Г. Р. Державина Академия непрерывного образования Головин Ю. И. Универсальные принципы естествознания (наука в общечеловеческом измерении) Учебное пособие

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Вопросы и темы к семинару 5.1. Классическая механика 5.2. Термодинамика и статистическая физика. 5.3. Классическая электродинамика. 5.4. Химия в структуре естествознания 5.5. Биология – Специфика живого. 5.6. Вместо заключения.

Подобный материал:

• Г. Р. Державина академия непрерывного образования в. О. Алексеева ораторское искусство, 4496.13kb.
• Г. Р. Державина академия управления и сервиса кафедра менеджмента и маркетинга учебное, 1147.35kb.
• Г. Р. Державина академия непрерывного образования кузнецов и. А. Основы маркетинга, 857.54kb.
• Г. Р. Державина академия непрерывного образования о. Ю. Тарасова, Т. Н. Толстых основы, 1318.05kb.
• Налоги и налогообложение, 2486.36kb.
• Учебное пособие Часть1 Тамбов 2004 удк, 1372.4kb.
• Н. И. Константинова концепции современного естествознания учебное пособие, 2191.08kb.
• В. И. Александров Учебное пособие. Российская медицинская академия последиплом, 207.44kb.
• Учебное пособие Москва, 2007 удк 50 Утверждено Ученым советом мгупи, 1951kb.
• В. Н. Савченко в. П. Смагин начала современного естествознания концепция и принципы, 7481.88kb.

Вопросы и темы к семинару

1. Как вы понимаете эволюцию и революцию в науке, в культуре?
   
2. Охарактеризуйте содержание и значение первой научной революции.
   
3. Что предшествовало второй научной революции в культурной и научной жизни Европы?
   
4. Ключевые события 2-ой научной революции и их значение для последующего развития науки.
   
5. Дайте краткую характеристику результатов третьей научной революции.
   
6. Основные особенности научно-технической революции 20-го века.
   
7. Связь общекультурного процесса с динамикой развития науки.
   
8. Опишите изменения характера доминирующего типа мышления, происходившие вследствие научных революций.
   
9. Как менялась картина мира после научных революций?
   
10. Роль религии и религиозных институтов в развитии науки на разных этапах.
    

Литература

1. П. С. Кудрявцев. История физики. Тт.1-3, 1956-1971
   
2. П. С. Кудрявцев. Курс истории физики. М., 1982
   
3. Л. Инфельд, А. Эйнштейн. Эволюция физики. М., 1965
   
4. Т. Кун. Структура научных революций. М., 1975
   
5. Б. Г. Кузнецов. История философии для физиков и математиков.
   
6. Б. Паркер. Мечта Эйнштейна: В поисках единой теории строения Вселенной. М., 1991
   
7. М. Клейн. В поисках истины. М. 1987.
   

Г. Скирбекк, Н. Гильс. История философии. М. Владос, 2001


Ожиданье, ожиданье,

Ожиданье в голубом,

В каждом атоме молчанья

Обещанье стать плодом.


Поль Валери


Модуль 5


Классическое естествознание


Основные черты, особенности и достижения классической науки. Мировоззренческие аспекты. Нерешенные проблемы.


Большой этап развития науки в период, начиная с середины 17 века и заканчивая началом 20 века, сложившуюся систему взглядов, принципов и ключевых результатов принято называть «классической наукой». Ее революционный характер для естествознания и мироощущения в целом уже обсуждался в предыдущем модуле. Рассмотрим теперь подробнее состав, основные достижения, общие характеристики и особенности классического естествознания. Очень укрупнено и весьма условно его можно представить состоящим из нескольких основополагающих учений, значение которых выходит далеко за рамки узкой дисциплинарной специализации: классическая механика, термодинамика квазиравновесных систем и процессов, электродинамика, учение о химических свойствах различных веществ, биология (как совокупность наук о живом), комплекс наук о Земле и астрономия.

До середины 19 века мир представлялся ученым в виде сложной, гигантской по размерам машины, функционирующей по строго определенным, неизменным во времени законам механики. Постановка и решение любой задачи как механической стали универсальным приемом исследования и познания любых явлений в любых системах. Это привело в конце концов к созданию механической картины мира и формированию механистического мировоззрения. Однозначность, строгая детерминированность были парадной одеждой любой образцовой теории. Вероятностные оценки и подходы расценивались как временные несовершенства знаний о природе, которые рано или поздно будут устранены более строгими подходами. В результате любая имеющаяся «правильная», хорошо проверенная опытом теория рассматривалась как окончательная, абсолютно достоверная, т. е. как конечная истина.

Стремление устранить из окончательного итога науки личностные характеристики исследователя, свойства средств наблюдений и измерений, большинство условий эксперимента (кроме одного – двух) привело к неоправданной абсолютизации полученных результатов. В дальнейшем мы еще обсудим, что такое соотношение наблюдателя и объекта невозможно в принципе. Но это было осознано лишь в 20-ом веке, в эпоху постклассического естествознания.

Механистическая идеология не предусматривала деление природы на неживую и живую часть, сводя последнюю к сложному механизму, но не более того. В предельной форме это сформулировал французский ученый Лаплас: если бы можно было в какой – то момент времени узнать положения и скорости всех частиц во Вселенной, а также силы, действующие на них, то описание прошлого и предсказание будущего стало бы делом техники вычислений и только. Никакой неопределенности, непредсказуемости в природе не осталось места в принципе. Такая позиция получила название лапласовский детерминизм (от латинского слова determinant - определять, обуславливать). В результате религия была еще раз сильно потеснена. Сфера духовного при таком подходе становилась частью естественнонаучного мироощущения. И чем больших успехов добивалась наука, тем большие массы людей склонялись к убеждению, что только наука способна решать проблемы человечества, только она может обеспечить лучшее будущее.

Неоспоримая познавательная действенность науки и научной методологии вынудили философию и религию все более соотносить свои позиции с результатами и подходами естествознания.

Французский философ 19 века О. Конт – один из основоположников философии позитивизма - в своем труде «Курс позитивной философии» развил вслед за Сен-Симоном (у которого он некоторое время был секретарем) идею трех стадий интеллектуальной революции человечества: религиозной, метафизической и научной, которые последовательно сменяли друг друга. На первой стадии все явления природы человек объяснял, исходя из мифологических, религиозных представлений. На второй – были устранены иррациональные, сверхъестественные причины, но не было достигнуто действительного понимания природы и общества. На третьей, позитивной, возникли основы рационального объяснения действительности, дающие возможность научной организации общества, способной обеспечить его эффективное функционирование и социальный прогресс. В конце жизни О. Конт провозгласил создание новой «религии человечества», которой он считал «позитивную мораль».

