«КОНЦЕПЦИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

1. 
   Естествознание: определение, предмет изучения. Естественные науки.
   

Естествозна́ние — область науки, изучающая совокупность естественных наук, взятая как целое.

Естествознание появилось более 3000 лет назад. Тогда не было разделения на физику, биологию, географию. Науками занимались философы. С развитием торговли и мореплавания началось развитие географии, а с развитием техники — развитие физики, химии.

предмет естествознания - различные формы движения материи в природе: их материальные носители (субстраты), образующие лестницу последовательных уровней структурной организации материи, их взаимосвязи, внутренняя структура и генезис; основные формы всякого бытия - пространство и время; закономерная связь явлений природы как общего характера, так и специфического характера.

Науки, относящиеся к числу естественных - физика, химия, биология, геология. химия

Цели естествознания. Цели естествознания - двоякие: 1) находить сущность явлений природы, их законы и на этой основе предвидеть или создавать новые явления и 2) раскрывать возможность использования на практике познанных законов, сил и веществ природы.
1.4. Методы исследования, используемые в естествознании. Методы естествознания могут быть подразделены на группы: а) общие методы, касающиеся всего естествознания, любого предмета природы, любой науки; б) особенные методы - специальные методы, касающиеся не предмета естествознания в целом, а лишь одной из его сторон или же определенного приема исследований: анализ, синтез, индукция, дедукция; в) частные методы - это методы, действующие либо только в пределах отдельной отрасли естествознания, либо за пределами той отрасли естествознания, где они возникли.
1.5. Физика. Предмет изучения. Физика - наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Вследствие этой общности физика и ее законы лежат в основе всего естествознания.
1.6 Химия. Предмет изучения. - наука, изучающая превращение веществ, сопровождающиеся изменением их состава или строения. В современной химии отдельные ее области: неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия, химия полимеров стали в значительной степени самостоятельными науками. На законах химии базируются такие технические науки, как химическая технология, металлургия.
1.7. Биология. Предмет изучения. - совокупность наук о живой природе - об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

2. 
   Понятие культуры. Естественнонаучная и гуманитарная культура.
   

Понятие культура охватывает все многообразие материальной и духовной деятельности людей. Вся наука, включая естествознание, является одной из важнейших форм культуры, без которой немыслимо производство материальных и духовных благ.
Понятием "культура" обозначаются различные явления: сорта растений, выведенные специалистами в ходе селекционной работы; процессы совершенствования телесных, нравственных и умственных качеств человека; совокупность обычаев, традиций, верований и образа жизни народов; особый неприродный тип бытия, созданный человечеством в его истории и постоянно воспроизводимый в течение жизни поколений; системы положительно значимых ценностей в жизнедеятельности людей и т. д.
Исходный признак культуры выделяется через соотношение с природой. Объект есть достояние культурной реальности, ее ли он обработан или переделан людьми для удовлетворения их потребностей. В этом контексте все созданное человечеством есть культура. Таково расширенное понимание специфики культуры.
Однако предельно общие понятия часто не заключают в себе сколько-нибудь значительного научного потенциала, если они не раскрываются полностью в своем содержании. Выражения типа "все" и "ничего" могут быть, поняты как тождественные.
Поэтому ученые стремятся к более конкретному объяснению явлений и выражающих их понятий. Одним из путей объяснения понятия "культуры" является ее инструменталистская трактовка. Культура -- это система средств человеческой деятельности, благодаря которой программируется, реализуется, стимулируется активность индивида, групп, человечества в их взаимодействии с природой и между собой.
Эти средства создаются людьми, постоянно совершенствуются и состоят из трех содержательных типов культур -- материальной, социальной и духовной.
Материальная культура -- совокупность вещественно-энергетических средств бытия человека и общества. Она включает разнообразные факторы: орудия труда, активную и пассивную технику, физическую ("телесную") культуру индивида и населения, благосостояние человека и общества и т. д.
Социальная культура -- система правил поведения людей в различных видах общения и специализированных сферах общественной деятельности. Она включает этикет, профессиональную, правовую, религиозную, светскую, нравственную, экономическую и другие разновидности нормативной деятельности.
Духовная культура -- это составная часть культурных достижений человечества. Она представляет собой многообразную систему знаний, состояний эмоционально-волевой сферы психики и мышления индивидов, а также непосредственных форм их выражений -- знаков. Универсальный знак -- язык -- естественный и искусственный, звуковой (речь) и письменный.
Основные виды духовной культуры -- мораль, право, мировоззрение, идеология, искусство, наука и т. д. Каждый из этих видов духовной культуры состоит из относительно самостоятельных разновидностей.


В предметной области науки относительно четко выделяются системы знаний о природе -- естествознание (естественные науки) и системы знаний о позитивно значимых ценностях бытия индивида, групп, государства, человечества -- гуманитарные науки.
До последовательного оформления науки, как самостоятельной части культуры человечества, знания о природе и ценностях общественной жизни входили в иные состояния духовной культуры: практический опыт, мудрость, народная медицина, моральные системы этносов, натурфилософия и др.
Данное обстоятельство дает право трактовать понятия "естествознание" и "гуманитарное знание" не в качестве естественных и гуманитарных наук, а в значении более широкого комплекса научных и ненаучных видов знаний.
Однако в условиях культуры XX в. такая трактовка непродуктивна. Поэтому чаще всего исходят из того, что современная естественнонаучная и гуманитарная разновидности культуры основаны на научном знании. С учетом того обстоятельства, что отдельный человек не в состоянии усвоить весь объем информации, накопленный науками, понятие "естественно-научная культура" указывает на три слоя реальности:
· совокупный исторический объем информации, полученный в процессе изучения природы и общества;
· объем информации о данных сферах бытия, который в сокращенно-концентрированной форме актуализирован и доступен усвоению;
· фактически усвоенное индивидом, специалистом содержание накопленного и актуализированного знания о природе и общественных ценностях.
Сфера исследования природы естественными науками, по сути, неисчерпаема. Она включает объекты микро-, макро- и мегамиров. В более популярном изложении это означает, что естествознание исследует неорганическую и органическую природу Земли и Вселенной.
Основные науки о неорганической природе -- физика, химия, физическая химия и многочисленные подразделения. Комплекс биологических наук исследует живую природу, начиная от доклеточного уровня и кончая биосферой. Специфику планетного вещества Земли изучает геология и другие науки. Вселенная является объектом познания астрономии, астрофизики, астрохимии. Математика исследует все сферы бытия природы, где выявлены количественные закономерности. Методы математики проникают и в науки об обществе.
Гуманитарная культура основывается на знаниях этики, религиоведения, юриспруденции, искусствознания, философии, литературоведения, педагогики и других наук. Системообразующие ценности гуманитарных наук -- гуманизм, идеалы добра, истины, красоты, совершенства, свободы и т. д. Эти ценности имеют решающее значение в целеполагающей деятельности людей, так как поднимают человека от состояния животного эгоизма к всесторонней общественной жизни.
Те или иные группы ценностей и соответственно виды гуманитарной культуры могут наполняться специфическим социальным содержанием. Их общественная значимость относительна и утверждается в соответствии с той или иной ролью, которую они играют в определенную историческую эпоху. Например, религиозные ценности католицизма доминировали в общественной жизни государств западной Европы в XI--XIV вв. В настоящее время в этих государствах превалируют политические и правовые ценности (демократия, права человека и т. п.).
Существенную роль в современной индустриальной цивилизации играют экономические и утилитарно-практические ценности, в которых осмысливаются явления материальной культуры. Важно подчеркнуть, что и в гуманитарном знании, и в целом в гуманитарной культуре существенным образом представлены интересы субъекта. Поэтому неизбежны различные варианты осмысления и оценки "позитивности" одних и тех же общественных явлений для того или иного человека, группы, социума, государства. В этом и заключается специфика гуманитарной культуры.
Естественно-научная культура во многом исключает субъективизм ученого. Выделим основные признаки (показатели) рассматриваемых видов культур. Специфика естественно-научной культуры состоит в том, что знание о природе постоянно совершенствуется, отличается высокой степенью объективности, представляет собой наиболее достоверный (истинный) слой массива человеческого знания, имеющего большое значение для существования человека и общества.
Кроме того, это глубоко специализированное знание. Для "рядовых" потребителей естественно-научной культуры необходимы научно-мировоззренческие популярные "переводы" (толкования) знаний о природных объектах. В любом случае для человека вообще естественно-научная культура есть важнейшее средство социализации, а для многих специалистов -- решающее условие их эффективной деятельности.
Специфика гуманитарной культуры состоит в том, что знание о системе ценностных зависимостей в обществе активизируется исходя из принадлежности индивида к определенной социальной группе. В основе актуализаций нередко лежат общечеловеческие ценности (гуманизм, демократия, права человека, нормы морали и т. д.). Все это имеет решающее значение в социальной адаптации индивида.
Проблема истинности решается с учетом знания об объекте и оценки полезности этого знания познающим или потребляющим субъектом. При этом не исключается возможность толкований, противоречащих реальным свойствам объектов, насыщенность теми или иными идеалами и проектами будущего.
Взаимосвязь естественно-научной и гуманитарной культур заключается в следующем:
· они имеют единую основу, выраженную в потребностях и интересах человека, и человечества в создании оптимальных условий для самосохранения и совершенствования;


· осуществляют взаимообмен достигнутыми результатами (это нашло свое выражение, например, в этике естествознания, рационализации гуманитарной культуры и т. п.);
· взаимно координируют в историко-культурном процессе;
· являются самостоятельными частями единой системы знаний науки;
· имеют основополагающую ценность для человека, ибо он выражает единство природы и общества.
Антропная основа естественно-научной и гуманитарной культур приобретает на рубеже XX--XXI вв. первостепенное значение.

3. 
   Методология естествознания.
   

Методология - это учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности.
Методология естествознания - учение о принципах построения, формах и способах естественнонаучного познания. Так, например, методологическое значение имеют в естествознании законы сохранения. При любых исследованиях, теоретических построениях они должны обязательно учитываться.
Метод - это совокупность приемов или операций практической или теоретической деятельности. Метод можно также охарактеризовать как форму теоретического и практического освоения действительности, исходящего из закономерностей поведения изучаемого объекта. Ф. Бэкон [1] сравнивал правильный научный метод со светильником, освещающим путнику дорогу в темноте.
Методы научного познания включают так называемые всеобщие методы, т.е. общечеловеческие приемы мышления, общенаучные методы и методы конкретных наук. Методы могут быть классифицированы и по соотношению эмпирического знания (т.е. знания полученного в результате опыта, опытного знания) и знания теоретического, суть которого - познание сущности явлений, их внутренних связей. Классификация методов научного познания представлена на рис. 1,2.
Следует иметь в виду, что каждая отрасль естествознания наряду с общенаучными применяет свои конкретно-научные, специальные методы, обусловленные сущностью объекта исследования. Однако зачастую методы, характерные для какой-либо конкретной науки применяются и в других науках. Это происходит потому, что объекты исследования этих наук подчиняются также и законам данной науки. Например, физические и химические методы исследования применяются в биологии на том основании, что объекты биологического исследования включают в себя в том или ином виде физические и химические формы движения материи и, следовательно, подчиняются физическим и химическим законам (вспомним «лестницу Кекуле», рассмотренную нами в первой лекции).
Всеобщих методов в истории познания - два: диалектический и метафизический. Это общефилософские методы.
Диалектический метод - это метод познания действительности в ее противоречивости, целостности и развитии.

Метафизический [2] метод - метод, противоположный диалектическому, рассматривающий явления вне их взаимной связи и развития.
С середины 19-го века метафизический метод все больше и больше вытеснялся из естествознания диалектическим методом.



2. Методы научного познания

2.1. Общенаучные методы
Соотношение общенаучных методов также можно представить в виде схемы (рис.2).
2. Методы эмпирического и теоретического познания
Методы эмпирического и теоретического познания схематично представлены на рис.3.


3. Формы научного знания
К формам научного знания относят проблемы, научные факты, гипотезы, теории, идеи, принципы, категории и законы (см. рис.4).


4. Процесс научного познания
Определив формы научного знания и методы научного познания, мы можем схематично представить весь процесс научного познания в виде некоторой схемы (см. рис. 5).
5. Критерии истинности научного знания
В настоящее время, в силу ряда объективных причин в мире оказались весьма сильны антинаучные тенденции, представляющие собой заявку на понятное всем, четкое миропонимание, отличное от того, которое дает классическое естествознание. 

При этом в общественном сознании размывается грань между наукой и псевдонаукой, наукой и мистикой. В этих условиях важно знать критерии разграничения научных и псевдонаучных идей. На схеме рис. 6 даны принципы, справедливые для научных теорий, научного знания, которые отличают научное знание от псевдонаучного.

4. 
   Структурные уровни организации материи.
   

Развитие – это необратимое, направленное, закономерное изменение материи и сознания, их универсальное свойство; в результате развития возникает новое качественное состояние объекта – его состава или структуры. Развитие – всеобщий принцип объяснения природы, общества и познания, как исторически протекающих событий.
Различают две формы развития, между которыми существует диалектическая связь: эволюционную, связанную с постепенными количественными изменениями объекта (эволюция), и революционную, характеризующуюся качественными изменениями в структуре объекта (революция). Выделяют прогрессивную, восходящую линию развития (прогресс) и регрессивную, нисходящую линию (регресс). Прогресс – направленное развитие, для которого характерен переход от низшего к высшему, от менее совершенного к более совершенному.
Развитие, как бы повторяет уже пройденные ступени, но повторяет их иначе, на более высокой базе, так сказать, по спирали, а не по прямой линии; развитие скачкообразное, катастрофическое, революционное превращение количества в качество; внутренние импульсы к развитию, даваемые противоречием, сталкиванием различных сил и тенденций, действуют на данное тело или в пределах данного явления; непрерывная связь всех сторон каждого явления, связь, дающая единый, закономерный мировой процесс движения, – таковы некоторые черты диалектики, как более содержательного учения о развитии (А.К.Айламазян, Е.В.Стась).
Основной особенностью, отличающей развитие от других динамических процессов, например, от процесса роста, является качественное изменение во времени переменных, характеризующих состояние развивающейся системы (для процесса роста обычно говорят лишь о количественном изменении этих переменных). Причем качественное изменение носит скачкообразный характер. Постепенное монотонное изменение некоторого параметра в течение заметного времени сопровождается соответствующим постепенным изменением состояния системы, но в определенный момент происходит разрыв постепенности: состояние системы меняется скачком, система переходит на новый качественный уровень, количество переходит в качество. Затем повторяется все заново, но уже на новом качественном уровне (А.И.Яблонский).
В изучении развития материи современной наукой сделаны такие серьезные шаги, что сейчас можно с полным правом говорить о превращении идеи развития, эволюции в норму научного мышления для целого ряда областей знания.
Термин «эволюция» имеет несколько значений, однако чаще всего он используется как синоним развития. Так, И.И.Шмальгаузен определяет эволюцию как закономерный процесс исторического развития организма. Иногда термин «эволюция» используют в более узком смысле, понимая ее как одну из форм развития, которая противопоставляется революции.
Эволюция и революция рассматриваются как взаимообусловленные стороны развития, выступая против абсолютизации какой-либо из них. В любых процессах развития естественно наличие чередующихся участков: эволюционных и революционных.
Эволюция в широком смысле – представление об изменениях в природе и в обществе, их направленности, порядке, закономерностях; определенное состояние какой-либо системы рассматривается как результат более или менее длительных изменений ее предшествовавшего состояния; в более узком смысле – представление о медленном постепенном количественном изменении.


