энтропии. Понятие энтропии в настоящее время выходит за рамки ее термодинамической трактовки (мера рассеяния тепловой энергии в замкнутой термодинамической системе – Клаузиус, 1952 г. и мера вероятности состояния замкнутой термодинамической системы – Больцман). На рубеже 20-30- годов Сциллард, Шеннон применили понятие энтропии к информационным системам в качестве меры вероятности информационных систем. Во второй половине 20-го века в работах Э.Шредингера понятие энтропии еще более расширилось – до понимания ее как меры дезорганизации систем любой природы. Эта мера простирается от максимальной энтропии (S=1), т.е. хаоса, до «исчезновения» энтропии (S=0), соответствующего наивысшему уровню порядка (см. рис.3). Н. Винер отождествлял количество информации с отрицательной энтропией (негэнтропией).

С помощью энтропии стало возможным оценивать количественно такие понятия, как «хаос» и «порядок». Информация и энтропия связаны потому, что они характеризуют реальную действительность с точки зрения упорядоченности и хаоса (информация – мера упорядоченности, энтропия – мера хаоса). С этой точки зрения в нашем обществе, в экономике в настоящее время довольно энтропия велика. Нарастание энтропии в обществе имеет множество проявлений. Это рост преступности, нарастание числа аварий и катастроф, низкая производительность, износ технологического оборудования и т.п.

Альтернативность и взаимосвязь понятий энтропии и информации выражаются в формуле

 S + J = 1 (const)

 Если система эволюционирует в направлении упорядоченности, то ее энтропия уменьшается. Но это требует целенаправленных усилий, внесения информации, т.е. управления. Н. Винер писал: «Мы плывем вверх по течению, борясь с огромным потоком дезорганизованности, которая в соответствии со II законом термодинамики стремится все свести к тепловой смерти… Человек всю жизнь борется с энтропией, гася ее извлечением из окружающей среды отрицательной энтропии – информации.» (по [3] )

Таким образом, явления развития удобно рассматривать в координатах, связанных с понятиями энтропии и информации (негэнтропии). Это позволяет наглядно представить мысленную (концептуальную) модель процессов самоорганизации в виде сужающейся спирали (см. рис 4), где по оси абсцисс откладывается энтропия, а по оси ординат – некоторый «параметр прогресса» Р.

Пусть имеются два подобных события на соседних витках спирали. Эти события соответствуют «узловым» моментам процессов развития, имеющим ярко выраженный скачкообразный характер, например, смена поколений ЭВМ и т.п. Интервал времени между двумя событиями А₁ и А₂ обозначим А₁А₂.

Как видно из рисунка, энтропия, по мере накопления информации, убывает по направлению от периферии к центру, что соответствует прогрессу, т.е. возрастанию уровня организации объекта в процессе его развития. Характерными особенностями спирали развития являются следующие.

· увеличение «параметра прогресса» от витка к витку: P_n > P_n-1;

· уменьшение доли элиминируемого, т.е. “отрицаемого”, отбрасываемого витка; (по мере развития все меньше ненужного, «неправильного» приходится отбрасывать – это проявляется, в частности, при построении новых научных теорий;) dH_n < dH_n+1

· сокращение интервалов времени между скачками: t₂ < t₁ .

Подобная модель самоорганизации может быть применена к биологическим, социальным, экономическим, культурным и др. системам. Главное здесь – возрастание уровня организации, связанное с уменьшением неопределенности по мере накопления информации. Так из биологии известно, что число принципиально возможных одноклеточных организмов намного больше того, что есть на самом деле. Низших биологических форм много, а Человек – один (сходящаяся спираль). Процесс написания студентом курсовой или дипломной работы тоже можно представить как движение от максимальной начальной до минимальной конечной энтропии. Высокая неопределенность в начале выполнения задания по мере работы над ним (работа с литературой, эскизы, блок-схемы, расчеты) уменьшается и достигает минимума к моменту оформления и защиты.