Позитивистские идеи Конта встретили понимание и широкую поддержку ученых-естественников, но резко критиковались классиками марксизма. В 20-м веке позитивизм продолжал развиваться и вырос в одно из крупнейших направлений западной философии – неопозитивизм, который отрицает философию как самостоятельную дисциплину, имеющую свои теоретические возможности, дополнительные по отношению к естественнонаучной методологии.

Перейдем теперь к тезисному описанию содержания и значения классического естествознания для науки в целом.

5.1. Классическая механика. Великие предшественники И. Ньютона – Н. Коперник, Г. Галилей, Х. Гюйгенс, И. Кеплер, Р. Декарт и др. подготовили своими трудами благодатную почву для обобщения и развития их идей и найденных законов в исключительно мощную, красивую и универсальную теорию механического движения, описанную в знаменитом труде сэра И. Ньютона «Математические начала натуральной философии» (вышел в свет в 1686 г). Каждое слово в этом заглавии (Рис. 5.1) несет большую смысловую нагрузку. «Математические» – означает, что все описание имеет строго количественный характер. «Начала» – (в первоисточнике «principia», что в переводе с латинского означает еще и основы, принципы) – подчеркивает фундаментальность, всеобщность излагаемых положений. «Натуральная философия» – всеобщая теория природы. Если отвлечься от буквального перевода со средневековой латыни (на которой и написана книга) и перейти на более современный язык, то будет ясно, что в заглавии гордо заявлено – эта книга представляет собой Количественную Теорию Всей Природы. Основные положения этой теории могут быть сведены к тому, что все процессы в природе – суть движения тел (безотносительно к размерам, физическим и химическим свойствам этих тел, скоростям движения и т. д.), подчиняющихся небольшому числу универсальных законов:





Рис. 5.1. Титульный лист «Начал» И. Ньютона

1. Принцип инерции (сформулирован впервые Галилеем): всякое тело сохраняет состояние покоя или прямолинейного равномерного движения со скоростью до тех пор, пока это состояние не будет изменено под действием каких-либо сил F. Т. е. само по себе движение тел не есть следствие действия на них сил со стороны других тел, и в отсутствии каких-либо сил оно может продолжаться бесконечно по инерции. В лаконичной форме это можно записать так:
   

если то =const.

2. Действующая на тело сила вызывает изменение его скорости v в единицу времени t (ускорение), пропорциональное величине этой силы и обратно пропорциональное массе тела m:
   

3. Действие двух тел друг на друга (т. е. вектора силы) равны по величине и противоположны по направлению:
   

4. Сила притяжения любых двух тел, находящихся на расстоянии r друг от друга, пропорциональна массам этих тел m₁ и m₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
   

,

где G – гравитационная постоянная - одна из нескольких, так называемых, мировых констант.

Все эти законы действуют безотносительно к свойствам тел (кроме их массы) и свойствам среды, в которой они находятся. Поскольку во времена И. Ньютона никаких других форм движения и взаимодействия не обсуждалось, современникам представлялось, что это и есть теория «всего». Тем более, что она была дополнена новым математическим аппаратом, оперировавшим не фиксированными числами, а непрерывными переменными величинами, их функциями, производными и интегралами от этих функций. Это было революционно и для самой математики. Понятия «производная» и «интеграл», «дифференцирование» и «интегрирование», знакомые теперь каждому десятикласснику и широко используемые не только в «точных» науках, но и во многих других сферах человеческой деятельности, стали общенаучными и даже общекультурными. Ярким доказательством справедливости законов Ньютона и на небесах явилось открытие невидимых невооруженным глазом малых планет Солнечной системы (Плутон, Нептун) путем предварительных расчетов их траекторий движения и мгновенного положения по законам Ньютона, точное предсказание лунных и солнечных затмений, траекторий комет и т. п.

Вряд ли какое достижение в науке оказало столь мощное и длительное влияние на дальнейший ход ее развития, как открытия И. Ньютона. Помимо того, что эта теория с единых позиций описывала все события в известной тогда Вселенной, не подразделяя ее на две компоненты – земную (реальную) и небесную (идеальную, божественную), она по сути была программой, образцом для дальнейшего ускоренного развития науки.

Приведем лишь два высказывания известных ученых о роли трудов И. Ньютона в развитии цивилизации. Известный физик, бывший президент Академии Наук СССР С.И. Вавилов в своей книге об И. Ньютоне писал: «В истории естествознания не было события более крупного, чем появления «Начал» И. Ньютона. Причина была в том, что эта книга подводила итоги всему сделанному за предшествующее тысячелетие в учении о простейших формах движения материи. Сложные перипетии развития механики, физики и астрономии, выраженные в именах Аристотеля, Птолемея, Коперника, Галилея, Кеплера, Декарта поглощались и заменялись гениальной ясностью и строгостью «Начал».

А вот мнение не менее уважаемого английского ученого, философа, основателя науковедения Дж. Бернала: «По убедительности аргументации, подкрепленной физическими доказательствами, книга (имеется в виду «Начала») не имеет себе равных во всей истории науки. В математическом отношении ее можно сравнить только с «Элементами» Евклида, а по глубине физического анализа и влиянию на идеи того времени – только с «Происхождением видов» Дарвина. Она сразу же стала библией новой науки, не столько как благоговейно чтимый источник догмы …, сколько как источник дальнейшего расширения изложенных в ней методов». Такова оценка Дж. Бернала, содержащаяся в его широко известной и часто цитируемой книге «Наука в истории общества».

Кстати, о божественном в творчестве И. Ньютона. Он был человеком безусловно верующим и написал помимо научных трудов значительное количество теологических. Причем, их объем превышает объем научных трудов. Сам И. Ньютон придавал своим религиозным трактатам большое значение и считал, что если он и останется в памяти потомков, то благодаря им. Поэтому закономерен вопрос: «А был ли сам Ньютон последовательным ньютонианцем?». Судя по переписке, которую он вел со многими современниками, его материализм не распространялся на пространство, время и силы тяготения. Но роль Ньютоновского Бога весьма незавидна: после того, как мир был сотворен, ему оставлено заведовать пустым пространством и божественными силами притяжения находящихся в нем тел.

По меткому выражению Ф Энгельса (в «Диалектике природы») «с богом никто не обращается хуже, чем верующие в него естествоиспытатели».

Жестким, бескомпромиссным последователям И. Ньютона такие взгляды казались слишком эзотеричными, да и самого создателя классической механики, похоже, они тоже приводили в некоторое смущение (поскольку в чисто научных трактатах он нигде прямо не излагал такого понимания места Бога в его картине мира).