Эволюция в биологии – это необратимое историческое развитие живой природы. Определяется изменчивостью, наследственностью и естественным отбором организмов. Сопровождается приспособлением их к условиям существования, образованием видов, преобразованием биогеоценозов и биосферы в целом.
Эволюционная идея зародилась и развилась в XIX в. в качестве оппозиции представлению о неизменности мира, но своего апогея она достигла в нашем столетии, и ее принятие можно считать достижением XX в.
В прошлом веке идея неизменчивости органического мира нашла свое яркое выражение в лице Ж.Кювье. Кювье исходил из своей теории постоянства и неизменности видов и ее двух основных принципов – принципа корреляций и принципа условий существования. Неизменность вида входила, согласно Кювье, в организованность, упорядоченность природы. Его теорию катастроф, или смену фаун и флор, в данной органической области можно назвать теорией эволюции при неизменности видов, теорией нарушения гармонии природы только в результате катастрофических событий общеземного масштаба.
Теория типов, теория гармонии природы и теория неизменности видов прекрасно согласовались друг с другом и составляли фундамент естествознания первой половины XIX в.
Познавательная ценность этих представлений об устойчивости органического мира была огромна. Представления о неизменности видов легли в основу их классификации. Теория типов позволяла делать прогнозы. Гениальная эволюционная идея Ламарка, на полстолетия опередившего свое время, не нашла отклика отчасти потому, что, ополчившись на постоянство вида, он направил свою полемику и против его реальности.
Ч.Дарвин впервые обосновал эволюцию и убедил своих современников именно потому, что он сочетал признание реальности вида с научной теорией его изменяемости.
В XX в. идею гармонии природы сменила идея эволюции. Принцип гармонии природы, теория типов и представление об устойчивости вида отодвинулись в сознании людей на задний план, а многим казались опровергнутыми. С течением времени, однако, полное обоснование эволюционной идеи породило свою противоположность. В науке XX в. вновь возродилась идея устойчивости. И с тем же благородным рвением, с каким человеческая мысль разрушала теорию типов и теорию неизменности видов, она устремилась на поиски механизмов поддержания устойчивости.
В.И.Вернадский сумел раскрыть на уровне биосферы в целом взаимодействие эволюционного процесса и идеи устойчивости живой природы. В 1928 г. В.И.Вернадский писал: «В геохимическом аспекте, входя как часть в мало изменяющуюся, колеблющуюся около неизменного среднего состояния биосферу, жизнь, взятая как целое, представляется устойчивой и неизменной в геологическом времени. В сложной организованности биосферы происходили в пределах живого вещества только перегруппировки химических элементов, а не коренные изменения их состава и количества – перегруппировки, не отражавшиеся на постоянстве и неизменности геологических – в данном случае геохимических процессов, в которых эти живые вещества принимали участие.
Устойчивость видовых форм в течение миллионов лет, миллионов поколений, может, даже составляет самую характерную черту живых форм».
По сложившемуся общему мнению, вершиной творчества Вернадского является учение о биосфере и об эволюционном переходе ее под влиянием человеческого разума в новое состояние – ноосферу: «Масса живого вещества, его энергия и степень организованности в геологической истории Земли непрерывно эволюционировали, никогда не возвращаясь в прежнее состояние. Преобразования в поверхностной оболочке планеты под влиянием деятельности человека стали естественным этапом этой эволюции. Вся биосфера, изменившись коренным образом, должна перейти в новое качественное состояние, сферу действия человеческого разума».
Переводя теорию Дарвина на язык кибернетики, И.И.Шмальгаузен показал, что само преобразование органических форм закономерно осуществляется в рамках относительно стабильного механизма, лежащего на биогеоценотическом уровне организации жизни и действующего по статистическому принципу. Это и есть высший синтез идеи эволюции органических форм с идеей устойчивости и идеей постоянства геохимической функции жизни в биосфере. Так воедино оказались слитыми и вместе с тем поднятыми на новый современный уровень концепции Кювье, Дарвина, Вернадского.
Основные направления поиска в эволюционной теории – это разработка целостных концепций, более адекватно отражающих системный характер изучаемых явлений.
Общепризнанным является тезис о движении как атрибуте материи, и встает вопрос, можно ли считать атрибутом материи развитие. Эти проблемы оживленно дискутируются, и на сегодня общепризнанной точки зрения нет. Существует точка зрения, что движение – более общий момент, а развитие – частный случай движения, т.е. развитие не является атрибутом материи. Другая точка зрения настаивает на атрибутивном характере развития. Решение вопроса об атрибутивном характере развития связано с тем содержанием, которое вкладывается в понятие «развитие». Обычно выделяют три подхода:
– развитие как круговорот;
– развитие как необратимое качественное изменение;
– развитие как бесконечное движение от низшего к высшему.
Эти подходы справедливы, когда речь идет не о материи вообще, а о каком-либо материальном образовании.
К материи в целом, материи как таковой понятие развития приложимо, но не в том смысле, в каком мы говорим о развитии отдельных предметных областей. Материя как объективная реальность – это именно вся совокупность вещей и явлений окружающего нас мира. Она непрерывно развивается, и это развитие не означает ничего иного, кроме непрерывного развития всех ее конкретных проявлений. Материя есть предельно общая философская категория, а естествознание всегда имело и будет иметь дело с «материей на 

данном уровне проникновения в нее». Единственно известной нам материи мы сегодня можем приписывать развитие не только на основании общефилософских соображений, а и на основе достаточно апробированных естественнонаучных теорий.
Тезис о развитии как атрибуте материи до недавнего времени трудно было согласовать с данными естествознания, где единственный закон, включающий направленность происходящих изменений, – это второе начало термодинамики, говорящее скорее о тенденции к деградации. Второе начало является одним из естественнонаучных выражений принципа развития, определяющим эволюцию материи. Поскольку принцип увеличения энтропии отражает необратимость всех реальных процессов и тем самым означает необратимое изменение всех известных форм материи, т.е. их переход в какие-то иные формы, для которых уже будут недействительны существующие законы, то его можно считать естественнонаучным выражением философского принципа развития.
Второе начало имеет тот же статус, что и первое начало (закон сохранения энергии), и его действие не противоречит развитию Вселенной. Напротив, сам принцип развития находит свое естественнонаучное обоснование во втором начале термодинамики. Принцип возрастания энтропии рассматривается как одна из естественнонаучных конкретизаций принципа развития, отражающая образование новых материальных форм и структурных уровней в неорганической природе.
Одной из фундаментальных черт современного естествознания и вместе с тем направлений его диалектизации является все более глубокое и органичное проникновение в систему наук о природе эволюционных идей, которые неразрывно связаны с концепцией иерархии качественно своеобразных структурных уровней материальной организации, выступающих как ступени, этапы эволюции природных объектов. Если всего лишь несколько десятилетий назад исследования эволюционных процессов в различных областях естествознания были довольно слабо связаны между собой, то сейчас положение изменилось радикальным образом: выявляются контуры единого (в многообразии своих конкретных проявлений) процесса эволюции охваченных исследованиями областей природы.
Практика современной научно-исследовательской деятельности выдвигает новые задачи в понимании эволюционных процессов, поэтому формируется некий слой знаний, не имеющий статуса отдельной науки, но составляющий важный компонент культуры мышления современного ученого. Этот слой знания является как бы промежуточным между философией, диалектикой как общей теорией развития и конкретно-научными эволюционными концепциями, отражающими специфические закономерности эволюции живых организмов, химических систем, земной коры, планет и звезд.
Можно, видимо, говорить о нескольких взаимосвязанных и соподчиненных понятиях эволюции в рамках естественнонаучной картины мира. Наиболее общим из них и применимым практически в пределах всей доступной исследованию области природы, неживой и живой, следует считать понятие эволюции как необратимого изменения структуры природных объектов.
В классическом естествознании, и, прежде всего в естествознании прошлого века, учение о принципах структурной организации материи было представлено классическим атомизмом. Именно на атомизме замыкались теоретические обобщения, берущие начало в каждой из наук. Идеи атомизма служили основой для синтеза знаний и его своеобразной точкой опоры. В наши дни под воздействием бурного развития всех областей естествознания классический атомизм подвергается интенсивным преобразованиям. Наиболее существенными и широко значимыми изменениями в наших представлениях о принципах структурной организации материи являются те изменения, которые выражаются в нынешнем развитии системных представлений.
Общая схема иерархического ступенчатого строения материи, связанная с признанием существования относительно самостоятельных и устойчивых уровней, узловых точек в ряду делений материи, сохраняет свою силу и эвристические значения. Согласно этой схеме дискретные объекты определенного уровня материи, вступая в специфические взаимодействия, служат исходными при образовании и развитии принципиально новых типов объектов с иными свойствами и формами взаимодействия. При этом большая устойчивость и самостоятельность исходных, относительно элементарных объектов обусловливает повторяющиеся и сохраняющиеся свойства, отношения и закономерности объектов более высокого уровня.
Это положение едино для систем различной природы.
Любая сложная система, возникшая в процессе эволюции по методу проб и ошибок, должна иметь иерархическую организацию. Действительно, не имея возможности перебрать все мыслимые соединения из нескольких элементов, а найдя научную комбинацию, размножает ее и использует – как целое – в качестве элемента, который можно полностью связать с небольшим числом других таких же элементов. Так возникает иерархия. Это понятие играет огромную роль. Фактически всякая сложная система, как возникшая естественно, так и созданная человеком, может считаться организованной, только если она основана на некоей иерархии или переплетении нескольких иерархий. Мы не знаем организованных систем, устроенных иначе.
Концептуальные формы выражения идеи структурных уровней материи многообразны. Определенное развитие идея уровней получила в ходе анализа концептуального аппарата фундаментальных, относительно завершенных физических теорий, теории эволюции живых организмов.
Одна из актуальных проблем, которую ставит изучение иерархии структурных уровней природы, заключается в поисках границ этой иерархии как в мегамире, так и в микромире. Иерархичность уровней отражается в иерархичности классификационных понятий, характерных для описательных теорий различных наук. С наличием определенных уровней материи связано существование ряда самостоятельных научных дисциплин.
Уровни становятся такими спиралями только при всестороннем развитии преемственности, без которой могут быть лишь хаотические смены круговоротов изменений. Поэтому «развитие развития» возможно только на основе обогащения форм преемственности, которая позволяет в той или иной мере сохранять достигнутые преобразования, чтобы включать их в линии процессов эволюции, а также онтогенеза. Возникновение нового без преемственности обречено было бы каждый раз начинать развитие с «самого начала».
В ходе прогресса число взаимосвязанных уровней возрастает и объекты становятся все более многоуровневыми. Объекты каждой последующей ступени возникают и развиваются в результате объединения и дифференциации определенных множеств объектов предыдущей ступени. Системы становятся все более многоуровневыми. Сложность системы возрастает не только потому, 

что возрастает число уровней. Существенное значение приобретает развитие новых взаимосвязей между уровнями и со средой, общей для таких объектов и объединений. В этих взаимосвязях все большее значение получает информация.

5. 
   Понятие пространства и времени.
   

Пространство и время, всеобщие формы существования материи. П. и в. не существуют вне материи и независимо от неё.
Пространственными характеристиками являются положения относительно др. тел (координаты тел), расстояния между ними, углы между различными пространственными направлениями (отдельные объекты характеризуются протяжённостью и формой, которые определяются расстояниями между частями объекта и их ориентацией). Временные характеристики — "моменты", в которые происходят явления, продолжительности (длительности) процессов. Отношения между этими пространственными и временными величинами называются метрическими. Существуют также и топологические характеристики П. и в. — "соприкосновение" различных объектов, число направлений. С чисто пространственными отношениями имеют дело лишь в том случае, когда можно отвлечься от свойств и движения тел и их частей: с чисто временными — в случае, когда можно отвлечься от многообразия сосуществующих объектов.
Однако в реальной действительности пространственные и временные отношения связаны друг с другом. Их непосредственное единство выступает в движении материи; простейшая форма движения — перемещение — характеризуется величинами, которые представляют собой различные отношения П. и в. (скорость, ускорение) и изучаются кинематикой. Современная физика обнаружила более глубокое единство П. и в. (см. Относительности теория), выражающееся в совместном закономерном изменении пространственно-временных характеристик систем в зависимости от движения последних, а также в зависимости этих характеристик от концентрации масс в окружающей среде.
Для измерения пространственных и временных величин пользуются системами отсчёта.
По мере углубления знаний о материи и движении углубляются и изменяются научные представления о П. и в. Поэтому понять физический смысл и значение вновь открываемых закономерностей П. и в. можно только путём установления их связей с общими закономерностями взаимодействия и движения материи.
Понятия П. и в. являются необходимой составной частью картины мира в целом, поэтому входят в предмет философии. Учение о П. и в. углубляется и развивается вместе с развитием естествознания и прежде всего физики. Из остальных наук о природе значительную роль в прогрессе учения о П. и в. сыграла астрономия и в особенности космология.
Развитие физики, геометрии и астрономии в 20 в. подтвердило правильность положений диалектического материализма о П. и в. В свою очередь диалектико-материалистическая концепция П. и в. позволяет дать правильную интерпретацию современной физической теории П. и в., вскрыть неудовлетворительность как субъективистского ее понимания, так и попыток "развить" её, отрывая П. и в. от материи.
Пространственно-временные отношения подчиняются не только общим закономерностям, но и специфическим, характерным для объектов того или иного класса, поскольку эти отношения определяются структурой материального объекта и его внутренними взаимодействиями. Поэтому такие характеристики, как размеры объекта и его форма, время жизни, ритмы процессов, типы симметрии, являются существенными параметрами объекта данного типа, зависящими также от условий, в которых он существует. Особенно специфичны пространственные и временные отношения в таких сложных развивающихся объектах, как организм или общество. В этом смысле можно говорить об индивидуальных П. и в. таких объектов (например, о биологическом или социальном времени).