Развитие не всегда имеет восходящий характер. Возможны локальные возрастания энтропии, «обратные скачки» (см. рис.4). Возрастанию энтропии соответствуют участки j₁ и j₂. Например, экономическим формациям присущи как восходящие, так и нисходящие линии развития. Пока производственные отношения данной формации более или менее соответствуют уровню производительных сил, последние развиваются ускоренно, по восходящей линии. Когда же устоявшиеся производственные отношения начинают тормозить продолжающийся рост производительных сил, наступает застойная или даже нисходящая стадия в развитии формации, что подводит общество к революционной ситуации, к новому скачку в развитии, происходящему в окрестностях точки бифуркации.

Подводя итог рассмотренным теоретическим положениям и примерам, выделим следующие условия и положения самоорганизации систем.

1. Система должна быть открытой, диссипативной и находиться вдали от термодинамического равновесия.

2. Если в случае закрытых систем самоорганизация (эволюция) ведет к росту энтропии и беспорядка, то в случае открытых систем происходит возникновение и усиление порядка через флуктуации. Именно флуктуации приводят в этом случае к «расшатыванию» старого порядка и возникновению нового. Энтропия падает, количество информации (негэнтропия растет).

3. Управление процессами и сохранение динамического равновесия систем основано на принципе обратной связи, когда на основе полученных обратных сигналов система возвращается в исходное состояние. Самоорганизация открытых систем опирается на принцип положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а наоборот, накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению нового порядка и структуры.

4. Система должна обладать достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, иметь некоторые критические размеры. В противном случае коллективное поведение элементов системы может не проявиться (самоорганизация не наступает).

5. Чем выше в своем эволюционном развитии находится система, тем более сложными и многочисленными будут факторы, которые влияют на ее самоорганизацию.

Контрольные вопросы

1. Опишите явление, известное под названием «ячейки Бенара».
2. Почему работа лазера рассматривается как проявление самоорганизации?
3. Что такое «химические часы»?
4. Объясните утверждение: «рынок – открытая система».
5. Что является причиной нарушения симметрии и равновесности рынка как самоорганизующейся системы?

6. Что является проявлением энтропии в социальных и экономических системах?
7. В чем главное отличие социально-экономической и культурной эволюции от эволюции биологической?
8. Какое свойство обеспечивает преемственность биологической и социально-культурной эволюции?
9. Как связаны информация и энтропия?
10. Объясните сходящуюся спираль как модель развития систем.

11. Всегда и развитие имеет поступательный характер?
12. Что является предпосылкой перестройки, разрушения прежней структуры?

Литература

1.      Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
3. Абдеев Р.Ф. Философия информационной цивилизации. – М., 1994.

       Лекция 26. Естествознание в мировой культуре

1. Проблема двух культур Наука и мистицизм Вопрос о ценности науки 2. Перспективы интеграции знаний в науке будущего Контрольные вопросы Литература

Существует множество определений культуры. Культура проявляется как в предметных результатах человеческой деятельности, способах ее осуществления (материальная культура), так и в субъективных силах и способностях людей, в правовых, моральных, религиозных, эстетических и др. нормах, которое общество требует от своих членов. Крупнейший социолог современности П. Сорокин определил культуру как систему ценностей, с помощью которых общество интегрируется, поддерживает функционирование и взаимосвязь своих институтов. Таким образом, и наука, включая естествознание, является одной из важнейших форм культуры. 

Вслед за делением культуры на материальную и духовную в 20-м веке установилось деление культур на естественнонаучную и гуманитарную. Раздел между ними проходил не только на страницах специальных научных работ, но и в обществе. Во 2-й половине 20-го века стали говорить об отчуждении двух культур – естественнонаучной и гуманитарной. В 60-х годах вышла публицистически острая книга английского ученого и писателя Ч. П. Сноу «Две культуры и научная революция» (в русском переводе - в 1973 г., изд. «Прогресс»), в которой он констатирует раскол между гуманитарной и естественнонаучной культурой на две части, являющих собой как бы два полюса, две «галактики» [1]. Рассмотрим и проанализируем эту проблему.