5.2. Термодинамика и статистическая физика. Термодинамика (с латинского – движение теплоты) – наука о наиболее общих тепловых свойствах макроскопических тел и наиболее общих закономерностях течения и преобразования различных видов энергий друг в друга ( не только тепловой, как это буквально следует из названия, но и всякой другой). Поскольку термодинамический подход не требует знаний конкретного устройства объекта или системы, законы термодинамики имеют всеобщий, универсальный характер.

Великий Галилей заложил основы не только механики, но и термодинамики как количественной науки. Он ввел понятие температуры и изобрел первый термометр для ее измерения. В дальнейшем С. Карно, Дж. Джоуль, Р. Клаузиус, Л. Больцман, Дж. Гиббс, В. Нернст и многие другие превратили этот раздел естествознания в стройную всеобщую теорию, описывающую природу с энергетических позиций.

В 18 – 19 веке разрабатывалась, главным образом, термодинамика равновесных состояний и квазиравновесных процессов (квази – с латинского означает мнимый, но в русском языке эта приставка означает: почти, как-бы).

Приведем сначала определения и базисные понятия этого учения. Термодинамика изучает макроскопические системы, состоящие из большого числа тел, частиц, элементов, не входя в микроскопические детали их устройства. Под «большим числом» здесь понимается ансамбль из 10⁶ – 10⁹ частиц, хотя эта граница, разумеется, весьма условна. Но важно понять, что к системам из нескольких частиц (например, трех, десяти или даже ста) эти подходы применять не имеет смысла или невозможно. Замкнутой называют такую систему, которая полностью изолирована от внешних воздействий. Равновесным называется такое состояние системы, в котором отсутствуют потоки вещества и энергии между ее частями. В таком состоянии система может находиться без каких-либо изменений бесконечно долго. Равновесное состояние системы можно однозначно определить или задать несколькими параметрами состояния (температурой, давлением и т. д.).

Процессом в термодинамике называют изменение состояния системы во времени. Обратимыми считают такие процессы, которые в каждый момент времени проходят через состояния, очень близкие к равновесным (т. е. все состояния в системе являются квазиравновесными). Для этого процесс, строго говоря, должен протекать бесконечно медленно.

Ясно, что все эти понятия абстрактны и очень идеализированы. Ни одна реальная система, ни один реальный процесс не могут строго удовлетворять этим требованиям. Но многие из них могут быть очень близки к равновесным, что дает возможность с помощью термодинамики находить правильные ответы на ряд вопросов принципиального характера. Основные положения термодинамики квазиравновесных процессов обычно формулируют в виде трех законов (или «начал», т. е. принципов), имеющих экспериментальное обоснование и происхождение.

Первое начало термодинамики утверждает, что сумма всех видов энергии в любой замкнутой системе есть величина постоянная, а в незамкнутой – меняется на величину, равную совершенной над этой системой работы и подведенной из-за пределов системы энергии. В сущности – это общая формулировка закона сохранения энергии в природе. В середине 19 века он был предложен как закон, контролирующий взаимопревращения механической и тепловой энергии, но впоследствии стал рассматриваться как всеобщий закон природы для любых видов энергии (в том числе и электрической, магнитной, ядерной и т. п.). В другой, более краткой формулировке первое начало термодинамики звучит так: «Вечный двигатель первого рода невозможен». В ней слышатся отголоски многовековой дискуссии об осуществимости «вечного двигателя», т. е. устройства, не потребляющего ниоткуда никакого вида энергии, но безостановочно производящего механическую работу. Весь эмпирический опыт человечества, тщательно поставленные многочисленные эксперименты, изощренная логика – все отказывает в праве на жизнь этой голубой мечте бездельников. Задолго до разгара споров о «вечном двигателе» В. Шекспир устами своего героя сказал: «Из ничего не будет ничего», а М. Ломоносов заметил: «Где в одном месте чего-нибудь прибудет, того в другом месте на столько же и убудет».

Второе начало термодинамики. Оно имеет множество формулировок, которые сводятся одна к другой. Приведем и прокомментируем некоторые из них.

1. Если два тела с различной температурой приведены в тепловой контакт, то самопроизвольно тепло будет перетекать только от горячего тела к холодному (и никогда наоборот). Легко видеть, что этот закон, определяющий направление самопроизвольного перетока тепловой энергии, дополняет первое начало. Действительно, первое начало термодинамики требует лишь равенства отданной и принятой энергии двумя телами (частями одной системы), но не запрещает никаких обменов, в том числе и такого, при котором холодное тело еще больше остынет, а горячее нагреется. В любом бытовом холодильнике происходит отбор тепла у более холодного внутреннего объема (что приводит к дальнейшему его охлаждению) и перенос его в более теплое окружающее пространство (что увеличивает температуру находящихся в нем тел), но все это происходит не самопроизвольно, а в результате работы специальных механизмов, потребляющих энергию из электрической сети. Если воспользоваться гидравлической аналогией, то холодильник можно уподобить тепловому насосу, забирающему тепло на низком температурном уровне и закачивающему его (вопреки противоположному стремлению природы) на более высокий температурный уровень. Интересно заметить, что количество тепла, выброшенного холодильником из охлаждаемого объема, может значительно превышать энергию, потребляемую тепловым насосом. Т. е. формально коэффициент полезного действия такого обогревателя может быть значительно (в несколько раз) больше единицы. Например, бытовые кондиционеры, являющиеся такими же тепловыми насосами как и холодильники и имеющие реверсный режим работы, могут в холодное время года подавать в комнату тепла раза в три больше, чем берут энергии из сети (но за окном от этого температура понижается еще больше).
   
2. Эти утверждения эквивалентны еще одной полезной формулировке, играющей очень важную роль при проектировании любых тепловых двигателей (т. е. машин, служащих для преобразования тепловой энергии в механическую работу): бензиновых и дизельных двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, реактивных двигателей самолетов и ракет. Она гласит, что никакая тепловая машина непрерывного действия (пусть даже построенная из идеальных элементов и работающая без теплопотерь и потерь на трение) не может иметь коэффициента полезного действия (КПД), превышающего величину
   

Здесь Т₁ – самая высокая температура в машине, Т₂ – самая низкая.

Т. е. другими словами, этот закон запрещает полное, стопроцентное преобразование тепловой энергии в механическую работу даже в идеальном тепловом двигателе. С другой стороны, он дает рецепт повышения КПД: для того, чтобы из одного килограмма сжигаемого топлива получить максимум механической работы, необходимо повышать температуру в камере сгорания и уменьшать ее при выхлопе (выбросе отработавшего рабочего тела, например, выхлопных газов или пара).

3. Это равносильно утверждению: вечный двигатель второго рода неосуществим. Под таким двигателем понимается машина, способная превращать всю потребляемую тепловую энергию в механическую работу.
   