6. 
   Естественнонаучная картина мира.
   

Последний, четвертый раздел нашего интегративного курса посвятим изучению современной научной картины мира, знание которой очень важно для выработки научного миропонимания.
Человеку всегда было свойственно описывать окружающий мир, изучать и представлять его строение, рассказывать о своих представлениях об окружающем мире другим людям.
Под научной картиной мира понимается целостная система представлений о мире, его общих свойствах и закономерностях, возникающая в результате обобщения и синтеза основных естественно-научных понятий и принципов.
Общая научная картина мира складывается в результате синтеза знаний, получаемых различными науками, и содержит общие представления о мире, вырабатываемые на различных стадиях исторического развития науки. Общая научная картина мира включает представления о природе и обществе.
Естественно-научной картиной мира называется часть общей научной картины мира, которая включает в себя представления о природе.
Создание единой естественно-научной картины мира предполагает установление связей между науками. В структуре конкретных наук в их главных компонентах выражена собственная целостная картина природы, которая называется специальной (или локальной) картиной мира. Эти картины являются в какой-то степени фрагментами окружающего мира, которые изучаются методами данной науки (например, биологическая картина мира, химическая картина мира, физическая картина мира). Такие картины часто рассматривают как относительно самостоятельные фрагменты единой научной картины мира.
Мы уже говорили, что научное знание представляет собой огромную массу взаимодействующих между собой элементов знаний. Существуют самые разнообразные формы описания этого взаимодействия слоев научных знаний.
В рамках картин мира осуществляется систематизация знаний соответствующей науки (или группы наук), они являются наглядным воплощением системы взаимодействующих элементов знаний - теорий (фундаментальных и прикладных), которые представляют собой развитые системы научных понятий и связей между ними.
В рамки картин мира вписываются известные научные факты. Картины мира обеспечивают целостность научной отрасли (науки), формируют нам методы научного познания и определяют стратегию научного поиска, ставят задачи эмпирических и теоретических исследований, наглядно отображают их результаты.
Итак, различают:
· общенаучную картину мира, которая выступает как форма систематизации знаний, вырабатываемых в естественных и гуманитарных науках;
· естественно-научную картину мира (картину природы);
· социально-историческую картину мира (картину общества);
· специальные (локальные) картины мира отдельных научных отраслей (физическую, химическую, биологическую, астрономическую, политическую, экономическую, демографическую и т.д.).
Самые первые картины мира были разработаны в рамках античной философии и носили натурфилософский характер.
Подлинно научные картины мира возникают в XVI-XII вв.
Раньше других возникла физическая картина мира как общая теоретическая основа для всех наук о неживой природе.
Биологическая картина мира в качестве теоретической основы наук о живой природе возникла лишь в XIX веке. Биологические науки долгое время были чрезвычайно обособлены друг от друга, менее взаимосвязаны, чем группа физико-химических наук. Объединение биологических наук произошло вместе с введением Ч. Дарвином основных понятий современной биологии (приспособление, наследственность и изменчивость, естественный отбор, борьба за существование, эволюция и др.). На их основе строится единая картина биологических явлений, связывающая все науки о природе в одну область наук и дающая возможность построения законченных биологических теорий.
Ядром единой естественно-научной картины мира в целом является физическая картина мира, поскольку физика является фундаментальным базисом современного миропонимания. Многовековое развитие физики привело к созданию целостной естественно-научной картины нашего мира и его развития.
Некоторые современные исследователи берут за основу построения развивающейся естественнонаучной картины мира такую категорию, как информация. По их мнению, мы переживаем этап становления новой информационной картины мира, которая позволяет наглядно и целостно представить всеобщие связи и взаимообусловленность явлений в процессе исторического развития.

7. 
   Физическая картина мира.
   

Понятие "физическая картина мира" употребляется давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физического знания, но и как особый самостоятельный вид знания - самое общее теоретическое знание в физике (система понятий, принципов и гипотез), служащее исходной основой для построения теорий. Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой - вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы, которых до этого не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания: старые физические понятия и принципы ломаются, новые возникают, картина мира меняется. Ключевым в физической картине мира служит понятие "материя", на которое выходят важнейшие проблемы физической науки. Поэтому смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это происходило два раза. Сначала был совершен переход от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым - континуальным. Затем, в XX в., континуальные представления были заменены современными квантовыми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира.
Одной из первых возникла механистическая картина мира, поскольку изучение природы началось с анализа простейшей формы движения материи - механического перемещения тел.

Физическая картина мира - под этим термином понимают представление о природе (иногда в более узком смысле - о неорганическом мире), исходящее из некоторых общих физических принципов. В этом смысле Ф. к. м. была античная атомистика, физика Декарта, система Ньютона. В 17 -18 вв. все попытки построения Ф. к. м. характеризовались идеей сводимости сложных явлений природы к простым механическим перемещениям дискретных частей вещества. В 19 в. в естествознании утвердилось представление о специфических закономерностях сложных, не сводимых к более простым форм движения. Это представление было высказано в наиболее глубоком и общем виде в «Диалектике природыг- Энгельса. Ф. к. м. 19 в. основана на иерархии форм движения и их взаимных переходах, и в этом смысле идея сохранения и превращения энергии является ее наиболее общим физическим принципом. В 20 в. законы ньютоновой механики уже не могли играть роли наиболее общих законов. На эту роль претендовали законы электромагнитных явлений, но электромагнитная картина мира не могла охватить всю совокупность физических явлений. С др. стороны, электромагнитные поля не укладывались в рамки общей теории относительности, описывающей гравитационные поля. Попытки построения единой теории поля, предпринятые Эйнштейном и др. физиками во второй четверти 20 в., не привели к созданию новой и цельной Ф. к. м. Основой такой картины может стать единая теория элементарных частиц и их превращений, предварительные наброски к-рой сейчас намечаются в физике. Т. обр., развитие науки подтверждает идеи диалектического ма-. териализма, к-рый, по словам Ленина, отнюдь не утверждает «обязательно «механическую», а не электромагнитную, не какую-нибудь еще неизмеримо более сложную картину мира, как движущейся материи» (т. 18, с. 296).

8. 
   Принципы инерции и относительности.
   

Хаpактеp движения тел зависит от их взаимодействия. Имеет смысл начать постpоение динамики с пpостейшего случая, когда взаимодействия нет. Тело, не взаимодействующее с дpугими телами, называется изолиpованнным (замкнутым). Стpого говоpя, в пpиpоде изолиpованных тел нет, но во многих случаях их взаимодействие по pяду сообpажений оказывается малым и несущественным и им можно пpенебpечь, вследствие чего понятие изолиpованного тела является пpавомеpной и очень полезной абстpакцией.



Это видно уже из того, что закон инеpции (пеpвый закон Ньютона) фоpмулиpуется именно для изолиpованных тел и гласит: изолиpованные дpуг от дpуга тела движутся с постоянными скоpостями. В частном случае они могут быть неподвижны по отношению дpуг к дpугу.

Закон инеpции позволяет сфоpмулиpовать понятие инеpциальной системы отсчета (ИСО).

Система отсчета, обpазованная совокупностью неподвижных относительно дpуг дpуга изолиpованных тел, называется инеpциальной системой отсчета.

Закону инеpции можно пpидать дpугую фоpмулиpовку. В ИСО изолиpованное тело движется с постоянной скоpостью, т.е. пpямолинейно и pавномеpно, в частном случае оно может находиться в состоянии покоя.

Впеpвые закон инеpции был откpыт Галилеем в начале ХVII века. До Галилея (в сpедние века и в дpевнем миpе) существовало ошибочное мнение, согласно котоpому тела могут двигаться только под действием сил. Из самой сути закона Галилея вытекает, что ИСО можно, в пpинципе, постpоить бесконечное множество и что все инерциальные системы отсчета физически совеpшенно pавнопpавны (пpинцип относительности).

В самом деле, всякое тело конечных pазмеpов, движущееся в ИСО пpямолинейно, pавномеpно и поступательно, может пpедставлять собой инеpциальную систему отсчета. Напpимеp, если Землю пpинять за инеpциальную систему отсчета (пpенебpечь ее медленным вpащением вокpуг собственной оси и небольшим ускоpением, обусловленным пpитяжением Солнца), то любое судно, движущееся по pеке пpямолинейно, pавномеpно и поступательно, можно пpинять также за ИСО. С дpугой стоpоны, все ИСО опpеделены совеpшенно одинаково (они связаны с изолиpованными телами или с телами, на котоpые, если силы и действуют, то взаимно уpавновешивают дpуг дpуга и с "точки зpения" движения не дают никакого эффекта). Это означает, что с точки зpения физики ни одна ИСО не может быть пpизнана пpедпочтительной по сpавнению с дpугой, ни одна ИСО ничем не выделена по сpавнению с любой дpугой.

Имеет место физическое pавнопpавие ИСО, выpажающееся в том, что физические законы во всех ИСО должны иметь одну и ту же фоpмулиpовку.

В этом утвеpждении заключается пpинцип относительности. Обычно законы пpиpоды выpажаются в виде тех или иных уpавнений.

Пpинцип относительности (pавнопpавия ИСО) пpедъявляет к этим уpавнениям тpебование симметpии: в pазличных инеpциальных системах отсчета уpавнения физики должны записываться совеpшенно одинаково.

Если этого не случается (что всегда нетpудно пpовеpить, т.к. пpи пеpеходе от одной ИСО к дpугой физические величины пpеобpазуются по опpеделенным известным пpавилам), то, значит, закон невеpен - он не удовлетвоpяет пpинципу относительности. Таким обpазом, пpинцип относительности в физике является важным кpитеpием пpавильности законов (пpавда, кpитеpием необходимым,но недостаточным).

Пpинцип относительности легко подтвеpждается на опыте. Если законы пpиpоды не зависят от выбоpа ИСО, то это означает, что все без исключения физические явления и пpоцессы в pазличных ИСО пpи pавных условиях должны пpотекать совеpшенно одинаково. Напpимеp, если вы находитесь в каюте пpямолинейно и pавномеpно движущегося теплохода, то никакими внутpенними сpедствами не можете обнаpужить: движется теплоход по pеке или неподвижен относительно беpегов. Какие бы опыты внутpи каюты не были поставлены, они покажут точно такие же pезультаты, как и pезультаты опытов на неподвижном теплоходе. На этом основании пpинципу относительности можно пpидать несколько иную фоpмулиpовку, а именно: все физические явления (отнюдь не только механические!) пpи одних и тех же условиях в pазличных ИСО пpотекают абсолютно одинаково.

Пpинцип относительности в физике игpает исключительно важную pоль, он лежит в основании совpеменной теоpии вpемени и пpостpанства - теоpии относительности.

9. 
   Закон сохранения и превращения энергии.
   

Закон сохранения и превращения энергии - общий закон природы, согласно которому:

- Энергия любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянной.

- Энергия может только превращаться из одной формы в другую и перераспределяться между частями системы.

Великая французская революция и последовавшие за ней наполеоновские войны существенно изменили лицо Европы.
Наступило Новое время, которое развеяло иллюзии, все еще витавшие в стенах алхимических лабораторий, и серьезно поколебало веру в сверхъестественные силы. Алхимия так и не дождалась поры, чтобы пополнить свой терминологический словарь, изобиловавший названиями многочисленных тинктур, ляписов и т.п., такими реальными понятиями, как работа и энергия. Глубокая разработка указанных понятий заставила провести переоценку всей тогдашней механики и науки о теплоте. В этих упорных, трудных и не всегда удачных поисках истины, кроме Декарта и Лейбница, принимали участие Эйлер, Бернулли, Ломоносов и многие другие ученые. При этом большинству из них не хватало прежде всего подходящей модели, на которой возможно было бы проверить правильность высказанных гипотез. Ситуация существенно изменилась с изобретением паровой машины — именно она открыла путь к глубокому и последовательному анализу понятия тепла и, более того, к опытной количественной оценке процессов превращения энергии из одной формы в другую. Ключом к дальнейшему успеху, несомненно, послужило правильное понимание понятия теплоты. Однако не теплород и не флюидная теория, а только победившие в конце концов материально-кинетические представления о сущности тепла вывели физические исследования XIX в. на правильную дорогу.
Согласно историческим свидетельствам, Юлиус Роберт Майеррисунок 87, один из тех, кто своими исследованиями открыл новую, энергетическую эру, в возрасте десяти лет сконструировал свой первый и последний перпетуум мобиле. Как и многие другие его предшественники, он также поддался иллюзии вечного движения и захотел проверить эту идею на практике. Мальчик построил небольшую «сухую» водяную мельницу с водяным колесом и коклеей (архимедовым винтом) для обратного перекачивания воды к лопастям водяного колеса. Быть может, именно неудача, постигшая его, как и всех остальных, дала будущему исследователю материал для размышлений сн*.
В начале сороковых годов XIX в. Майеру удалось сформулировать один из важнейших законов современной физики — закон сохранения энергии, согласно которому энергия в произвольной замкнутой системе при любых процессах, происходящих в системе, остается величиной постоянной и лишь переходит из одной формы в другую.
Майер прекрасно сознавал равносильность закона сохранения энергии и утверждения о невозможности создания перпетуум мобиле. Так, об отрицательном отношении к вечному двигателю он писал в 1842 г. своему другу В. Гризингеру:
«Этот закон вытекает как необходимое следствие из неопровержимых принципов. Но у меня есть и другое доказательство, близкое мне лично и свидетельствующее о справедливости моих установлений, — это доказательство от противного. В науке общепризнанно, что создать перпетуум мобиле невозможно (если даже отвлечься мысленно от всяческих механических 

сопротивлений, таких как трение и т.п.). Мое утверждение (речь идет о законе сохранения энергии.) можно вывести в качестве необходимого следствия из самого факта невозможности существования вечного двигателя. Если же, тем не менее, кому-либо удастся опровергнуть это мое утверждение, то я немедленно создам перпетуум мобиле».
Важную роль в установлении точной количественной формулировки закона сохранения энергии сыграл знаменитый немецкий естествоиспытатель, врач, физик и философ Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц. В 1847 г. он выступил в Берлине на заседании недавно образованного Физического общества со своим знаменитым докладом «О сохранении силы», где он высказался и о вечном движении:
«Вообразим себе систему тел природы, которые состоят в известных пространственных взаимоотношениях друг с другом и начинают двигаться под действием своих взаимных сил до тех пор, пока они не придут в определенное другое положение; мы можем рассматривать приобретенные ими скорости как результат определенной механической работы и можем выразить их через работу. Если бы мы захотели, чтобы те же силы пришли в действие во второй раз, совершая еще раз ту же работу, то мы должны бы были привести тела каким бы то ни было образом в первоначальные условия, применяя другие силы, которыми мы можем располагать. Мы на это затратим определенное количество работы приложенных сил. В этом случае наш принцип требует, чтобы количество работы, которое получается, когда тела системы переходят из начального положения во второе, и количество работы, которое затрачивается, когда они переходят из второго положения в первое, всегда было одно и то же, каков бы ни был способ перехода, путь перехода или его скорость.