1. Проблема двух культур

В своей книге Ч. Сноу пишет: «…На одном полюсе – художественная интеллигенция, на другом – ученые, и, как наиболее яркие представители этой группы – физики. Их разделяет стена непонимания и иногда (особенно среди молодежи) антипатии и вражды, но главное, конечно, непонимания. У них странное, извращенное представление друг о друге. Они настолько по-разному относятся к одним и тем же вещам, что не могут найти общий язык даже в области чувств.» Здесь речь идет, конечно, о западном обществе. В Советском Союзе в то время такого антагонизма и враждебности не было, однако отзвуки этого конфликта проявились в споре т.н. «физиков» и «лириков» на страницах советской периодической печати, на дискуссиях в популярных в то время «молодежных кафе» и т.п. Это были споры о взаимоотношении техники и природы, перспективах развития кибернетики, о моральной стороне медицинских и генетических экспериментов на животных и человеке и т.п. Общим было то, что научные исследования противопоставлялись духовной работе, духовному совершенствованию, исследователей в области естественных и технических наук обвиняли в подрыве нравственных законов.

Таким образом, на исходе 20-го века западный мир пришел к разделению рационального, естественнонаучного и духовного (гуманитарного). Этика при этом попала в сферу иррационального, сферу духовной жизни, а наука, некогда инструмент духовного развития, оказалась целиком поставленной на службу материальным потребностям.

Гармония единства двух культур начала разрушаться уже в 19-м веке. Причин тому множество. Здесь и узкая профессионализация, связанная с усложнением, углублением знания о мире, и формирование общества потребления, в котором научные достижения рассматриваются исключительно с позиций материальных благ, которые они обеспечивают, и появление благодаря научным открытиям нового мощного оружия, и экологические проблемы.

Немаловажную роль в этом процессе сыграли мировоззренческие интерпретации некоторых открытий в области естественных наук. Ярким примером в этом смысле явилось эволюционное учение Дарвина. Люди наивные, далекие от науки часто полагают, что главное в учение Дарвина – это происхождение человека от обезьяны. Однако это вовсе не так. Действительно, так ли уж важно, каким материалом воспользовался Творец для создания человека, и чем обезьяна хуже глины? Еще задолго до Дарвина великий классификатор К. Линней нашел сходство между человеком и обезьяной настолько близким, что отнес их к одному отряду. И это, в общем, никого особенно не смутило. Кстати, вопреки расхожему мнению, Дарвин никогда не утверждал, что человек произошел от обезьяны, а говорил о том, что у них был один общий предок. Взрывным же эффектом обладала разработанная им теория естественного отбора. 

Действительно, борьба за существование в природе не позволяла признать природное начало в человеке источником добра, подрывая основы сократовской этики. Если человек не просто испорчен или грешит по неведению, то это не его вина, а вина того, кто его таким создал. Где же, в этом случае нравственный идеал, к которому стоит стремиться? И Дарвин, не будучи вовсе злым человеком, позволил себе отбросить сострадание к слабым как тормоз на пути общественного прогресса и оправдать уничтожение тасманийцев британскими войсками (что делать, если туземцы оказались менее приспособленными). Принцип естественного отбора, как в кривом зеркале, отобразился в так называемой теории социал-дарвинизма. Он использовался, в частности, для обоснования естественного права британцев управлять другими нациями. Эрнст Геккель, последователь Дарвина, основатель экологии, был также основателем немецкого национал-романтизма, на почве которого впоследствии выросла идеология третьего рейха. Как известно, последняя опиралась также и на философию Ф. Ницше, который во втором периоде своего творчества пришел к выводу, что природное неравенство людей неизбежно делает одних жертвами других в борьбе за существование. Ч. Дарвин считал, что если его теория верна, то в природе невозможен альтруизм, так как альтруист, готовый жертвовать собой, не оставляет потомства и не передает своих качеств по наследству. А. Уоллес и Т. Хаксли полагали, что этика несовместима с естественным отбором и борьбой за существование, и, следовательно, не может быть продуктом эволюции, а скорее всего происходит из сфер, недоступных человеческому разуму.