Приведенные выше формулировки второго начала отражают следующую истину: не все виды энергии равноценны, даже если они количественно равны. В природе существуют виды энергии «первого сорта» - например, механическая, электрическая, и «второго сорта» - тепловая. Первые могут без остатка превращаться в тепло, а наоборот – никогда. На более общем физическом языке – это означает необратимость процессов с участием тепловой энергии. Другими словами, в отличие от чисто механических процессов, которые можно провести в прямом и обратном направлении через одни и те же состояния (а в замкнутом цикле, т. е. проведя их «туда» и «обратно», не оставив никаких изменений в окружающей среде), с тепловыми - это сделать невозможно. Этим они принципиально отличаются друг от друга и называются соответственно обратимыми и необратимыми.

Существует специальная величина (характеризующая меру необратимости) – энтропия – S. Ее использование позволяет дать еще одну количественную формулировку второго начала термодинамики.

3. Энтропия в замкнутой системе может только нарастать, или для обратимых (идеальных) процессов - оставаться неизменной. В лаконичной форме, принятой в физике, это можно записать так:
   

S  0

Т. е. изменение энтропии в любом процессе может быть только положительным или равным нулю.

Каков же физический смысл энтропии? В конце 19-го века австрийский физик-теоретик Л. Больцман показал, что она является мерой беспорядка в системе и определяется как

S=k·ln W

Здесь k – постоянная Больцмана; W – количество микроспособов, которым может быть реализовано данное макросостояние. Простой анализ показывает, что чем больше беспорядка в системе, тем большим числом микроспособов его можно реализовать. И наоборот, чем более упорядочено состояние системы, тем меньшим числом способов его можно осуществить.

Из молекулярно-кинетических представлений, лежащих в основе современного естествознания, вытекает, что атомы и молекулы, находящиеся в беспрерывном хаотическом тепловом движении, самопроизвольно осуществляют перебор всех доступных микросостояний внутри системы (макроскопического тела). Чем больше W у данного состояния, тем дольше система пребывает в данном макросостоянии. При громадном числе частиц (атомов или молекул), из которых состоит макротело, различие в величине W для различных мыслимых макросостояний может достигать колоссального количества порядков величины. Это означает, что «бесцельно перебирая» все возможные комбинации расположения микрочастиц, макросистема будет автоматически существовать большую часть времени в том макросостоянии, у которого наибольшее W. Или, что то же самое, для любой замкнутой системы из всех состояний наиболее предпочтительным является то, в котором порядок наименьший.

Когда этот вывод был осознан в полном объеме, не только физики, но и все образованные люди того времени (конец 19 века) пришли в ужас! Хаос в природе неуклонно нарастает, Вселенную ждет «тепловая смерть» - полное выравнивание температур, полная хаотизация и превращение всех форм движения в тепловое. Одновременно возникает и проблема первотолчка. Кто создал исходный высокий порядок в мире (т. е. низкий уровень энтропии), который теперь непрерывно ухудшается? Выход из этого кризиса, научного и духовного наметился только в 20 веке в постклассическом естествознании. Но об этом мы поговорим в модуле 7.

Наконец, третье начало термодинамики гласит: абсолютный нуль температуры, соответствующий полной остановке теплового движения, экспериментально недостижим.

Многочисленные попытки дать второму началу термодинамики ”рациональное обоснование”, т.е. вывести законы термодинамики, исходя из динамических принципов механики Ньютона не привели к успеху. Очевидно эта задача несовместима с классическими уравнениями динамики частиц, которые составляют любую макроскопическую систему. В механике Ньютона поведение частиц жестко детерминировано и процессы обратимы во времени. Эволюция термодинамики равновесных систем в соответствии с опытом и статистическими законами ведет к максимально возможному хаосу и сопровождается необратимой потерей памяти об исходном состоянии, что означает выделение одного из двух виртуально возможных направлений течения времени. Следовательно, в этих процессах мы имеем дело с качественно иными процессами в природе, нежели в механике отдельных частиц.

Подведем краткие итоги. Термодинамика, возникшая из частной практической потребности конструировать и строить наилучшим образом тепловые двигатели, со временем превратилась в общую теорию преобразования различных форм энергии друг в друга и, что еще более важно, соотношения упорядоченного и неупорядоченного движения во всей Вселенной.

Интересно отметить, что и научную, и художественную, и производственную деятельность человека можно рассматривать как борьбу с ростом энтропии в сознании и окружающей среде. Видимо хаос и дезорганизация противны природе человека и он стремиться их уменьшить, чтобы снизить душевный дискомфорт, а заодно и энтропию (но только локально!). Другими словами, общность любого творчества, с точки зрения физики, заключается в организации, увеличении порядка в сознании и окружающем мире. Так, М. Горький в частной переписке писал Б. Пастернаку: «Воображать – значит внести в хаос форму, образ». В сущности, этим и занимаются ученые, вылавливая из кажущегося хаоса ключевые факты и создавая на их основе очень упорядоченные, строгие, обобщающие теории; композиторы, организующие звуки (способные с легкостью превращаться в раздражающий шум при небольших изменениях длительностей, последовательности и т. п.) в гармоничные, волнующие и просветляющие душу музыкальные произведения; поэты, порой перерабатывающие «тонны словесной руды» ради нескольких гениальных строф; скульпторы и архитекторы, превращающие груды глины, бесформенных камней или кирпичей в совершенные творения – «музыку в камне».

5.3. Классическая электродинамика. Буквально это означает науку о движении электрической материи. Более широко – это раздел естествознания, посвященный электромагнитным полям как носителям специфического взаимодействия между электрически заряженными телами и разнообразным явлениям с их участием. О специфичности этих явлений человек догадывался издревле. Термин «электричество» – происходит от греческого слова «янтарь» (который становится электрически активным при натирании), а «магнетизм» - от названия горы Магнесия в Малой Азии, кусочки породы с которой обладают свойством притягивать друг друга на расстоянии (они содержат железо). Но последовательное, глубокое и строгое математизированное описание и толкование электромагнитные явления получили лишь к концу 19 века. Громадную роль в этом сыграли двое выдающихся английских ученых: М. Фарадей, который открыл множество принципиально важных явлений и законов электромагнетизма, и Дж. Максвелл, создавший исключительно элегантную математическую теорию всех известных электромагнитных явлений, из которой вытекало множество важнейших следствий. Что же из электромагнитной теории Максвелла имеет общенаучное и даже общекультурное значение?