Так как если бы величина работы была на каком-нибудь одном пути больше, чем на другом, то мы могли бы пользоваться первым путем для получения работы, а вторым — для обратного перемещения тел, при котором мы могли бы затратить только часть полученной работы. И мы получили бы неопределенно большое количество механической силы, т.е. мы могли бы построить вечный двигатель (perpetuum mobile), который не только поддерживал бы свое собственное движение, но и был бы в состоянии давать силу для совершения внешней работы».
Независимо от Майера закон сохранения энергии был также установлен английским физиком Джеймсом Прескоттом Джоулем, проводившим в начале 40-х годов XIX в. свои классические опыты по выделению тепла в проводниках при прохождении по ним электрического тока. В 1843 г. эти опыты привели его к определению механического эквивалента тепла. Таким образом, усилиями Майера и Джоуля было сделано открытие, принесшее первое экспериментальное доказательство кинетического характера тепла — этой некогда загадочной и таинственной субстанции. Правда, в первых своих опытах, которые не могли отличаться большой точностью, Джоуль получил значение механического эквивалента тепла, равное 460 кгм/ккал; более поздние опыты дали весьма точное значение 425 кгм/ккал. В конце концов, в результате последовавших затем многочисленных измерений оказалось, что одной единице тепла — килокалории, определяемой, как количество тепла, необходимое для нагревания одного килограмма деаэрированной воды при нормальном атмосферном давлении от 14,5°С до 15,5°С, соответствует 4186,8 джоулей (418,7 кгм) механической работы.
Обнаружение Майером, Джоулем и другими исследователями взаимосвязи между механической энергией и теплотой и нахождение их количественной эквивалентности способствовало укреплению корпускулярной теории тепла, основанной на гипотезе, что теплота обусловлена движением молекул и что преобразование тепла в работу и есть, собственно, трансформация одного вида движения в другой.
С момента открытия закона сохранения энергии прошло почти два столетия. Сегодня в его справедливости, естественно, нет никаких сомнений: по существу, его доказала вся техническая практика человечества, несчетное число раз подтвердившая, что самая совершенная паровая машина, двигатель внутреннего сгорания или турбина способны совершать работу только тогда, когда к ним подводится энергия от внешнего источника. Растаяли и надежды, с которыми сторонники перпетуум мобиле приветствовали на первых порах появление паровой машины, ожидая, что после своего усовершенствования она будет способна работать как некое идеальное устройство с кругооборотом постоянного количества энергии, непрерывно переходящей из механической формы в тепловую и обратно.

10. 
    Принцип возрастания энтропии.
    

Принцип возрастания энтропии сводится к утверждению, что энтропия изолированных систем неизменно возрастает при всяком изменении их состояния и остается постоянной лишь при обратимом течении процессов
В связи с развитием теплотехники ученые в прошлом веке пришли к простому, но удивительному закону, потрясшему человечество. Это закон (иногда его называют принцип ) возрастания энтропии (хаоса) во Вселенной. Этот закон не опровергнут до сих пор, все попытки его обойти, хитроумные опровержения, неизменно рассыпались при тщательном научном рассмотрении.
Говоря проще, этот закон утверждает, что любая сложная структура может только упрощаться, т.е. разрушаться.
Другими словами, это значит, что энергия в материальном мире может только рассеиваться, но не может сама собой концентрироваться.
Из закона возрастания энтропии (второго закона термодинамики), в частности, следует, что тепловая энергия может переходить только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, но никак не наоборот. Отсюда вытекает очевидное следствие, что рано или поздно наступит так называемая «Тепловая смерть Вселенной», т.е. температура всех её частей выровняется, все процессы (включая жизнь) прекратятся и Вселенная застынет в мертвом вечном равновесии.
Однако этот закон справедлив только для изолированной однородной системы, т.е. системы без притока или оттока энергии, имеющей однотипную структуру. Земля, к счастью, как и многие другие планеты, относится к так называемым открытым системам. Она непрерывно получает мощный поток лучистой энергии от Солнца и избыток этой энергии также непрерывно излучает обратно в космическое пространство. Причем разные части Земли получают и отдают энергию неодинаково. Энтропия этих частей разная, между ними происходит обмен энергией, переход её из одной формы в другую. Вот почему мы наблюдаем течение рек, дожди, ветры, грозы, бури, землетрясения и другие природные явления.

11. 
    Предпосылки современной теории строения атома.
    



К моменту появления теории химического строения А.М. Бутлерова многое уже было известно о валентности элементов: Э. Франкланд установил валентность для ряда металлов, для органических соединений А.Кекуле предложил четырехвалентность атома углерода ( 1858) , было высказано предположение об углерод-углеродной связи, о возможности соединения атомов углерода в цепи ( 1859, А.С. Купер, А.Кекуле ). Эта идея сыграла большую роль в развитии органической химии. Важным событием в химии был Международный конгресс химиков ( 1860, г.Карлсруэ), где были четко определены понятия об атоме, молекуле, атомном весе, молекулярном весе. До этого не было общепризнанных критериев для определения этих понятий, поэтому была путаница в написании формул веществ. А.М. Бутлеров считал самым существенным успехом химии за период с 1840 по 1880г. установление понятий об атоме и молекуле, что дало толчок развитию учения о валентности и позволило перейти к созданию теории химического строения. Таким образом, теория химического строения возникла не на пустом месте. Объективными предпосылками ее появления явились: а). Введение в химию понятий о валентности и особенно, о четырехвалентности атома углерода, б). Введение понятия об углерод-углеродной связи. в). Выработка правильного представления об атомах и молекулах.

12. 
    Строение атома.
    

А́том (др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.[1]. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.
Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

Субатомные частицы

Основная статья: Субатомные частицы
Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.
Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10−28 г, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами.[11] Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726×10−24 г). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929×10−24 г).[12] При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих её протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5×10−15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо.[13]
В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +2⁄3 или −1⁄3 элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.[14][15]

[править]

Электронное облако

Основная статья: Орбиталь
Термин «электронное облако» не совсем корректен с точки зрения квантовой механики, поэтому вместо него физики чаще всего говорят об «облаке вероятности».
Электроны в атоме притягиваются к протонам, находящимся в ядре, под действием электромагнитных сил. Эти силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо передать энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.
Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Электронное облако представляют собой часть потенциального барьера, в которой электронам соответствуют трёхмерные стоячие волны, не изменяющие своей формы с течением времени относительно ядра. Говорят, что электрон движется по орбитали. На самом же деле это состояние описывают волновой функцией, квадрат которой характеризует плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Существует дискретный набор таких орбиталей, и электроны могут находиться длительное время только в этих состояниях, так как они являются наиболее устойчивыми.
Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора).

13. 
    Корпускулярно-волновой дуализм. Квантовая механика.
    

Корпускулярно-волновой дуализм - это теория о том, что любое вещество (электромагнитное излучение, физическое тело, атом и т.п.) представляется на микроуровне одновременно и как мельчайшие частицы (корпускулы), и как волны.
В частности, свет - это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны.
Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.


Согласно де Бролю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики - энергия E и импульс p, а с другой стороны - волновые характеристики - частота и длина волны.
Так как дифракционная картина исследовалась для потока электронов, то необходимо было доказать, что волновые свойства присущи каждому электрону в отдельности. Это удалось экспериментально подтвердить в 1948 г. советскому физику В. А. Фабриканту. Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов в десятки миллионов раз более интенсивных.
Современная трактовка корпускулярно-волнового дуализма может быть выражена словами физика В. А. Фока (1898-1974): «Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна - частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого дуализма в виде какой-нибудь модели неправильно».

14. 
    Химическая картина мира.
    

Отсутствие в химии теоретических основ, позволяющих точно предсказывать и рассчитывать протекание химических реакций, не позволяло ставить её в ряд с науками, обосновывающими само бытие. Поэтому высказывание Д.И. Менделеева о химическом понимании мирового эфира не только не было востребовано в начале 20 века, но и оказалось незаслуженно полностью забыто на целое столетие. Связано ли это с тогдашним революционным переворотом в физике, который захватил и увлёк большинство умов в 20 веке в изучение квантовых представлений и теории относительности, сейчас уже не так важно. Жаль только, что выводы гениального учёного, к тому же признанного в то время, не пробудило качественно другие философско-методологические принципы, отличные от философских принципов, которые, кстати, в изобилии фигурировали в рассуждениях физиков.
Объяснение столь нежелательного забвения скорее всего связано с распространением редукционистских течений, вызванных возвеличением физики. Именно сведение химических процессов к совокупности физических как бы прямо указывало на ненужность химических воззрений при анализе первооснов бытия. Кстати, когда химики пытались защитить специфику своей науки доводами о статистическом характере химических взаимодействий в отличие большинства взаимодействий в физике, обусловленных динамическими законами, физики тут же указывали на статистическую физику, которая якобы более полно описывает подобные процессы.
Специфика химии терялась, хотя наличие строгой геометрии связей взаимодействующих частиц в химических процессах вносило в статистическое рассмотрение специфический для химии информационный аспект.
Анализ сущности информационно-фазового состояния материальных систем резко подчёркивает информационный характер химических взаимодействий. Вода как химическая среда, оказавшись первым примером информационно-фазового состояния материальных систем, соединила в себе два состояния: жидкое и информационно-фазовое именно по причине близости химических взаимодействий к информационным.
Вакуум как электромагнитная среда физического пространства, проявившая свойства информационно-фазового состояния, скорее всего, ближе к среде, в которой протекают процессы, по форме напоминающие химические. Поэтому химическое понимание мирового эфира Д.И. Менделеева становится чрезвычайно актуальным. Давно замеченное терминологическое совпадение при описании соответствующих процессов превращения частиц в химии и в физике элементарных частиц как реакций дополнительно подчёркивает роль химических представлений в физике.
Предполагаемая взаимосвязь между информационно-фазовыми состояниями водной среды и электромагнитной среды физического вакуума свидетельствует о сопутствующих химическим процессам изменениях в физическом вакууме, что, вероятно, и ощущал Д.И. Менделеев в своих экспериментах.
Следовательно, в вопросе о природе мирового эфира химия в каких-то моментах выступает даже определяющей по отношению к физическому воззрению.
Поэтому говорить о приоритете физических или химических представлений в выработке научной картины мира, вероятно, не стоит.

15. 
    Химические элементы. Периодический Закон.
    

Периодический закон Д. И. Менделеева — фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов. Открыт Д. И. Менделеевым в марте 1869 года при сопоставлении свойств всех известных в то время элементов и величин их атомных масс. Термин «периодический закон» Менделеев впервые употребил в ноябре 1870, а в октябре 1871 дал окончательную формулировку Периодического закона: «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».[1] Графическим (табличным) выражением периодического закона является разработанная Менделеевым периодическая система элементов.



16. 
    Химические связи.
    

Электроны в атоме занимают ряд вложенных слоев (см. Атом Бора), при этом воздействию другого атома могут подвергаться, как правило, только электроны, находящиеся во внешнем слое (он называется валентным слоем). Когда электроны в двух атомах выстраиваются так, что возникает сила, удерживающая вместе эти два атома, мы говорим, что образуется химическая связь. Различают несколько видов химической связи.

Ионная связь
Когда внешние электронные слои полностью заполнены, общая энергия атомов понижается. Например, атом натрия, имеющий на внешнем слое один электрон, охотно отдает этот электрон. И наоборот, атом хлора, которому не хватает одного электрона для заполнения внешнего слоя, стремится присоединить электрон для завершения уровня. Когда атомы натрия и хлора оказываются рядом, натрий отдает электрон, а хлор его принимает. При этом атом натрия, потеряв отрицательный заряд, становится положительно заряженным ионом натрия, а атом хлора, получив дополнительный электрон, становится отрицательно заряженным ионом хлора. По закону Кулона между двумя ионами возникает электростатическое притяжение, приводящее к образованию химической связи, которая и удерживает атомы вместе (см. также Правило октета).
С этой реакцией связано одно из чудес химии: бурно реагирующее вещество натрий и сильно ядовитый газ хлор, соединяясь, образуют обычную поваренную соль, широко применяемую в питании.

Ковалентная связь
Некоторые атомы, в основном это касается углерода, образуют связи по-другому. Когда два таких атома достаточно приближаются друг к другу, между ними возникает взаимодействие, которое можно рассматривать как длительный взаимный обмен электронами. Как будто атом бросает один из своих внешних электронов другому атому, затем ловит электрон другого атома и снова бросает его обратно в бесконечной игре в мяч. В соответствии с законами квантовой механики, такой обмен электронами вызывает силу притяжения, которая и удерживает атомы вместе.
Дело в том, что такой атом как углерод, имеющий четыре электрона во внешнем слое, может дополнить этот валентный слой до восьми электронов, образуя ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Поэтому атомы углерода способны образовывать молекулы с длинными цепями, какие мы наблюдаем в биологических системах). Некоторые ученые (и я в том числе) даже утверждают, что вследствие этого свойства атома углерода вся жизнь во Вселенной, как и жизнь на Земле, должна быть углеродной.