Таким образом, вторжение естественной науки – биологии в духовную жизнь общества заставило говорить о кризисе науки и ее разрушительном действии на человека. Об этом так или иначе говорилось в произведениях Флобера, Доде, Тургенева (вспомним его Базарова). Толстой предсказывал, что мода на Ницше скоро отойдет, как и моде на Дарвина «с его борьбой». Крупный российский ученый-палеонтолог В. Красилов ([4]) считает, что великая морализирующая литература второй половины 19-го века была реакцией на дарвинизм.

В итоге развитие естествознания привело к кризису науки, этическое значение которой ранее усматривали в том, что она постигает величественную гармонию Природы – образец совершенства как цели человеческого существования. Дарвинизм,  отрицая изначальную гармонию и провозглашая борьбу движущей силой развития, лишил естествознание его традиционных этических функций.

И лишь в конце 20-го века появился новый взгляд на теорию эволюции, не отрицающий дарвинизм, но утверждающий, что характер эволюции изменяется с течением времени, т.е. эволюционирует сама эволюция: значение тех или иных признаков приспособленности и неприспособленности, по которым осуществляется естественный отбор, в процессе эволюции и биологического прогресса падает или возрастает, как, например, роль индивидуального развития, роль индивида в историческом развитии, что трактовка естественного отбора как процесса выживания сильнейших, наиболее приспособленных некорректна, что альтруизм как элемент биоэтики в природе существует и является одним из факторов, по которым происходит отбор.

Наука и мистицизм. Немецкому философу К.Ясперсу (1883-1969) принадлежит следующее высказывание: «Наука доступна лишь немногим. Будучи основной характерной чертой нашего времени, она в своей подлинной сущности тем не менее духовно бессильна, так как люди в своей массе, усваивая технические возможности или догматически воспринимая ходульные истины, остаются вне ее… Как только это суеверное преклонение перед наукой сменяется разочарованием, мгновенно следует реакция – презрение к науке, обращение к чувству, инстинкту, влечению. Разочарование неизбежно при суеверном ожидании невозможного: наилучшим образом продуманные теории не реализуются, самые прекрасные планы разрушаются, происходят катастрофы в сфере человеческих отношений, тем более непереносимые, чем сильнее была надежда на безусловный прогресс». И вот тогда на место дискредитированной науки приходят маги, колдуны, прорицатели и чудотворцы. Непонимание, отсутствие интереса к действительным достижениям естественных наук создает тот вакуум, который с легкостью заполняется мистицизмом. Появляется множество целителей, основателей мистических школ и т.п. Интересно, что многие из них называют себя учеными, выступают от имени «подлинной науки», оперируя «научными» понятиями (положительная, отрицательная энергетика, «черная энергия» и т.п.). Люди, в своем большинстве, в глубине души суеверны, и если научные истины можно уподобить свету, то этот свет, как справедливо отмечено в [6], преломляется в суеверном сознании.

Мистику, мистический опыт определяют как тип интенсивного религиозного опыта, при котором субъект чувствует себя сливающимся с «космической тотальностью». Мистическое сознание всегда включает веру в непосредственную связь со сверхъестественным. Самым древним проявлением мистического сознания является шаманизм, реанимация которого в современной культуре отмечается рядом исследователей. Шаман – человек, прошедший курс специального психологического тренинга, может вызывать у себя и у других людей необычное, экстатическое состояние сознания. Исследователи шаманизма отмечают, что состояние экстаза, по-видимому, позволяет шаману сосредоточить внимание на тех слабых сигналах, улавливаемых органами чувств, которые обычно проходят мимо сознания. Отключение высших центров мозга может вызываться ритмическими, монотонно повторяющимися звуками, чередованием световых пятен, геометрических фигур и т.п. Достигаемые различными способами «путешествия в иные миры», по-видимому, означают не что иное, как проникновение в собственное подсознание, заполненное первобытными инстинктами, воспоминаниями детства человеческого рода и элементами коллективного бессознательного. Эти психические явления безусловно надо изучать профессионально, однако и наука, и такие религии как христианство, ислам предостерегают от самодеятельного увлечения экспериментированием в этой области, так как подобные опыты часто оказываются пагубными для психики.