Во-первых, безусловно, понятие физического поля. Интуитивно его ввел в 30-е годы 19 века М. Фарадей, но в полной мере использовал и развил, придав ему строгий смысл и математическую «одежду», - Дж. Максвелл в своем знаменитом труде «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873 г.). Со временем стало ясно, что поле – это не только удобный формализм, с помощью которого можно описывать взаимодействие двух заряженных тел, но новая физическая реальность, вторая форма существования материи, равноправная с веществом. Согласно современной квантово-полевой концепции частицы, участвующие в каком-либо взаимодействии (не обязательно в электромагнитном, а в любом другом известном науке, например, гравитационном или ядерном), создают в окружающем пространстве особое состояние, которое можно обнаружить различными способами, например, по силе, действующей со стороны одной частицы на другую (См. Рис. 2.2.).

Дж. Максвелл первым предсказал, что поле может существовать и независимо от создавшего его тела, «оторвавшись» от него в виде волны, которая может путешествовать в пространстве бесконечно. Такие волны электромагнитного поля были через несколько лет экспериментально обнаружены Г. Герцем. Из этой теории так же следовало, что электромагнитные волны должны распространяться в вакууме со скоростью света, а сам свет – это электромагнитные волны определенного диапазона частот. Впоследствии эти представления также блестяще подтвердились экспериментально, что позволило объединить и описать с единых позиций весьма различающиеся, на первый взгляд, явления природы (рис. 5.2.). Кроме того, в начале 20-го века выяснилось, что структура и свойства любого атома и межатомных взаимодействий определяется исключительно силами электромагнитного взаимодействия. Т. е. химические, электрические, оптические, механические и любые другие свойства макротел (в частности, и растений, и животных, и человека) целиком подчинены законам электромагнетизма. Это дало основание построить новую картину мира – электромагнитную, дополнявшую и обобщавшую механическую картину мира по Ньютону. С тех пор живет и многих ученых вдохновляет заветная мечта: объединить их в одну единую теорию. Многие гении (в частности, А. Эйнштейн) потратили десятилетия жизни в попытках создать единую теорию универсального физического поля, однако до сих пор эта задача так и не решена. Это серьезный вызов интеллектуальным возможностям человека.


Р
ис. 5.2. Шкала электромагнитных волн, показывающая внутреннее единство столь различных, на первый взгляд, процессов как ядерное -излучение, испускание света нагретыми телами и протекание тока по проводам.

5.4. Химия в структуре естествознания. Химия - это естественно-научная дисциплина, изучающая состав, свойства и химические превращения веществ, а также разнообразные явления с участием химических превращений. Существует несколько гипотез по поводу происхождения самого слова “химия”, но ни одна из них не является общепризнанной.

Перед химией в целом всегда стояла и стоит двуединая задача: научное объяснение свойств различных веществ и получение веществ с заранее заданными необходимыми свойствами. По уровню сложности структур, которыми занимается химия, она занимает промежуточное положение между физикой и биологией. С ними она имеет совместные пограничные владения: физическая химия и химическая физика, радиационная химия, квантовая химия, космохимия (со стороны физики) и молекулярная биология, энзимология, химическая экология, био- и геохимия (со стороны биологии). Непрерывный обмен идеями, методами, подходами между физикой, химией и биологией приводит к их взаимному обогащению.

В древности наиболее обширными познаниями в области химии обладали, по-видимому, египетские жрецы. Им были известны секреты получения семи чистых металлов, их сплавов и др. Арабы, завоевавшие Египет в 7 веке нашей эры, преобразовали египетское слово «хеми» в «аль-химия». В связи с этим весь период начального развития этой науки с древности до 16-го века н. э. называют алхимическим. Главными целями алхимии были поиски «философского камня», способного превращать любые металлы в золото, создание «элексира жизни», обеспечивающего долголетие или даже бессмертие, и «алкачита» - универсального растворителя. Односторонняя квалификация алхимии как псевдонауки, полной мистики, эзотерики, не дает возможности объективно оценить ее реальное значение. Так и не найдя того, что она искала, алхимия за многовековой период развития добыла важные сведения о свойствах различных веществ, изобрела ряд полезных методов получения полезных и ценных продуктов (например, перегонкой, выпариванием) открыла сильные минеральные кислоты (серную, азотную и др.). Тем самым были подготовлены условия для исследования и применения химических соединений в медицине, военном деле, промышленном производстве, для зарождения и становления научной химии.

Первым серьезным шагом в этом направлении можно считать работы английского химика и физика 17 века Р. Бойля. В своей книге «Химик - скептик», опубликованной в 1661 году, он отверг пережившее века учение античных натурфилософов о четырех стихиях (огонь, воздух, вода, земля), из которых, якобы, состоят все тела, и ввел понятие об элементах – простейших телах, которые не могут быть разделены на еще более простые тела и приготовлены из других простейших тел. В 17-18 веках древнегреческий термин «атом» (неделимый), который мы теперь используем для обозначения этих простейших тел, обычно заменяли латинским словом «корпускула» (уменьшительное от латинского «корпус» - тело), т. е. частичка. Корпускулярные представления о строении вещества развивались впоследствии и физиками, и химиками и составили фундамент классического естествознания. Следующее существенное продвижение сделал французский химик А. Лавуазье, который первым начал систематически использовать количественные методы, основанные на точных измерениях. В результате он (независимо от М. Ломоносова) открыл закон сохранения массы в химических реакциях; правильно объяснил явление горения, развив основные положения кислородной теории; обнаружил, что воздух состоит из смеси двух различных газов – кислорода и азота; вода – не является простым веществом, а есть соединение кислорода с самым легким из известных элементов - водородом (т. е. буквально - родящим воду). Теории Лавуазье сделали химию совершенно рациональной наукой, изгнав из нее мистику, колдовство, несуществующую горючую субстанцию «флогистон» и т. д. Однако все это не защитило его от казни по навету во времена Великой французской революции. На прошении о помиловании, составленном авторитетными учеными Европы, где объяснялось, что А. Лавуазье – великий ученый того времени – не мог быть замешан в финансовых злоупотреблениях (в то время он занимал во французском правительстве должность, эквивалентную министру по налогам и сборам), революционный Конвент наложил резолюцию, вошедшую в историю на века – «Родина не нуждается в ученых».

Английский химик Дж. Дальтон и шведский химик И. Берцелиус показали, что корпускула (атом) каждого химического элемента обладают определенным весом, а атомы одного элемента имеют одинаковый вес. В результате при образовании соединений разные элементы входят в его состав в определенных и неизменных от опыта к опыту пропорциях (закон кратных отношений). Все это позволило Берцелиусу рассчитать атомные веса каждого известного тогда элемента и опубликовать первую таблицу атомных весов в 1826 году. Интересно отметить, что за малым исключением, они совпадают с принятыми в настоящее время.