Металлическая связь
В металлах образуется химическая связь еще одного вида. Каждый атом в металле отдает один или два подвижных электрона, как бы делясь этими электронами со всеми соседними атомами металла. Эти квазисвободные электроны образуют что-то вроде желе, в котором располагаются тяжелые положительные ионы металла. Все это напоминает трехмерную пространственную решетку из стеклянных шариков в вязкой патоке — если толкнуть один из таких шариков, он слегка сдвинется, но сохранит свое положение 

относительно других. Точно так же атомы металла, потревоженные внешним механическим воздействием, останутся связанными друг с другом благодаря «электронному желе» (или «электронному газу»). Вот почему, если ударить по металлу молотком, останется вмятина, но сам кусок металла, скорее всего, не разломится. Именно «электронное желе» делает металлы хорошими проводниками электричества (см. Электронная теория проводимости).

Водородная связь
Строго говоря, это не химическая связь в том смысле, в каком мы рассматривали предыдущие три типа связи. Это, скорее, притяжение между отдельными молекулами. Многие молекулы, хотя и являются в целом нейтральными (то есть имеют одинаковое количество отрицательных электронов и положительных протонов в своем ядре), оказываются поляризованными. Это значит, что некоторые части таких молекул имеют суммарный отрицательный заряд, в то время как другие части — положительный. Конечно, суммарный заряд молекулы нейтрален, но положительный и отрицательный заряды распределены неравномерно.
Представим, что полярная молекула, как ее называют, приближается своей отрицательной областью к молекуле-мишени. Электростатическая сила со стороны этой отрицательной области больше, чем со стороны положительной, т. к. положительная область расположена дальше. Эта электростатическая сила вызывает в молекуле-мишени передвижение электронов прочь от точки контакта, тем самым создавая в этом месте молекулы-мишени незначительный положительный заряд. В результате между двумя молекулами возникает сила притяжения и, следовательно, образуется связь.
Самая известная полярная молекула — это молекула воды. Отрицательный заряд собирается вокруг атома кислорода, приводя к образованию слабого положительного заряда около атомов водорода. Благодаря такой поляризации вода является хорошим растворителем. Ее молекулы способны создавать связи более прочные, чем те, которые удерживают молекулы-мишени вместе. Связи, создаваемые посредством положительно заряженных атомов водорода, называются водородными связями. Поскольку молекул водорода очень много в биологических молекулах, водородные связи в них образуются достаточно часто. В частности, именно водородные связи удерживают вместе две спирали молекулы ДНК.

17. 
    Принцип самоорганизации в живой и неживой природе.
    

Наш мир, все, что доступно в нем наблюдению претерпевают непрерывные изменения – мы наблюдаем его непрекращающуюся эволюцию. Все подобные изменения происходят за счет сил внутреннего взаимодействия, во всяком случае, никаких внешних по отношению к нему сил мы не наблюдаем. Согласно принципу Бора, существующим мы имеем право считать лишь то, что наблюдаемо или может быть сделано таковым. Следовательно, подобных сил не существует. Таким образом, все, что происходит вокруг нас, мы можем считать процессом самоорганизации, то есть процессом, идущим за счёт внутренних стимулов, не требующих вмешательства внешних факторов, не принадлежащих системе. К числу таких процессов относится также и становление и действие Разума, ибо он родился в системе в результате её эволюции. Итак, весь процесс эволюции системы – процесс самоорганизации. Мир всё время меняется. Мы не можем утверждать, что процесс самоорганизации направлен на достижение состояния равновесия (под которым понимается абсолютный хаос), у нас нет для этого оснований, гораздо больше данных для утверждения обратного - мир непрерывно развивается, и в этом изменении просматривается определённая направленность, отличная от стремления к равновесию.
Для описания основ процесса самоорганизации удобно (хотя и заведомо недостаточно) использовать терминологию дарвиновской триады: наследственность, изменчивость, отбор, придав этим понятиям более широкий смысл. Изменчивость в этом более широком смысле – это вечно присутствующие факторы случайности и неопределённости. Без предположения о непрерывно действующих случайных факторах, постоянная эволюция системы, сопровождающаяся появлением новых качественных особенностей, по-видимому, невозможна. Что касается термина “наследственность”, то он означает лишь то, что настоящее и будущее любой системы в мире зависит от его прошлого. Степень зависимости той или иной системы от прошлого может быть любой. Эту степень зависимости условимся называть памятью системы. Во вполне детерминированных системах прошлое однозначно определяет будущее ( возможно и обратное – по настоящему определить прошлое).Такие системы – системы с бесконечной памятью (абсолютной наследственностью).Это абстракция, но она хорошо интерпретирует некоторые процессы в неживом мире – например, то движение планет, которое мы наблюдаем ( конечно, лишь на некотором , конечном, правда очень большом, интервале времени. “Память системы” в реальных системах в том смысле, как мы её определили, чаще всего оказывается ограниченной: и бесконечная память и её отсутствие - лишь абстракции, которые удобны для интерпретации. Примером системы, лишённой памяти, является развитое турбулентное движение.
Понятие “принципов отбора” является самым трудным среди понятий дарвиновской триады. Процессы самоорганизации следуют определённым правилам, законам. Это утверждение - некое эмпирическое обобщение, вопрос о происхождении этих правил лежит вне рационализма, как и вопрос о рождении Вселенной.
Вследствие этого необходимо более подробно коснуться понятия самоорганизации в живой и неживой природе, или точнее, нового научного направления, изучающего именно эти процессы на Земле и во Вселенной – синергетики.

Синергетика как наука самоорганизации в живой и неживой природе
Синергетика - новая наука современности
Понятие «самоорганизация» означает упорядоченность существования материальных динамических, т.е. качественно изменяющихся систем. В отличие от понятия «организация» оно отражает особенности существования динамических систем, которые сопровождаются их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности или материальной организации.
Существуют два подхода к проблеме самоорганизации систем, которые все чаще обсуждаются в естественно-научной и философской литературе. Это так называемые субстратный и функциональный подходы. К первому из них относят теорию происхождения жизни с вполне определенными особенностями вещественной основы биологических систем, т.е. со строго определенным составом элементов-органогенов и не менее определенной структурой входящих в живой организм химических соединений. Рациональный результат субстратного подхода к проблеме биогенеза – накопленная информация об отборе химических элементов и структур.[1]


В настоящие дни проблему самоорганизации в живой и неживой природе подробно изучает новая наука - синергетика, появившаяся в 70-е годы прошлого века и претендующая на описание движущихся сил эволюции любых объектов нашего мира.
Появление синергетики в современном естествознании инициировано, скорее всего, подготовкой глобального эволюционного синтеза всех естественно-научных дисциплин. Эту тенденцию в немалой степени сдерживало такое обстоятельство, как разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе. Дело в том, что в классической науке (ХIX в.) господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию, что в энергетическом смысле и означало неупорядоченность, т.е. хаос. Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием образцовой физической дисциплины – равновесной термодинамики.[2]
Стоит отметить. Что постулат о способности материи к саморазвитию в философию был введен достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках (физике, химии) начинает осознаваться только сейчас. На волне этих проблем и возникла синергетика – теория самоорганизации.
Главный мировоззренческий сдвиг, произведенной синергетикой, можно выразить следующим образом:
процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной по меньшей мере равноправны;
процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они осуществляются.
Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация в живой, так и неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям:
они должны быть открытыми, то есть обмениваться веществом или энергией с внешней средой;
они должны также быть существенно неравновесными, то есть находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.
Синергетика сформировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для микроскопического уровня. Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались все те макросистемы, в которых мы живем.
С точки зрения синергетики энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь как из кинетической в потенциальную. Вещество – это застывшая энергия. Энергия – понятие, характеризующее способность производить работу, и не только механическую, но и работу по созиданию новых структур.
Энтропия – это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия – творец, энтропия – мера творчества. Она характеризует результат.
В девятнадцатом веке Ч. Дарвином была создана теория эволюции живой природы, которая вывила условия и механизмы возникновения новых видов жизни. Синергетика делает то же самое в отношении неживых уровней организации материи – элементарных частиц и т.д.
Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой (эволюция, как и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы. Синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации. Перефразируя Архимеда, можно сказать: «дайте мне энергию, и я создам мир».[3]
Современная наука достаточно сильна накопленным потенциалом научного знания и имеет определенную устойчивость, ввиду зависимости финансовых и интеллектуальных вложений в нее со стороны общества от практической полезности получаемых результатов. Тем не менее, смешение научного знания с элементами обывательского доверия и даже мистики может ослаблять в какой–то мере науку как форму общественного сознания. Сказанное имеет для синергетики значение, поскольку в нее более, чем в другие области происходит ''слив'' невостребованной обществом познавательной активности. Эта роль своеобразного отстойника имеет, очевидно, свои плюсы и минусы. Необходимо лишь отметить, что существующая ситуация должна ясно осознаваться авторитетными учеными, руководителями и спонсорами.

Синергетика и самоорганизация
В определенной части своего смысла синергетика и такие понятия как самоорганизация, саморазвитие и эволюция имеют общность, которая позволяет указать их все в качестве результатов синергетического процесса. В особенности самоорганизация устойчиво ассоциируются сегодня с синергетикой. Однако такие ассоциации имеют двоякое значение. С одной стороны, эффект самоорганизации является существенным, но, тем не менее, одним из компонентов, характеризующих синергетику, с другой — именно этот компонент придает выделенный смысл всему понятию синергетики и, как правило, является наиболее существенным и представляющим наибольший интерес. Не только результаты, а и условия, причины и движущие силы самоорганизации имеют альтернативы. Так, в рассмотрении И.Р. Пригожина применительно к диссипативным структурам речь идет о когерентной самоорганизации, альтернативой для которой является континуальная самоорганизация индивидуальных микросистем, разработанная и предложенная А.П. Руденко. Главным достоинством ''континуальной'' самоорганизации, предложенной А.П. Руденко, является то, что именно такой подход позволяет провести рассмотрении связи самоорганизации и саморазвития. В соответствии с развитым взглядами сущность прогрессивной эволюции состоит в саморазвитии континуальной самоорганизации индивидуальных объектов. 

Показывается, что способностью к саморазвитию и прогрессивной эволюции с естественным отбором обладают только индивидуальные микрообъекты с континуальной самоорганизацией и что именно прогрессивная химическая эволюция способна быть основанием для возникновения жизни.
Итак, исходя из этого можно предложить следующее определение: синергетика — (от греч. synergetikos — совместный, согласованно действующий) — научное направление, изучающее процессы образования и массовых (коллективных) взаимодействий объектов (элементов, подсистем): (1) происходящие в открытых системах в неравновесных условиях; (2) сопровождающиеся интенсивным обменом веществом и энергией подсистем с системой и системы с окружающей средой; (3) характеризуемые самопроизвольностью (отсутствием жесткой детерминации извне) поведения объектов (подсистем), сочетающейся с их взаимосодействием и (4) имеющие результатом упорядочение, самоорганизацию, уменьшение энтропии, также эволюцию систем. Представляется целесообразным отклонится от стремления к определению именно синергетики и констатировать то, чем реально занимаются специалисты в связи с исследованиями по синергетике.[4]

Синергетическая концепция самоорганизации
1. Объектами исследования являются открытые системы в неравновесном состоянии, характеризуемые интенсивным (потоковым, множественно–дискретным) обменом веществом и энергией между подсистемами и между системой с ее окружением. Конкретная система погружена в среду, которая является также ее субстратом.
2. Среда — совокупность составляющих ее (среду) объектов, находящихся в динамике. Взаимодействие исследуемых объектов в среде характеризуется как близкодействие — контактное взаимодействие. Среда объектов может быть реализована в физической, биологической и другой среде более низкого уровня, характеризуемой как газоподобная, однородная или сплошная. (В составе системы реализуется дальнодействие — полевое и опосредствованное (информационное) взаимодействие.)
3. Различаются процессы организации и самоорганизации. Общим признаком для них является возрастание порядка вследствие протекания процессов, противоположных установлению термодинамического равновесия независимо взаимодействующих элементов среды (также удаления от хаоса по другим критериям). (Организация, в отличие от самоорганизации, может характеризоваться, например, образованием однородных стабильных статических структур.)
4. Результатом самоорганизации становится возникновение, взаимодействие, также взаимосодействие (например, кооперация) и, возможно, регенерация динамических объектов (подсистем) более сложных в информационном смысле, чем элементы (объекты) среды, из которых они возникают. Система и ее составляющие являются существенно динамическими образованиями.
5. Направленность процессов самоорганизации обусловлена внутренними свойствами объектов (подсистем) в их индивидуальном и коллективном проявлении, а также воздействиями со стороны среды, в которую ''погружена'' система.
6. Поведение элементов (подсистем) и системы в целом, существенным образом характеризуется спонтанностью — акты поведения не являются строго детерминированными.
7. Процессы самоорганизации происходят в среде наряду с другими процессами, в частности противоположной направленности, и могут в отдельные фазы существования системы как преобладать над последними (прогресс), так и уступать им (регресс). При этом система в целом может иметь устойчивую тенденцию или претерпевать колебания к эволюции либо деградации и распаду. Самоорганизация может иметь в своей основе процесс преобразования или распада структуры, возникшей ранее в результате процесса организации.
Приведенное развернутое определение является если и не вполне совершенным, то все–таки необходимым шагом на пути конкретизации содержания, которое относится к синергетике, и выработки критериев для создания моделирующей самоорганизующейся среды.
О соотношении синергетики и самоорганизации следует вполне определенно сказать, что содержание, на которое они распространяются, и заложенные в них идеи неотрывны друг от друга. Они, однако, имеют и различия. Поэтому синергетику как концепцию самоорганизации следует рассматривать в смысле взаимного сужения этих понятий на области их пересечения.[5]

Заключение
В заключении отметим следующее. Проблематика, содержание, методы исследований и результаты, относимые к синергетике характеризуются неоднозначными оценками и неопределенностью. Вместе с тем, синергетика как научное направление исследований является востребованной обществом. Значительное количество результатов исследований в разных областях знания соотносится исследователями с синергетикой. Контекст синергетики дает возможность плодотворно взаимодействовать ученым разных специализаций на языке системного осмысления и поиска новых решений. Приведенные определения синергетики, полученные преемственным образом, могут конструктивно применяться при решении конкретных задач. Можно предположить, что в связи с существующими и грядущими результатами в кинетической химии, нейробиологии, транспьютерном нейрокомпьютинге и в других областях сформируется более определенный теоретический и аксиоматический базис синергетики, благодаря чему, в частности, и критика в ее адрес станет более конструктивной и продуктивной. Несомненно, при всем том, что синергетика полноценно ''работает'' сегодня как категория научного знания.[6]

18. 
    Основные представления о мегамире.
    