Мистицизм имеет объективные причины и поэтому увлечение им будет, периодически возникать и в дальнейшем, особенно в переломные исторические эпохи. К важнейшим истокам мистицизма относятся:

· бессилие отдельного человека перед природными и общественными силами, проявляющееся в виде суеверного страха,

· потребность человека в вере,

· поиски смысла человеческой жизни.

Само научное познание в 20-м веке оказалось источником мистицизма. Для объяснения непонятных явлений приходится иногда выдвигать поистине «сумасшедшие» идеи. В начале нашего курса говорилось о возрождении холистического (см. холизм, интегратизм), целостного взгляда на мир, в противоположность редукционизму. Однако наряду с положительным значением этого процесса надо отметить и связанное с ним мифологическое отождествление всего со всем, отход от естественных, структурных взаимосвязей явлений.

Отмечается и увлечение некоторых ученых внешней аналогией между современной физической картиной мира и мистическими образами Древнего Востока (Эйнштейн, в частности говорил о буддизме, что это единственная религия, которая совместима с научным мировоззрением). Некоторые даже склоняются к мысли, что они глубже и совершеннее отражают физическую реальность. Показательна в этом отношении книга философа и физика-теоретика Фритьофа Капры «Дао физики», в которой он для преодоления парадоксальной природы некоторых явлений в области ядерной физики и квантовой механики старается применить к ним интуитивно-созерцательный подход, характерный для духовных и философских учений Востока. Тем не менее, параллели между физикой и мистикой скорее отражают законы психической деятельности человека, а не объективные физические законы материального мира [7].

Вопрос о ценности науки. С одной стороны, наука пользуется уважением, на нее расходуются огромные средства. В этом есть что-то от поклонения идолам, требующим жертв – человеческих жизней, но не в том романтическом смысле, когда ученый посвящает свои жизнь науке, а когда жертвами ее становятся люди, прямого отношения к ней не имеющие (жертвы постоянно совершенствуемого оружия, жертвы рискованных экспериментов, приводящих к авариям, катастрофам, нарушению экологического равновесия). Тогда общество приходит к другой крайности – желание попрать своего идола – науку. Ценность науки, образования в глазах людей падает.

Высказываются также мнения (П.Фейерабенд) о том, что достижения науки – нечто весьма призрачное. Древние народы переплывали океан на судах, обладавших зачастую лучшими мореходными качествами, чем современные суда, знали навигацию и свойства материалов и т.п. В этом есть доля истины. Нельзя умалить заслуг первых мореплавателей, земледельцев и животноводов. Но все же пар и электричество, атомная энергия, ЭВМ, расшифрованный генетический код – это совершенно другая цивилизация. Вопрос о том, лучше ли она древней, или хуже, бессмыслен, так как история необратима. Наука и образование не сделали людей счастливыми. Но означает ли это, что путь к всеобщему счастью лежит через возврат к невежеству? Имеет ли наука реальную ценность для человечества? Если ценность науки измерять только ее практическими применениями, то одного существования ядерного оружия достаточно для того, чтобы поставить эту ценность под сомнение [6]. 

А. Печчеи – организатор и первый президент Римского клуба [1] будучи убежденным в духовной силе научного сообщества, в его способности стать решающим политическим и культурным фактором современности, писал: «Известно, что сегодня в мире больше ученых, чем их было за все предшествующие века. Как социальная группа они представляют собой сейчас достаточно реальную силу, чтобы недвусмысленно и во весь голос заявить о необходимости всесторонне оценивать технический прогресс и потребовать постепенного введения контроля за его развитием в мировых масштабах». Однако мировое научное сообщество совсем не однородно и, к сожалению, состоит не только из одних бескорыстных интеллектуалов-гуманистов, озабоченных судьбами человечества.