С именем Берцелиуса связано также введение и употребление символов химических элементов и записей химических реакций в виде уравнений и формул сложных химических веществ. Все это используется в том же виде по сей день. Закончил систематизацию элементов российский химик Д.И. Менделеев, расположив известные тогда 62 элемента в виде периодической таблицы (1869 год). За системообразующий фактор Менделеев принял атомный вес элемента (позже – уже в 20-м веке - он был заменен на более корректную характеристику атома – заряд ядра, но это не повлияло на общий вид таблицы и положение большинства элементов в ней). Оставив в некоторых местах таблицы пустые клетки, Менделеев предсказал существование в природе неоткрытых к тому времени элементов. Впоследствии они были обнаружены и продемонстрировали те свойства, которые им предписываются положением в таблице. Как и во всех других теоретических представлениях, особую ценность имеет прогностическая составляющая, помогающая обнаружить новые объекты и явления, а не только хорошо объяснять известные. И в этом смысле периодическая система элементов Менделеева зарекомендовала себя с лучшей стороны.

Немецкий химик Ф. Велер и французский – Ш. Жерар в середине 19 века заложили основы органической химии, доказав несостоятельность концепции «витализма» - особой природы органических веществ, якобы качественно отличной от природы неорганических.

В конце 19 века российский химик А.Бутлеров обосновал теорию химического строения, согласно которой свойства сложных веществ определяются не только составом (количеством тех или иных атомов в молекуле), но и порядком расположения атомов в молекуле и их взаимным влиянием.

Знание состава и строения реагирующих молекул, как правило, необходимо, но недостаточно для предсказания, какие продукты могут получаться на выходе реакции и с какой скоростью. На эти два вопроса призваны ответить термодинамика и химическая кинетика. Если первая начала развиваться в 19 веке, то вторая – лишь в 20-ом. Но для этого необходимо было еще раз пересмотреть фундаментальные представления в химии и перейти на квантово-механический способ описания молекул, что стало возможными лишь после создания основ квантовой механики в первой трети 20-го века.

Итак, завершая этот пункт, констатируем, что эволюционируя от алхимии к строгой количественной науке, химия в 17-19 веках смогла систематизировать, объяснить и описать с помощью количественных законов многие химические превращения в неорганическом мире и частично - в органическом. В результате механическая и электромагнитная картина мира дополнились химической. Это нанесло еще один удар и окончательно подорвало и без того сильно расшатанную метафизическую платформу естествознания 18-19 века и принесло ветер диалектических перемен.

5.5. Биология – (от греческого bios – жизнь и logos – понятие, мысль, учение, т. е. буквально - законы жизни) – совокупность дисциплин о живых объектах, их происхождении, строении, функциях, развитии, а также о взаимоотношениях друг с другом и окружающей средой. Биология устанавливает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех ее проявлениях (зарождение, эволюция, размножение, обмен веществ, наследственность, изменчивость, раздражимость, подвижность, адаптируемость и т. д.).

Древние культуры Востока, Междуречья, Египта смогли установить множество полезных закономерностей в мире растений и животных, одомашнили крупный рогатый скот, коз, овец, свиней, собак, кошек, гусей и т. д. Со временем количество сведений о живой природе неуклонно нарастало, знания углублялись и биология превратилась в большой иерархический комплекс дисциплин.

Существует множество схем структуризации знаний в области биологии.

Классификация по объектам исследования может выглядеть так:

• Вирусология – наука о мельчайших живых организмах – вирусах;
  
• Микробиология – наука о микробах и других микроорганизмах;
  
• Ботаника – наука о растениях;
  
• Зоология – наука о животных;
  
• Антропология – наука о происхождении, строении и эволюции человеческого организма.
  

В зависимости от уровня, занимаемого объектом в структурной иерархии живого:

• Молекулярная биология – дисциплина, рассматривающая живые объекты на молекулярном уровне;
  
• Эмбриология – наука о зародышевой форме жизни;
  
• Гистология – наука о клеточной структуре ткани;
  
• Анатомия – дисциплина, изучающая строение внутренних органов и развитие живых организмов (включая человека);
  
• Биогеоценология – наука, изучающая взаимоотношения живых организмов между собой и окружающей средой на локальной территории (биогеоценоз);
  
• Экология, глобальная экология – система научного знания о взаимоотношении человеческой популяции с биосферой региона и окружающей средой в целом.
  

Как и в естествознании в целом, для современной биологии характерно изучение объектов на всех трех масштабно-иерархических уровнях структуры материи:

• Микроуровень или атомарно-молекулярный (структура и функции отдельных молекул: белковых, в частности, энзимов, ДНК, РНК, АТФ и т. п.);
  
• Мезоуровень (клетки, органы, системы отдельного организма);
  
• Макроуровень (отдельный организм, популяция, биоценоз);
  
• Мегауровень (биосфера в целом).
  

Биология тесно связана с другими областями знаний. На границах с ними возникли интегрированные дисциплины:

• Биофизика
  
• Биохимия
  
• Биологическая математика и моделирование
  
• Биоэтика (о нормах правового регулирования в области взаимоотношений человека с окружающей средой, медико-правовых нормах и т. п.)
  

Наконец, знания о живой природе широко используются в практике. В форме, специально адаптированной к этим задачам, они стали самостоятельными научными дисциплинами:

• Генная инженерия (дизайн биообъектов посредством изменения наследственного аппарата)
  
• Биотехнология (разработка и использование технологических процессов с участием живых организмов, например, сбраживание с помощью дрожжей, биоочистка сточных вод, получение газообразного топлива путем разложения органического сырья и отходов и т. п.)
  
• Бионика (изучение живых организмов с целью переноса изобретенных природой решений в практику конструирования и промышленного производства)
  
• Охрана природы (обоснование и организация рационального использования природных ресурсов с сохранением естественной флоры и фауны).
  

Специфика живого. Для того, чтобы определить внешние границы живого мира, необходимо точно сформулировать, чем он отличается от неживого. По этому поводу имеется набор довольно ясных критериев. Перечислим их.

1. Системная целостность. Живой объект представляет собой функциональное и структурное целое, в котором интегрированы все его составные части со свойствами, отличными друг от друга и от целого. Это один из определяющих признаков живого, по мнению известного российского биохимика, академика В. Н. Энгельгардта.
   
2. Самовоспроизведение, способность к размножению.
   
3. Способность к росту и развитию как на уровне отдельного организма в течение жизни (онтогенез), так и на уровне всего органического мира или его типов, классов, отрядов, семейств, родов и видов (филогенез).
   
4. Активная реакция на внешние раздражители. Адаптируемость к внешним условиям.
   
5. Биополимерная основа. Живые объекты и системы представляют собой совокупность тех же атомов, что и неживые. Но для них характерно высокое содержание углерода, водорода и кислорода, а также их объединение в высокомолекулярные образования – биополимеры: белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, ферменты и др.
   