Между мегамиром и макромиром нет строгой границы. Обычно полагают, что он начинается с расстояний около 107 и масс 1020 кг. Опорной точкой начала мегамира может служить Земля (диаметр 1,28×10+7 м, масса 6×1021 кг. Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для их измерения вводят специальные единицы: астрономическая единица, световой год и парсек.
Астрономическая единица (а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5×1011м.
Световой год – расстояние, которое проходит свет в течение одного года, а именно 9,46×1015м.


Парсек (параллакс-секунда) – расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде. Это расстояние равно 206265 а.е. = 3,08×1016 м = 3,26 св. г.
Небесные тела во Вселенной образуют системы различной сложности. Так Солнце и движущиеся вокруг него 9 планет образуют Солнечную систему. Все планеты – остывшие тела, светящиеся отраженным от Солнца светом. В ясную ночь мы видим множество звезд, которые составляют лишь ничтожную часть звезд, входящих в нашу Галактику. Основная часть звезд нашей галактики сосредоточена в диске, видимом с Земли «сбоку» в виде туманной полосы, пересекающей небесную сферу – Млечного Пути. Часто говорят, что наша Галактика называется Млечный Путь (собственно, слово галактика происходит от греческого слова «галактос» – молочный, млечный).
Представить масштабы Вселенной можно с помощью рис. 1.
Все небесные тела имеют свою историю развития. Возраст Вселенной равен 15…20 млрд. лет (иногда указывают среднее число – 18 млрд. лет). Возраст Солнечной системы оценивается в 5 млрд. лет, Земли – 4,5 млрд. лет.

19. 
    Теория «большого взрыва»
    

Большо́й взрыв (от англ. Big Bang) — гипотетическое начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.
Обычно сейчас автоматически сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы и исторически существовало также представление о холодной начальной Вселенной вблизи Большого взрыва. Именно сочетание теории Большого взрыва с теорией горячей Вселенной, подкрепляемое существованием реликтового излучения, и рассматривается далее.

Современные представления теории Большого взрыва и теории горячей Вселенной
По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд лет назад[1] из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 1032 K (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см³ (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.
Приблизительно через 10−35 секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время — 10−43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение.
Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).
После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.

20. 
    Геологическая история Земли.
    

Геологическое время эволюции Земли это принципиально новый период развития нашей планеты в целом, особенно ее коры и природной среды.
Как только температура опустилась ниже 100° С, состояние воды, которая находилась в атмосфере в виде горячего пара, изменилось. Водяные пары атмосферы, а в них была сосредоточена практически вся гидросфера Земли, почти целиком превратились в жидкость, наиболее активное состояние воды по сравнению с ее газовой и твердой фазами. Сухая до того времени Земля стала необычайно обводненной. Сформировались поверхностный и грунтовый стоки, возникли водоемы, и, наконец, океаны. Начался круговорот воды в природе.
На заре геологической истории существовали обширные водоемы - моря и, вероятно, какие-то первоначальные океаны. В 1973 г. геологи Оксфордского университета обнаружили в юго-западной части Гренландии бурый железняк возрастом 3,76 млрд. лет (± 70 млн. лет). Бурый железняк - осадочная порода, сформировавшаяся в водном бассейне. Еще раньше те же геологи вместе с сотрудниками Управления геологической съемки Гренландии обнаружили в 1971 г. метаморфизованные осадочные породы возрастом 3,98 млрд. лет. Факт обнаружения осадочных пород такого древнего возраста трудно переоценить. Это означает, что временной рубеж между ранней и геологической историей проходит где-то около 4 млрд. лет назад. Следовательно, на всю раннюю историю Земли остается всего 0,6 млрд. лет. Если помимо внешней сферы Земли расплавлялась и центральная область, то на планете могли образоваться океаны, близкие по объему современным. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100° С на ней образовалась огромная масса жидкой воды, которая представляла собой не простое скопление неподвижных вод, а находящихся в активном глобальном круговороте. Несмотря на эволюцию этого круговорота в ходе времени, основные особенности его сохранились неизменными. В структурном отношении круговорот, как и в настоящее время, распадался на звенья: атмосферное (испарение, перенос влаги, осадки), литосферное (поверхностный и подземный стоки) и океаническое. В процессе функционирования круговорота воды в природе происходит поглощение солнечной энергии и распределение ее по земному шару. Вода благодаря своей необычайной 

подвижности и химической активности вступает во взаимодействие с природными компонентами, способствуя их взаимосвязям, чем и обеспечивает формирование того глобального природного комплекса, который в настоящее время называется географической оболочкой.

21. 
    Внутреннее строение Земли.
    

Внутреннее строение Земли
Рассмотрим подробно вопрос о строении Земли. Наша планета относится к планетам земной группы. Это означает, что поверхность Земли твёрдая. Земля - крупнейшая из четырёх планет солнечной системы, которые относятся к земной группе. Из всей этой группы планет именно Земля имеет наибольший размер, массу, плотность, наибольшую поверхностную гравитацию и сильнейшее магнитное поле. Строение Земли и поверхность Земли таковы, что её форма близка к вытянутому эллипсоиду — это шарообразная форма с утолщениями на экваторе — и отличается от него на величину до 100 метров. Таким образом, по сравнению с идеальным эллипсоидом, планета Земля имеет допуск в пределах 0,17 %. Средний диаметр Земли равен 12 742 км.
Как известно, вращение Земли создаёт экваториальную выпуклость. То есть экваториальный диаметр на 43 км больше, чем диаметр между полюсами планеты. Именно вследствие этой выпуклости экватора, самой удалённой точкой поверхности Земли от её центра считается вулкан Чимборасо в Эквадоре, точнее – его вершина. Самой высшей точкой поверхности планеты Земля принято считать гору Эверест (её высота - 8 848 м над уровнем моря), а самой глубокой точкой — Марианская впадина (её глубина - 10 911 м под уровнем моря).
Учёными установлена ориентировочная масса Земли. Она составляет 5,98×1024кг. Изучая строение Земли, исследуя поверхность Земли, учёные пришли к выводу, что наша планета состоит в основном из железа (32,1 %), кислорода (30,1 %), кремния (15,1 %), магния (13,9 %), серы (2,9 %), никеля (1,8 %), кальция (1,5 %) и алюминия (1,4 %), а на другие элементы приходится 1,2 %.


Земная кора
Земля, подобно трём другим планеты земной группы, имеет слоистое внутреннее строение. Она представляет собой металлическое ядро, окруженное твёрдыми силикатными оболочками (крайне вязкой мантией и земной корой). Внешняя часть металлического ядра жидкая, а внутренняя — твёрдая. Ядро состоит из железно-никелевого сплава с примесью других элементов. Земная кора — это верхняя часть твёрдой оболочки. Толщина земной коры колеблется в пределах от 6 км под океаном, до 30—50 км на континентах. В строении Земли различают два вида земной коры — континентальная земная кора и океаническая земная кора. Континентальная земная кора имеет три геологических слоя: осадочный чехол, гранитный и базальтовый. Океаническая земная кора представлена в большей степени породами основного состава, плюс осадочный чехол. Крайне вязкая мантия — это силикатная оболочка планеты, сложенная в основном породами, состоящими из силикатов магния, железа, кальция и т.д. В строении Земли доля мантии примерно 67 % от массы Земли и около 83 % от её объёма. Глубина расположения мантии - от 5 — 70 км ниже границы с земной корой, до границы с металлическим ядром на глубине 2900 км. Таким образом, мантия находится в достаточно большом диапазоне глубин. Мантию принято разделять на верхнюю и нижнюю. Выше границы 660 километров расположена верхняя мантия, а ниже, естественно, нижняя. Эти две части мантии отличаются друг от друга составом, строением и физическими свойствами. Известно, что верхняя мантия за весь период формирования Земли претерпела достаточно значительные изменения, она же и породила земную кору. Нижняя же мантия, изучена значительно меньше, но есть все основания полагать, что её состав со времен формирования строения Земли претерпел гораздо меньшие изменения.


Поверхность Земли
Рельеф и поверхность Земли очень разнообразен. Примерно 70,8 % поверхности Земли покрыто водой. Поверхность Земли под водой гористая. Это океанические хребты и желоба, подводные вулканы и каньоны, а также океанические плато и абиссальные равнины. Оставшиеся 29,2 % - это суша, которая состоит из гор, пустынь, равнин и т.д.
С течением времени строение Земли, а в особенности её поверхность, постепенно меняются. Рельеф тектонических плит и земная кора формируются под воздействием осадков, колебаний температур, химических воздействий, выветривания. Ледники, береговая эрозия, коралловые рифы, столкновения с метеоритами также влияют на строение Земли и на структуру поверхности Земли. А с развитием цивилизации и человек всё больше и больше воздействует на, казалось бы, неподвластное ему строение Земли. И, наверное, наша основная задача – сделать так, чтобы это воздействие не стало губительным для нашей любимой планеты – планеты Земля. Ведь именно человек в ответе за сохранение природы нашей планеты, за её самые глубокие озера и самые высокие горы, за сушу и за море, за всё, что происходит вокруг нас.

22. 
    Оболочки Земли: литосфера, гидросфера, атмосфера, биосфера.
    

Земля имеет 6 оболочек: атмосферу, гидросферу, биосферу, литосферу, пиросферу и центросферу.
Атмосфера—внешняя газовая оболочка Земли. Ее нижняя граница проходит по литосфере и гидросфере, а верхняя—на высоте 1000 км. В атмосфере различают тропосферу (двигающийся слой), стратосферу (слой над тропосферой) и ионосферу (верхний слой).
Средняя высота тропосферы—10 км. Ее масса составляет 75% всей массы атмосферы. Воздух тропосферы перемещается как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.
Над тропосферой на 80 км поднимается стратосфера. Ее воздух, перемещающийся лишь в горизонтальном направлении, образует слои.
Еще выше простирается ионосфера, получившая свое название в связи с тем, что ее воздух постоянно ионизируется под воздействием ультрафиолетовых и космических лучей.


Гидросфера занимает 71% поверхности Земли. Ее средняя соленость составляет 35 г/л. Температура океанической поверхности — от 3 до 32 °С, плотность — около 1. Солнечный свет проникает на глубину 200 м, а ультрафиолетовые лучи — на глубину до 800 м.
Биосфера, или сфера жизни, сливается с атмосферой, гидросферой и литосферой. Ее верхняя граница достигает верхних слоев тропосферы, нижняя — проходит по дну океанских впадин. Биосфера подразделяется на сферу растений (свыше 500 000 видов) и сферу животных (свыше 1 000 000 видов).
Литосфера—каменная оболочка Земли—толщиной от 40 до 100 км. Она включает материки, острова и дно океанов. Средняя высота материков над уровнем океана: Антарктиды—2200 м, Азии—960 м, Африки—750 м, Северной Америки — 720 м, Южной Америки — 590 м, Европы — 340 м, Австралии — 340 м.
Под литосферой расположена пиросфера — огненная оболочка Земли. Ее температура повышается примерно на 1°С на каждые 33 м глубины. Породы на значительных глубинах вследствие высоких температур и большого давления, вероятно, находятся в расплавленном состоянии.
Центросфера, или ядро Земли, расположена на глуби не 1800 км. По мнению большинства ученых, она состоит из железа и никеля. Давление здесь достигает 300000000000 Па (3000000 атмосфер), температура— нескольких тысяч градусов, В каком состоянии находится ядро, пока неизвестно.
Огненная сфера Земли продолжает охлаждаться. Твердая оболочкой утолщается, огненная—сгущается. В свое время это привело к формированию твердых каменных глыб— материков. Однако влияние огненной сферы на жизнь планеты Земля все еще очень' велико. Неоднократно менялись очертания материков и океанов, климат, состав атмосферы.
Экзогенные и эндогенные процессы беспрерывно изменяют твердую поверхность нашей планеты, что, в свою очередь, активно влияет на биосферу Земли.

23. 
    Концепции возникновения жизни.
    

Сейчас уже прочитаны тысячи последовательностей белков и кодирующих их генов и становится ясным, что гены - не что иное, как случайные последовательности из четырех нуклеотидов, которые чередуются в разных комбинациях. Лишь в незначительной части эти последовательности "отредактированы" естественным отбором для лучшего исполнения своих функций. Такая корректировка не скрывает явных следов случайного, стохастического возникновения последовательности исходной. Но мог ли ген, скажем, гемоглобина или цитохрома С возникнуть случайно?

Вообще-то эта проблема отнюдь не нова. Философы еще в древности задавались вопросом: возможно ли возникновение достаточно сложной структуры в результате случайных, стохастических процессов? И все давали отрицательный ответ. Еще Цицерон полагал, что из случайно брошенных знаков алфавита не могут сложиться "Анналы" Энния.

Теперь эту проблему называют "парадоксом миллиона обезьян": за сколько лет миллион обезьян, посаженных за пишущие машинки, напечатают полное собрание сочинений Шекспира или хотя бы одного "Гамлета"? "Обезьяний парадокс" переходит из одного философского трактата в другой: может ли миллион людей, никогда о Шекспире не слыхавших, написать "Гамлета"? Отсюда недалеко до вопроса: а мог ли "Гамлета" написать сам Шекспир, если даже миллиону людей это не под силу? И применима ли вообще теория вероятностей к этой категории явлений?

Как видите, начав с вопроса о случайности сочетаний знаков в нуклеотидных последовательностях, мы пришли к проблеме философской, затрагивающей коренные тайны мироздания (Б.М.Медников).

Еще в 1936 г. Н.К.Кольцов писал, что вероятность случайного возникновения полипептида из 17 аминокислотных остатков (гептакайдекапептида) равна одной триллионной, и сделал из этого совершенно правильный вывод: гены синтезируются не заново, а матричным путем. Но как возникла первая матрица?

Хватает ли времени на возникновение первого гена - протогена - случайным путем, стохастическим перебором нуклеотидов? Вспомним, что солнечная система - Солнце со всеми планетами - сформировалась, по самым последним оценкам, 4.6 млрд. лет назад (плюс-минус 0.1 млрд.). Первые следы жизни на Земле имеют возраст более 3.8 млрд. лет. В период становления - а это значительный срок - наша планета явно не годилась для возникновения жизни.

Подобные соображения воскрешают гипотезу о внеземном, космическом происхождении жизни. Гипотеза панспермии еще в прошлом веке была выдвинута Сванте Аррениусом, и суть ее можно выразить так: в вечной и бесконечной Вселенной жизнь так же вечна и бесконечна; споры, микроорганизмы - эти зародыши жизни - могут покинуть родную планету и давлением света транспортируются Бог весть куда - от планеты к планете, от звезды к звезде. У нас к идее панспермии склонялся В.И.Вернадский.