Критика общественного порядка и культуры, в которых наука может использоваться как орудие уничтожения и самоуничтожения, присуща различным социально-философским теориям. При этом утверждается порочность, тупиковый характер европейской культуры. В науке же усматривают «дьявольское перерождение» духа, соблазненного призраком неограниченной власти над природой и людьми, над жизнью и смертью. (Такой властью дьявол в пустыне соблазнял Иисуса). Человеческий разум, ослепленный гордыней, не видит, что его бесчисленные завоевания – путь к духовной пустоте. Жажда познания, будучи оторвана от идеалов Добра и Красоты, направляется только волей к власти и оборачивается неодолимым роком человечества. Русские религиозные философы усматривали здесь следствие утраты нравственных и религиозных ценностей [6].

Проблема двух культур – духовной (гуманитарной) и естественнонаучной рассматривается также в контексте двух важнейших понятий – культуры и цивилизации. Русские философы (Н. Бердяев, И. Ильин) противопоставляли культуру (явление внутреннее, органические, воплощенное в идеалах и ценностях) и цивилизацию (материализованные, «опредмеченные», усваиваемые поверхностно, без душевного участия реализации идеалов и ценностей).  Тем не менее, отношения культуры и цивилизации намного сложнее простой оппозиции. Испанский философ и писатель М. де Унамуно писал: «Все цивилизации служат тому, чтобы порождать культуры, а культуры – чтобы порождать человека». Наш современник, сравнительно недавно ушедший из жизни, выдающийся грузинский философ М.Мамардашвили также подчеркивал, что вне цивилизации культура безжизненна. Цивилизация – это та сила, которая «блокирует энергию зла», примитивные и разрушительные инстинкты, стихию невежества или же опасную разнузданность разума, соблазненного волей к власти.

Разрыв цивилизации и культуры обращает цивилизацию против человека. Наука же является одним из важнейших узлов, связывающих культуру и цивилизацию. Она одновременно принадлежит и культуре и цивилизации, и в этом заключается ее сила и ее слабости. Дело в том, что наука воплощает в себе двойственность и противоречивость познания. Она создает, конструирует модель мира на основе добытых знаний, делает культуру частью этого мира и, в то же время постоянно разрушает свое собственное единство, выходит за рамки установленных ею же понятий, преступает пределы наличных (т.е. имеющихся на настоящий момент) возможностей познания, реализованных культурой. Наука, таким образом, не только порождение культуры, но и сила, творящая культуру.
2. Перспективы интеграции знаний в науке будущего

Двойственный характер науки. Никогда в истории будущее так не зависело от настоящего: человечество стало смертным и даже, как говорил булгаковский Воланд, «внезапно смертным». Коллективное самоубийство человечества стало реальной возможностью (в результате оплошности или злого умысла). В то же время , никогда в истории человечество не располагало и столь мощными средствами защиты от катастроф, а также столь глубокой перспективой развития. И то и другое стало возможным благодаря науке [6]. Часто говорят и пишут, что в 21-м веке биология станет отдной из ведущих наук. В настоящее время реализуется гигантский проект расшифровки генома человека – последовательности 3,5 млрд. нуклеотидных оснований. Однако высказываются обоснованные опасения, что и эти достижения могут быть использованы против человечества. Возможность формирования и изменения генома человека путем генной инженерии может привести к непредсказуемым последствиям. Многое зависит от того, в чьих руках окажутся достижения естественных наук, и как дальше они будут использоваться. В то же время не секрет, что огромная доля в финансировании научных исследований принадлежит военным ведомствам.

В 1975 г. ведущие ученые-биологи пошли на заключение добровольного моратория на проведение определенных экспериментов в биологических институтах, занимавшихся проблемами генной инженерии (эксперименты с кишечной палочкой и т.п.). Причина этого решения заключалась в том, что молекулярная биология, совершив резкий рывок, вышла к возможности конструирования живых организмов с заданными свойствами – это открывало перед наукой колоссальные перспективы практического применения. Но среди возможных практических приложений генной инженерии могли оказаться и такие, которые поставили бы под вопрос само существование человечества (например, использование биологического оружия или даже случайная небрежность, из-за которой лабораторный материал мог войти в соприкосновение с биосферой планеты с непредсказуемыми последствиями).