6. Метаболизм (обмен веществ). Любой живой окружающий объект берет что-то из окружающей среды в процессе питания, дыхания, а что-то в нее сбрасывает.
   
7. Антиэнтропийность. Как уже обсуждалось выше, в замкнутой системе энтропия (т. е. беспорядок) может только нарастать. Но ввиду обмена веществом и энергией с окружающей средой живой организм не является изолированным, поэтому в нем возможно непрерывное уменьшение энтропии, т. е. улучшение и усложнение организации в процессе развития (конечно, только за счет увеличения беспорядка в окружающей среде). Если провести границы системы на большом расстоянии от биообъекта, то суммарное изменение энтропии в ней все равно будет положительным, т. е. и живые организмы не нарушают второго начала термодинамики. Более того, им свойственно самоорганизовываться (впрочем, как и некоторым неживым системам), что вызывает еще большее понижении энтропии в них. Но процессы самоорганизации стали предметом науки только во второй половине 20-го века и будут рассмотрены позже (см. соответствующий подпункт в модуле 7 и рисунки 7.3 и 7.4).
   

Тем не менее, провести строгую границу между живым и неживым миром (даже при наличии такого числа критериев) не всегда возможно. Например, вирусы, находящиеся вне клеток другого организма, не удовлетворяют ни одному из названных критериев, однако проникнув в живой организм, они в благоприятных условиях начинают расти и размножаться, используя его ферментные системы.

Основные направления, по которым развивалась биологическая наука до конца 19-ого века - поиски и систематизация всех представителей живого мира на Земле, их структура, морфология и функции, происхождение и эволюция, наследственность - определили ее лицо к началу 3-ей научной революции. Ниже перечислены основные вехи развития биологии в рамках классического естествознания.

Изобретение первого микроскопа Галилеем (1610 г.) открыло новые возможности для инструментального изучения различных биологических объектов и структур. В 10-ом издании своей «Системы природы» (1758 г.) Карл Линней предложил стройную систему классификации, введя биноминальную номенклатуру (с использованием двух наименований – род и вид). Работа по описанию и классификации не закончена до сих пор (из-за огромного многообразия живых существ, вымерших и населяющих Землю в настоящий момент). Одних только насекомых сейчас известно около 2 млн. видов и их число растет ежегодно на несколько тысяч. (Правда, это самый многочисленный класс: количество видов насекомых больше, чем остальных животных и растений вместе взятых).

Другое важнейшее обобщение в биологии – клеточная теория. В современной форме эта теория утверждает, что, несмотря на гигантское разнообразие форм живого на Земле, все они состоят из клеток и продуктов их метаболизма. Активность организма как целого является самосогласованным процессом жизнедеятельности его клеток. Клетки наблюдали многие исследователи (начиная с Р. Гука в 17 веке), но в виде общебиологического принципа – все живое состоит из клеток - был ясно и последовательно проведен М. Шлейденом и Т. Шванном в 1838 году. Клетка – универсальная структурная единица всего живого – имеет в своем составе оболочку, цитоплазму и ядро (независимо от размеров и того, что это конкретно за клетка и из какого организма). В ядре содержатся хромосомы, а в них - молекулы ДНК – носители наследственной информации организма. Размеры клеток могут варьироваться в очень широких пределах: от примерно 0,1 мкм (некоторые бактерии) до примерно 100 мм (яйцо страуса), т. е. отличаться в миллион раз по линейным размерам, а по массе – в 10¹⁸раз! Человеческий организм состоит из примерно 10¹³ клеток (тысячи миллиардов!), что намного превышает число жителей на Земле (около 6 миллиардов человек).

Одной из центральных проблем биологии на протяжении многих веков была и остается проблема происхождения жизни на Земле. От ее решения, так или иначе, зависит весь комплекс наук о живом.

Все выдвигавшиеся концепции возникновения жизни можно свести к пяти обобщенным:

• Креационизм (от латинского creatio - создание), согласно которому все разнообразие форм жизни было некогда создано в короткий отрезок времени сверхестественным существом – Творцом – Богом.
  
• Самопроизвольное зарождение: жизнь возникала многократно, спонтанно из неживого вещества (такой концепции, в частности, придерживался еще Аристотель, который полагал, что живое может возникать из почвы).
  
• Концепция стационарного состояния. Как и вся Вселенная, жизнь существовала и будет существовать всегда (бесконечно в обе стороны по оси времени относительно нынешнего состояния).
  
• Панспермия. Жизнь занесена на нашу планету из Космоса.
  
• Биохимическая эволюция. Жизнь зародилась и развивалась в соответствии с физическими и химическими законами из простейших химических соединений.
  

Концепции креационизма лежат вне сферы научных подходов и существуют в рамках религиозного мировоззрения до сих пор. Практически все мировые религии связывают возникновение живого с единым актом божественного творения.

Тесно связана с креационизмом и другая популярная позиция. Она находит отражение в учении о витализме (от латинского слова vitalis – жизнь, жизненный), который объясняет качественные различия живого и неживого присутствием в живых организмах особой «жизненной силы», неподвластной физическим законам, и, следовательно, не являющийся предметом естествознания. Т. е. нематериальное начало признается как причина отличия живых объектов от неживых.

Вообще любая вера не считает необходимым иметь доказательства своих базовых догматов (в научном смысле понятия термина «доказательство»). Так что в логической плоскости нет противоречия между богословским и естественно - научным объяснением происхождения жизни.

Спонтанное, самопроизвольное появление жизни выдвигалось в качестве альтернативы креационизму уже со времен древневосточных цивилизаций. Наиболее известный сторонник этой концепции Аристотель считал также, что жизнь непрерывно эволюционирует, т. е. не сохраняется в том виде, в котором мы ее видим в данный момент времени. Отсутствие средств наблюдения, позволяющих наблюдать за микроорганизмами, и авторитет Аристотеля многие века поддерживали эту умозрительную концепцию.

Биологи 17 – 18 веков показали, что крупные организмы (черви, мухи, мыши) не возникают в результате «разложения» земли, частей умерших растений или животных, как считали до того. Это подтверждало новую мысль: живое может возникнуть только из предшествующей жизни. Однако только в 1860 году французский биолог и химик Луи Пастер показал, что мельчайшие организмы – бактерии могут заразить и неживые материалы. При благоприятных условиях они начинают размножаться, что может быть воспринято как спонтанное появление жизни в неживом объекте. Пастеризация (по фамилии Пастера) – специальная обработка теплом, холодом или другими средствами исключает такую возможность, что полностью опровергает теорию спонтанного зарождения.