Однако гипотеза достаточно слабая. Пусть во Вселенной, хотя бы в одной нашей Галактике, миллионы планет. Исчезающе малую вероятность возникновения жизни (то есть протогена) на одной из них нужно умножить на столь же малую величину - вероятность благополучного межзвездного перелета. Это только видимость решения проблемы. Кроме того, похоже, что и всей Вселенной не хватает для возникновения жизни. Манфред Эйген подсчитал, что вероятность возникновения одного лишь белка - цитохрома С, состоящего примерно из ста аминокислотных остатков,- 10-130, а во всей Вселенной хватит места лишь для 1074 молекул (при условии, что все планеты, звезды и галактики состоят из вариантов молекул цитохрома).

Как видим, положение все более драматизируется. Получается, что все мы живем вопреки теории вероятностей. Нас не должно быть вообще!

Выход из сложившегося положения попытался найти Фрэнсис Крик. В 1982 г. он совместно с Л.Орджелом издал книгу "Жизнь как она есть, ее происхождение и природа". Сначала Крик драматизирует положение. Он исходит из того, что первичный полипептид, кодируемый протогеном, имел 200 аминокислотных остатков, а не 100, как у Эйгена. Тогда вероятность его возникновения 10-260 (это десятичная дробь с двумястами шестьюдесятью нулями после запятой). Далее он напоминает, что и Вселенная, в том виде, в каком она есть, не вечна. Большинство космологов сейчас считают, что она продукт "Big Bang" - "Большого взрыва", разметавшего все планеты, звезды и галактики, прежде сжатые в предельно малом (атомных размеров!) объеме.

Когда произошел Большой взрыв? Прежние расчеты по скорости разбегания галактик и энергии реликтового радиоизлучения давали неточные и завышенные величины возраста Вселенной. Теперь она уточнена - по соотношению в звездах радиоактивного тория (период полураспада 14 миллиардов лет) и стабильного ниобия. Оказалось, что возраст самых старых звезд - не выше одиннадцати миллиардов лет. Значит, для возникновения жизни не хватает не только пространства, но и времени. Ведь Вселенная лишь примерно вдвое старше Солнечной системы.



Крик также склоняется к неземному происхождению жизни. Но он физик и потому понимает слабости гипотезы панспермии. Конечно, давление солнечного света может придать споре микроорганизма третью космическую скорость, - но оно же будет отталкивать от звезды "чужие" микрочастицы. За миллионнолетние странствования гены неизбежно разрушатся космическим излучением. Разумеется, споры могут быть экранированы от него, например в метеоритах, но метеорит из-за большой массы не получит нужного ускорения давлением света. Да и вероятность того, что спора, ускоренная наугад, долетит до звезды с подходящими планетами, чересчур уж мала. Вероятность, что выстрел вслепую со стратосферного лайнера поразит, например, белку в глаз, намного выше. Конечно, за большой промежуток времени может произойти и маловероятное событие. Но времени-то как раз и не хватает.

И Крик выдвигает гипотезу направленной, управляемой панспермии. Предположим, пишет он, на какой-то из многочисленных планет во Вселенной миллиарды лет назад возникла некая сверхцивилизация. Ее носители, убедившись в том, что жизнь - штука редкая, возможно, уникальная, захотят распространить ее как можно шире. С этой целью сверхцивилизация начинает рассылать по всем направлениям, в свою и чужие галактики, автоматические ракетные корабли. Двигаясь со скоростью хотя бы 0.0015 % скорости света (около 3 миль/сек), они в среднем за 1000 лет достигнут ближайших систем с планетами и рассеют в их атмосферу пакеты с "пассажирами".

Такими пассажирами могут быть лишь замороженные и высушенные микроорганизмы. Они устойчивы к излучениям и перенесут сверхдлительный космический перелет. Устойчивы они и к огромным ускорениям, так что эти гипотетические корабли могут набирать скорость самым экономичным путем - взрывным ускорением в сотни g. Если условия на поверхности новой планеты окажутся пригодными, начнется стремительное размножение - и последующая эволюция, вплоть до появления человека.

А что значит пригодные условия? Мы знаем микроорганизмы, живущие без кислорода, в горячей серной кислоте, использующие в качестве источника энергии серу и восстановленные металлы. Многие земные бактерии, похоже, отлично выживут на Марсе или хотя бы на полюсах Венеры.

И Крик вспоминает старый спор между великими физиками-атомщиками Энрико Ферми и Лео Сцилардом. Сцилард был горячим сторонником сверхцивилизаций, рассеянных по космосу, и скептик Ферми спросил: "Если их много, почему мы их не видим и не слышим? Где же они?" И Крик полагает, что нашел ответ: "Они - это мы, вернее, мы - их сверхотдаленные потомки. В будущем мы, возможно, подхватим эту эстафету". (Крик подсчитывает, что даже наши современные космические корабли долетят до туманности Андромеды за 4 млрд. лет, когда от нашей цивилизации не останется даже праха.)

Однако доказательства космического происхождения жизни, выдвигаемые Криком и Орджелом, немногочисленны и неубедительны. Первое из них - повышенное по сравнению со средней концентрацией для общей массы Земли содержание молибдена в живых организмах. Молибден входит в состав ряда ферментов, например нитрогеназы микроорганизмов, связывающих атмосферный азот. Это ключевой фермент, делающий жизнь на Земле возможной. И Крик с Орджелом заключают: мы все эмигранты с богатой молибденом планеты. Но Морисабуро Эгами показал, что относительные единицы количества (кларки) для живой природы и морской воды по молибдену совпадают. Так что молибденовый след ведет не в космос, а в земной океан.

Второй довод Крика - внезапное возникновение микроорганизмов 3.8 млрд. лет назад. Увы, этот довод в равной мере годится для всех форм жизни, включая человека. Внезапность - артефакт, обусловленный спецификой палеонтологической летописи. Она всегда констатирует широкое распространение формы ("торжествующую обыденность"), а не процесс ее становления. Принцип телевидения и первые успешные попытки его применения известны с 20-х годов, но археологи будущего найдут первые обломки телевизоров, скорее всего, в слоях 50-х и ими датируют его внезапное возникновение. А на деле никакой внезапности не было.

Но главное не в этом. Самое досадное, что красивая гипотеза Крика не помогает. Даже призвав на помощь все планеты Вселенной, мы лишь в ничтожной мере повысим сверхкороткую вероятность возникновения протогена. Из исчезающе малой дроби (10-260) срежется каких-нибудь пятьдесят нулей после запятой - ни времени, ни места по-прежнему не хватает. Так что, перефразировав известное изречение Н.Бора, эта гипотеза недостаточно безумна, чтобы быть верной.

Пожалуй, до конца пошел в этом вопросе лишь астроном и математик Налин Чандра Викрамасингх (Шри-Ланка). Его исходные положения те же: жизнь не может возникнуть случайным путем. Для жизни нужно возникновение около 2000 ферментов - число пробных комбинаций 10-40000 (сорок тысяч нулей после запятой!). Вывод Викрамасингха: "Скорее ураган, проносящийся по кладбищу старых самолетов, соберет новехонький суперлайнер из кусков лома, чем в результате случайных процессов возникнет из своих компонентов жизнь". Но ведь происхождение жизни как-то надо объяснить? И Викрамасингх объясняет (или полагает, что объясняет, хотя это не одно и то же): "Свои собственные философские предпочтения я отдаю вечной и безграничной Вселенной, в которой каким-то естественным путем возник творец жизни - разум, значительно превосходящий наш".

У нас есть выбор. Можно, конечно, согласиться с астрофизиком из Шри-Ланки и на этом покончить с разгадкой происхождения жизни. А можно рассмотреть такую проблему: все статистические выкладки, приводящие к чудовищному количеству вариантов и, следовательно, к ничтожно малым вероятностям спонтанного возникновения протогена, верны. Вот только применимы ли они?

Полагаем, что повторить создание "Гамлета" не под силу не только миллиону обезьян, но и миллиону людей с пишущими машинками. Но - последний риторический вопрос: мог ли существовать театр, если бы "Гамлет" не был написан? Ведь в бурный елизаветинский век Шекспир мог бы попасть не в "Глобус", а, скажем, в экипаж к Фрэнсису Дрейку и сложить свою буйную голову в кругосветке "Золотой лани". Ясно, что мы имели бы театр без шекспировских пьес и не переживали бы по поводу их отсутствия. Ибо нельзя скорбеть по тому, что не появилось на свет.

И М.Эйген со своим примером - цитохромом С, и Ф.Крик с гипотетическим ферментом, и Н.Ч.Викрамасингх в расчетах исходят из того, что имеется только один пригодный вариант цитохрома С, по единственному варианту каждого фермента и так далее - то есть, не будь "Гамлета", и театра не было бы. А ведь это не так. Если вариантов множество (а их практически бесконечность), то и полипептидов, пригодных для работы, например в качестве фермента, так же должно быть практически бесконечное число.

Это утверждение допускает экспериментальную проверку. Если мы правы, то полипептиды, в которых аминокислотные остатки чередуются случайным образом (стохастические полимеры), должны проявлять биологическую активность. Как только стохастический полимер смог проявить ферментную активность при синтезе своей же матрицы - протогена, возникновение жизни можно было бы считать завершенным. Пусть эти полимеры работали хуже современных ферментов - не так эффективно и специфично. Но на то и отбор, чтобы корректировать их последовательности, совершенствуя функции.

Вот хороший пример: есть целая группа ферментов - сериновые протеазы, расщепляющие белки по амидным связям. Установлено, что активность их определяется наличием в последовательности тройки: серин-гистидин-аспартат - только тогда белок ускоряет расщепление (реакцию протеолиза) в 10 миллиардов раз против контроля. Если же мы будем убирать из последовательности сначала серин, потом гистидин, потом аспартат, активность соответственно будет снижаться в 2x106, 2x1O6 и 3x104 раз. Но и без магической тройки она не исчезнет, не будет нулевой.

Отсюда следует, что в достаточно большой и разнообразной совокупности случайно синтезированных полимеров можно найти такие, которые смогут выполнять функцию любого белка, например фермента, - такие опыты уже были поставлены. Американский исследователь X.С.Фокс смешивал сухие аминокислоты и нагревал их до 200?С; в результате получались полипептиды-цепочки из аминокислотных остатков, практически неотличимые от белков малой молекулярной массы. Мономеры в 

этих полимерах были распределены совершенно случайно, и в этой смеси вряд ли можно было найти две одинаковые молекулы. По-видимому, такие соединения - протеиноиды - легко возникали на начальном этапе существования Земли, например на склонах вулканов.

Х.С.Фокс и его сотрудник Л.Бахадур проверили, может ли смесь протеиноидов работать как фермент. Оказалось, что она проявляла активность, имитирующую функцию ферментов пирофосфатазы, каталазы, АТФазы. Другие исследователи, многократно проверив опыты Фокса, пришли к выводу, что подобная смесь может имитировать функцию практически любого фермента. Возможно, что протеиноиды катализировали синтез первых генов - матриц, на которых синтезировались уже настоящие белки, но тоже со случайными последовательностями. Как только среди них нашлась одна, способная ускорить синтез и репликацию своей матрицы - нуклеиновой кислоты, труднейшая проблема происхождения жизни была решена.

Для этого не требовалось сверхастрономического числа Вселенных и вмешательства сверхразума. В опытах Фокса участвовало не 10230 молекул, а существенно меньше - 1023,- одного моля, как говорят химики. Для возникновения жизни вполне хватило бы случайных химических реакций в достаточно большой грязной луже, вроде той, которую воспел Н.В.Гоголь в "Миргороде".

Опровергнуть эту концепцию можно посетив несколько планет земного типа из других звездных систем. Вполне возможно обнаружить на некоторых из них, хотя бы на одной, жизнь. Вот если тамошние гены и кодируемые ими белки будут гомологичны генам и белкам земных организмов, можно принять идею Творца.

Пока это не грозит: мы знаем, что и на Земле один и тот же ген не возникал дважды, как не было написано дважды любое литературное произведение, тот же "Гамлет".

24. 
    Генетика и эволюция.
    

Генетика представляет собой одну из основных, наиболее увлекательных и вместе с тем сложных дисциплин современного естествознания. Место генетики среди биологических наук определяются тем, что она изучает основные свойства организмов - наследственность и изменчивость .
В результате многочисленных - блестящих по своему замыслу и тончайших по исполнению - экспериментов в области молекулярной генетики современная биология обогатилась двумя фундаментальными открытиями, которые уже нашли широкое отражение в генетике человека, а частично и выполнены на клетках человека.
Без преувеличения можно сказать, что, наряду с молекулярной генетикой, генетика человека относится к наиболее прогрессирующим разделам генетики в целом. Ее исследования простираются от биохимического до популяционного, с включением клеточного и организменного уровней.

Генетика и эволюция
Под генотипом часто понимают всю наследственную систему. Любая наследственная система должна рассматриваться в трех аспектах: материальные носители, характер их взаимодействия между собой и определенность конечного результата (аспект целостности). Из такого системного подхода следует важный вывод: если завтра будет известна полная последовательность ДНК данного организма, этих сведений будет недостаточно для понимания того, как же функционирует эта структура. Необходимо знать характер связей между генами, изменчивость нормы реакции, условия онтогенеза, т. е. динамический аспект организации генотипа.

Очевидно, что существуют не только структурные, но и динамические способы кодирования, хранения и передачи наследственной информации. Генетика - это наука о наследственности. Под геномом имплицитно подразумевается вся наследственная система клетки. Термины геном и генотип стали в этом расширительном смысле семантически близки, отчасти синонимичны.

Наследственная система или геном клетки эукариот слагается из двух полуавтономных структурных подсистем - ядерной и цитоплазматической.

Совокупность наследственных структур и локализованных в них наследственных факторов ядра иногда обозначают термином нуклеотип, а совокупность цитоплазматических наследственных факторов - цитотип.[ Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. -- СПб.: Борей Арт, 2000. -- С. 141.]

Открытия Г. Менделя (к истории вопроса). Грегором Менделем (1822-1884), были открыты основные законы наследуемости, которые были описаны более века назад.
Когда чешский монах, Георг Мендель в 1865 году опубликовал свою теорию наследственности, то, как это часто бывает в научном мире со слишком смелыми теориями, ее не приняли. Понадобилось почти 40 лет, аж до 1900 года, когда были открыты хромосомы, опыты его вспомнили, выделенные законы стали основой новой науки.