Осознание пагубности взаимного отчуждения гуманитарной и естественнонаучной пришло не сразу. Следует отметить, что естественные науки осознали необходимость интеграции знаний еще в 19-м веке. Однако в то время еще не была выработана глобальная общенаучная идея, на основе которой может происходить интеграция накопленных человеком знаний. В настоящее время считается, что такой основой может стать концепция глобального эволюционизма, эволюционно-синергетическая парадигма. В эволюционно-синергетическом подходе заложен гуманизм как признание самоценности человеческой личности, как понимание диалога и сотрудничества в качестве необходимых условий существования человека. Это означает интеграцию естественнонаучных и гуманитарных знаний, интеграцию двух культур.

Важно иметь в виду и то, что истинно культурный человек принадлежит одновременно двум культурам, это «человек двух культур». Если же говорить о крупных личностях, то многие из них достигли высот и в науке, и в искусстве. И это справедливо не только для античности, средневековья, эпохи Возрождения, но и для более поздних веков. Таковы Леонардо да Винчи, М.В. Ломоносов, И.-В. Гете (поэт и биолог-натуралист), А.П. Бородин (ученый химик и знаменитый композитор), И.А. Ефремов (ученый-палеонтолог и писатель), Л.Н. Гумилев (историк и географ). А.Л. Чижевский – основоположник науки о влиянии солнечных процессов на земные события, в том числе и на социальные потрясения – известен как историк, С. Лем (философ, писатель-фантаст, биолог), И.Р. Шафаревич (видный математик, историк, обществовед), Б.В. Раушенбах (один из теоретиков космонавтики, знаток русской истории, иконописи и богословия).

Наука как мощная цивилизующая сила становится частью культуры, если существует равновесие культуры и цивилизации. Тогда профессиональная деятельность ученых не только служит цивилизации, но и получает положительную оценку в общественном сознании. Когда же равновесия нет, страдают и наука, и общество. Необходимым условием современного существования науки является ее профессионализация (т.е. наука как профессия). Однако ни в коем случае нельзя противопоставлять профессиональную сторону науки ее ценностному смыслу.

У человечества нет иного выбора: либо с помощью науки разрешать противоречия бытия, угадывать и исполнять свое предназначение, либо прийти к завершению своего существования.

Контрольные вопросы

1. В чем проявился раскол на «две культуры»?
2. Почему учение Дарвина стало вызовом сложившимся этическим представлениям в обществе?
3. Поясните утверждение «этика несовместима с естественным отбором».
4. Как отразилось в литературе освоение обществом идей эволюционной теории Дарвина?
5. Как трактуется принцип естественного отбора в современных исследованиях?

6. В чем заключается проблема ценности науки?
7. Что такое мистицизм, в чем его причины и истоки?
8. Есть ли связь между научным познанием и мистицизмом? Поясните.
9. Какую роль играет наука в контексте культуры и цивилизации?
10. В чем проявляется двойственный характер науки? Приведите собственные примеры.

11. Как по-вашему, правомерны ли запреты на проведение научных исследований в той или иной области? Обоснуйте Ваш ответ.
12. Какая глобальная научная идея мыслится в качестве основы для интеграции двух культур и почему?

Литература

1. Волков Г. Три лика культуры. – М.: Молодая гвардия, 1986.
2. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
4. Красилов В. Эволюция, Дарвин и современность. – «Знание –Сила», №2, 1997.
5. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М.: Гардарики, 1999.

6. Порус В. И все-таки знание – сила. - «Знание –Сила», №1, 1995.
7. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.:Владос, 1998.
8. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ, 1997.
9. Сноу Ч.П. Две культуры. М. “Прогресс”, 1973.