В истории генетики очень велика была роль концептуальных открытий, к которым следует отнести введение новых терминов, понятий, способов представления данных, символики, а также собственно концептуальных конструктов и открытий. Уже Г.Г.Мендель ввел буквенную символику для обозначения разных факторов и обозначения фенотипически контрастных и отличающихся по характеру доминантности - рецессивности состояний одного и того же наследственного фактора. Это дало возможность представить в ясной форме характер наследования признаков в ряду поколений, установить количественные закономерности расщепления и анализировать его сложные случаи. Удивительна судьба понятия "ген".[ Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. -- СПб.: Борей Арт, 2000. -- С. 21.]

Открытие двойной спирали ДНК и принципов редупликации - выдающееся научное открытие XX века - расшифровка двойной спирали ДНК - стало своеобразной вехой, знаменующей рождение принципиально новой, молекулярной генетики, появились новые направления и уникальные методы исследований, основанные на анализе структуры макромолекул.
Благодаря открытию Уотсона и Крика, удалось, в частности, понять лишь ощущавшийся в 20-40-е годы прошлого столетия принцип редупликации, самовоспроизведения генов.

Уотсон и Крик в знаменитой публикации 1953 года в журнале "Nature" так его сформулировали: "От нашего внимания не ускользнул тот факт, что из постулируемой нами избирательной сочетаемости пар (нуклеотидов А-Т, Г-Ц. - Ю.А.) вытекает возможный механизм копирования генетического материала". Работа Уотсона и Крика связала генетику с такими точными науками, как физика и химия, способствовала открытию генетического кода и породила лавину исследований, сделавших молекулярную генетику передовым краем биологии. Современная генетика - молекулярной своей частью, не исчерпывается, это - сложная и сильно дифференцированная наука.

Ее можно представить в виде древа, корнями которого служат законы наследственности, открытые в середине XIX века Грегором Менделем, а ветвями - различные научные направления, сформировавшиеся в процессе естественного развития генетики, в том числе и в последние десятилетия. Если обратиться к уровням организации жизни, то можно выделить популяционную генетику 

(ведет исследования на уровне популяций), физиологическую генетику и генетику развития (изучают наследственные свойства целостного организма), цитогенетику (клеточный уровень), молекулярную генетику (молекулярный уровень).

Существуют и так называемые частные генетики, которые описывают наследственные особенности различных биологических видов: дрозофилы, крупного рогатого скота, курицы, собаки, кошки, человека и т.д. Наконец, могут быть и более крупные подразделения: генетика животных, генетика растений, генетика микроорганизмов и, кроме того, существует огромная область, именуемая медицинской, или клинической, генетикой.[ Статья: ГЕНЕТИКА - ЦЕЛОСТНАЯ НАУКА. Беседа с академиком Ю.П. Алтуховым]

Геном человека и геном животных - сходства и различия. Сравнение геномов человека, шимпанзе и других млекопитающих позволяет выявить все больше генетических особенностей, отличающих нас от других животных. Однако функциональное значение большинства выявленных отличий пока не установлено, и даже сколько-нибудь обоснованные гипотезы удается выдвинуть лишь в немногих случаях.

Вопрос отличия человека от животного, издавна не дает покоя ученым. Хотя этологи и зоопсихологи в последние годы превзошли самих себя в отыскании у животных многих особенностей мышления и поведения, считавшихся ранее чисто человеческими, какие-то отличия все же, безусловно, имеются.

Особые надежды возлагаются на сравнение человеческого генома с геномом шимпанзе. Это позволяет сразу исключить из рассмотрения те 98% генома, которые идентичны у наших видов. Где-то там, в оставшихся двух процентах, зашифрована тайна человеческой уникальности. За успехами этих исследований общественность следит с неослабевающим интересом. На сегодняшний день узнать о тех изменениях, которые произошли в нашем геноме после того, как около 6 млн. лет разошлись эволюционные пути человека и шимпанзе?

1. Изменения белков. Те части генома, которые кодируют белки, изменились очень мало. Различия в аминокислотных последовательностях белков у человека и шимпанзе составляют значительно менее 1%, да и из этих немногочисленных различий большая часть либо не имеет функционального значения, либо это значение остается неизвестным. Лишь в отдельных случаях удалось выдвинуть обоснованные гипотезы о возможной функциональной роли этих изменений.

2. Изменения регуляторных РНК. Еще один метод поиска "перспективных" районов человеческого генома основан на выявлении таких участков ДНК, которые у шимпанзе и других животных сходны между собой, а у человека сильно отличаются. Таким способом было выявлено 49 участков генома, в которых у наших предков произошли радикальные изменения уже после того, как разошлись эволюционные линии шимпанзе и человека.
Попытки найти в этих 49 участках что-нибудь осмысленное привели к открытию гена HAR1F. Этот ген кодирует не белок, а маленькую регуляторную РНК, которая активно синтезируется в мозге эмбриона как раз в тот период, когда закладывается структура коры больших полушарий (на седьмой-девятнадцатой неделе). Этот ген, как выяснилось, есть не только у всех млекопитающих, но и у птиц. Однако человеческий HAR1F имеет 18 отличий от шимпанзиного, а шимпанзиный от куриного - только два. Осталось лишь понять, какие гены регулирует эта маленькая регуляторная РНК, как она это делает и зачем.

3. Изменения активности генов. Эволюция многоклеточных организмов в целом и приматов в частности протекает не столько за счет изменения структуры генов, сколько за счет изменения их активности. Небольшое изменение в верхних этажах иерархически организованных генно-регуляторных контуров может приводить к самым радикальным изменениям морфологии. При этом количество измененных нуклеотидов в геноме может быть очень небольшим. Активность генов регулируется множеством способов, но самой универсальной у высших организмов является регуляция при помощи специальных белков - транскрипционных факторов (ТФ). Любопытно, что почти все гены, чья активность в клетках мозга сильно различается у человека и шимпанзе, у человека работают активнее. Что бы это значило? Никто пока не знает.

4. Удвоение генов. Активность генов может меняться в ходе эволюции не только под действием различных регуляторов - ТФ или регуляторных РНК - но и в результате дупликации генов. При прочих равных два одинаковых гена произведут больше продукта, чем один. Дупликация генов, так же как и их потеря - весьма обычное явление в эволюции. В человеческой эволюционной линии (после ее обособления 6 млн лет назад) произошло как минимум 134 генных дупликации. Удваивались не только гены, но и все то, что находится между ними - всевозможные некодирующие участки ДНК, функция которых в большинстве случаев неизвестна. Иногда происходило удвоение отдельных фрагментов генов. Функция гена, как водится, неизвестна, но он несет следы действия отбора и активно работает в клетках мозга (Popesco et al., 2006).

5. Новые гены. Удвоение генов часто становится первым шагом к возникновению принципиально новых генов. Одна из двух копий гена, оказавшись в ином "окружении", может начать по-другому регулироваться, работать в других тканях или на иных этапах развития организма. Но это - долгий путь. В какой степени он был реализован в эволюции человека, толком пока не известно. Сейчас генетики занимаются в основном подготовительной работой: проводят широкомасштабные геномные "сканирования" и составляют длинные списки "генов-кандидатов". На сегодняшний день одним из наиболее хорошо "проработанных" кандидатов считается ген prodynorphin (PDYN), в регуляторной области которого произошли изменения, следствием которых могли стать перемены в эмоциональной регуляции человеческого поведения.

Программа "Геном человека" и ее перспективы. Направления этой программы, активно проникают во все сферы жизни человека, и позволяют уже сейчас говорить о быстро нарастающем "генетизации" человечества.

В 1990 активным инициатором и пропагандистом программы "Геном человека" стал знаменитый Джеймс Уотсон, а главным распорядителем финансов - Национальный Институт Здравоохранения США, в составе которого в 1995 году появился Национальный Институт Генома Человека, который возглавил Френсис Коллинз. В этом же году он стал и руководителем Международной программы "Геном Человека", к которой присоединились ведущие молекулярные лаборатории Великобритании, Франции, Германии, Японии и России. Решающая роль в становлении и развитии одноименной отечественной подпрограммы принадлежит выдающемуся ученому академику А.А.Баеву.
Из более 30 тысяч генов уже идентифицированных на физической карте генома человека, на сегодняшний день изучены в функциональном отношении не более 5-6 тыс.

Каковы функции остальных 25 тысяч уже картированных и такого же числа еще некартированных генов, остается совершенно неизвестным и составляет основную стратегическую задачу исследований в программе "Функциональная Геномика". Нет сомнения в том, что именно изучение структуры, функции и взаимодействия белков станет основой функциональной геномики, которую уже сейчас не редко называют "протеономикой" (Киселев, 2000).
Методы направленного мутагенеза эмбриональных стволовых клеток с целью получения лабораторных животных (мышей) -- биологических моделей наследственных болезней (Горбунова, Баранов, 1997), создание банков ДНК различных тканей и органов на разных стадиях онтогенеза; разработка методов изучения функций участков ДНК, не кодирующих белки; развитие новых технологий 

по сравнительному анализу экспрессии многих тысяч генов -- вот уже существующие подходы в решении проблем функциональной геномики.

Предполагается, что когда будет создан генный портрет генома человека, станет возможной идентификация 200-300 тыс. белков. Выяснить их появление в онтогенезе, исследовать "экспрессионный профиль" сотен и тысяч генов на микропланшетах для мониторинга экспрессионного статуса клеток и тканей в норме и при различных заболеваниях -- центральная задача Функциональной Геномики в так называемую постгеномную эру (Киселев, 2000). Решение ее непосредственно связано с проблемами молекулярной медицины.

Квантово-механические источники генетических мутаций. Для объяснения эмпирически установленного факта сравнительно быстрого формирования крупных систематических групп, впоследствии длительное время существующих без заметных изменений своих основных характерных черт, - семейств, отрядов, классов и т.д. - в процессе эволюции предковая группа утрачивает приспособленность к своей адаптивной зоне и затем либо быстро преодолевает неустойчивое состояние ("неадаптивная фаза", "интервал нестабильности"), развивая комплекс приспособлений к какой-то новой адаптивной зоне, либо вымирает.

Важное достоинство этой теории - ее экологическая составляющая. Однако появилась эта теория слишком рано, когда принципы синэкологии еще не были достаточно разработаны, и убедительных палеоэкологических реконструкций далекого геологического прошлого Земли не существовало.[ Чудов С.В. Устойчивость видов и популяционная генетика хромосомного видообразования: Монография. - М: МГУЛ, 2002. - С.34.]

Время их образования - ранние периоды геологической истории, такие как кембрий и ордовик, или же кризисные эпохи после массовых вымираний, применительно к которым об устойчивых экосистемах с высокой плотностью упаковки ниш вообще нельзя говорить. Природа так придумала, что большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами. Имеется избыток и вариативность информации, чтобы сделать то, что нужно наверняка. Установлено, что молекул ДНК в ядрах клеток столько, что их хватило бы на образование в 10 раз большего числа генов. Это подобно вырождению в квантовых физических состояниях, когда разные волновые функции соответствуют одному и тому же значению собственной энергии. Такой код в молекулярной биологии также называется вырожденным в том смысле, что несколько разных триплетов передают один и тот же смысл, т.е. являются по существу синонимами. Было также установлено, что сама структура генетического кода для всего живого одинакова.

Таким образом, признаки и свойства живых организмов, зафиксированные в молекулах ДНК, генах и хромосомах, хранятся и передаются химическим путем, комбинацией соответствующих органических молекул. Ген выступает как неделимая единица наследственности и в различных мутациях изменяется как целое. Его можно назвать квантом наследственности. В настоящее время установлено, что признаки передаются дискретным образом через эти дискретные образования - гены, что позволяет ввести в биохимическую генетику квантово-механические представления физического микромира.
Следовательно, наследственность по своей природе дискретна, и для изучения ее могут быть использованы математические и физические модели. Это отмечал еще Шредингер: «Уже сам принцип дискретности, прерывистости наследственности, лежащей в основе генетики, очень созвучен атомарной теории строения вещества».
В генетической системе обнаруживаются те же закономерности, что и в квантовом мире: атомизм, высокая упорядоченность дискретных единиц, возможность их комбинации и образование других порядков прерывистой наследственности, скачкообразность переходов из одних состояний в другие, а также вырождение состояний. И.А. Рапопорт установил некоторые аналогии между генными нуклеотидами и кварками с барионами (три кварка в барионе и три нуклеотида в триплете), подобие взаимодействий нуклеотидов и кварков, отсутствие тех и других в свободном состоянии и т.д.

25. 
    Биоэтика.
    

Биоэ́тика (от др.-греч. βιός — жизнь и ἠθική — этика, наука о нравственности) — учение о нравственной стороне деятельности человека в медицине и биологии.

БИОЭТИКА – область междисциплинарных исследований этических, философских и антропологических проблем, возникающих в связи с прогрессом биомедицинской науки и внедрением новейших технологий в практику здравоохранения.
Содержание биоэтики. Развитие биоэтики обусловлено тем, что в современном мире медицина претерпевает процесс цивилизационных преобразований. Она становится качественно иной, не только более технологически оснащенной, но и более чувствительной к правовым и этическим аспектам врачевания. Этические принципы для новой медицины хотя и не отменяют полностью, но радикально преобразуют основные положения «Клятвы Гиппократа», которая была эталоном врачебного морального сознания на протяжении веков. Традиционные ценности милосердия, благотворительности, ненанесения вреда пациенту и другие получают в новой культурной ситуации новое значение и звучание. Именно это и определяет содержание биоэтики.
К биоэтическим обычно относят моральные и философские проблемы аборта; контрацепции и новых репродуктивных технологий (искусственное оплодотворение, оплодотворение «в пробирке», суррогатное материнство); проведения экспериментов на человеке и животных; получения информированного согласия и обеспечения прав пациентов (в том числе с ограниченной компетентностью – например, детей или психиатрических больных); выработки дефиниции (определения) смерти; самоубийства и эвтаназии (пассивной или активной, добровольной или насильственной); проблемы отношения к умирающим больным (хосписы); вакцинации и СПИДа; демографической политики и планирования семьи; генетики (включая проблемы геномных исследований, генной инженерии и генотерапии); трансплантологии; справедливости в здравоохранении; клонирования человека, манипуляций со стволовыми клетками и ряд других.