Согласно теории стационарного состояния жизнь никогда не возникала, а существовала вечно. Тем самым вопрос о зарождении жизни снимается в принципе. Он сводится к более глобальной проблеме: генезису и условиям существования Вселенной в целом. Немногочисленные сторонники этой концепции существуют до сих пор. И строго логическим путем эту точку зрения опровергнуть невозможно.

Теория панспермии – занесение жизни на Землю из других областей Вселенной в сущности никаких механизмов не предлагает. Она лишь перемещает место зарождения живого подальше от Земли. Некоторым экспериментальным основанием этой концепции можно считать появившиеся в последнее время данные о наличие «предшественников живого» в метеоритах, падающих на Землю (некоторых органических соединений, входящих в состав живого мира и даже окаменевших остатков простейших организмов). Но развитие полноценной, многообразной жизни из этих «спор» или «семян» требует все равно представлений об усложнении и эволюции химической основы живого, а затем появления живых организмов в условиях Земли.

Наиболее разработанной в науке является концепция и последующие теории биохимической эволюции. Обычно такую эволюцию представляют себе состоящей из трех этапов:

• наработка органического вещества из неорганического (т. е. чисто химическая эволюция);
  
• формирование в первичных водоемах Земли углеводородов, биополимеров из накопившихся органических соединений;
  
• зарождение и эволюция живых организмов.
  

Наиболее последовательно и обоснованно логически и экспериментально концепция биохимической эволюции была описана в книге российского биохимика А. И. Опарина «Происхождение жизни» (1924 г.), хотя подобной точки зрения придерживался и Ч. Дарвин и некоторые другие исследователи до Опарина. Пик исследований по проблемам биохимической эволюции пришелся на 50 – 60-е гг. 20-го века. Дарвин посвятил большую часть своего научного творчества механизмам биологической эволюции, и об этом речь пойдет чуть позже.

Ввиду важности теории Опарина коротко изложим ее основные положения. Из независимых данных следует, что Земля образовалась около 5 млрд. лет тому назад (а Вселенная – около 15 млрд. лет назад). По мере остывания Земли (первоначальная температура составляла по оценкам 3000-5000⁰С) образовывалась земная кора и газовая атмосфера, содержавшая в больших количествах водород, аммиак, метан и др. газы. О том, что атмосфера была именно такой, свидетельствует анализ самых древних пород на Земле. Первичная восстановительная атмосфера благоприятствовала синтезу органических веществ. Эксперимент показывает, что окислительная атмосфера (содержащая в больших количествах, например, кислород) затрудняет образование органических молекул. Более того, при высокой концентрации кислорода (более 30-40%) резко возрастает вероятность самовоспламенения и сгорания уже имеющегося биологического материала.

В результате вулканической деятельности, ультрафиолетового облучения со стороны Солнца, слабой радиоактивности земной коры, грозовых разрядов и др. факторов из простых углеродо- и азотосодержащих соединений начали образовываться низкомолекулярные органические соединения. Как известно, основу живой материи составляет всего 6 химических элементов: углерод, водород, кислород, фосфор, азот и сера. Их суммарная доля в живых организмах составляет около 95%. Поэтому эти элементы иногда называют органогенами (т. е. родящими жизнь). Есть еще 12 элементов, которые принимают участие в построении многих важнейших компонентов биологических систем: калий, натрий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель. Их массовая доля составляет 1-2 %. Остальные элементы таблицы Менделеева или вовсе не участвуют в жизнедеятельности живых организмов, или имеют значение для очень специфических биосистем. Таким образом, при построении живого происходил отбор элементов. Интересно понять, что являлось определяющим в этом отборе. До конца этот вопрос не ясен. Очевидно, отобранные для построения живого элементы должны удовлетворять довольно противоречивым требованиям: с одной стороны, для устойчивости образующихся молекул они должны быть способны образовывать прочные связи (например, ковалентные), с другой стороны – они должны быть легко переключаемыми (лабильными). С этих позиций понятно, почему углерод отобран природой как основа жизни, как компонент номер один. Он как никакой другой элемент способен вести себя очень разнообразно. Вспомните только несколько веществ, состоящих из атомов углерода: самое твердое и не проводящее электрический ток вещество – алмаз и мягкий проводящий графит, эластичный изолятор полиэтилен и недавно открытые фуллерены С₆₀, С₇₀ и др., обладающие свойствами сверхпроводимости. С другой стороны, не очень ясно, почему в роли основы жизни не выступает кремний, ближайший химический родственник углерода, имеющий сходные свойства.

На более высоком иерархическом уровне структуры – уровне молекул - природа тоже тщательно отобрала из нескольких миллионов известных химии соединений всего лишь порядка тысячи. Так, например, из ста известных аминокислот в состав белков входит только 20 и т. д. Одним из критериев отбора здесь могли служить способность к селективности и каталитической активности. Поясним эту мысль. Поскольку все жизненно важные биохимические реакции протекают при температурах невысоких (близких к комнатной), а прочность химических связей и высота преодолеваемых в реакции энергетических барьеров велики (и это тоже мудро устроено, т.к. оберегает биологические структуры от случайного разрушения под влиянием тепловых флуктуаций или внешних воздействий), то единственно возможным способом запуска и управления биохимическими реакторами в каждой клетке организма может быть катализ. Напомним, что катализ – это такой способ возбуждения и изменения скорости реакций, который осуществляется путем добавления к основным реагентам небольшого количества катализаторов – веществ, состав и количество которых в процессе реакции не меняется.

Биологически активные катализаторы называют ферментами или энзимами. Они действуют очень селективно, т. е. выборочно ускоряют некоторые реакции во много раз (часто в миллионы раз!). Вероятно, способность к таким реакциям и была одним из основных критериев отбора органических веществ для построения живых организмов. Далее Опарин предполагал, что первичные органические вещества в результате циклических реакций, обладающих способностью к самоподдержанию, образовывали скопления молекул – коацерваты, плававшие в «первичном бульоне» гидросферы Земли.

Таким образом, был сделан второй шаг к возникновению жизни по Опарину – образовались прообразы клеток – пространственно обособившиеся целостные системы. Существенной их особенностью было образование устойчивого химического реактора в пределах коацервата, с одной стороны, а с другой – способность вступить в обмен веществом и энергией с внешней средой. Т. е. это была открытая химическая структура с элементами метаболизма, но еще не способная к размножению и передаче наследственных признаков следующему поколению.

Концепцию, очень близкую к этой, независимо от Опарина сформулировал английский биолог Дж. Холдейн в те же 20-ые годы прошлого столетия. Дальнейшее развитие эта теория получила в работах английского физика и философа Дж. Бернала.

В середине 20-го века были получены экспериментальные доказательства возможности синтеза важнейших органических соединений (аминокислоты, аденин, сахара) в установке, где через смесь газов, имитирующую древнюю атмосферу (водород, аммиак, метан, водяные пары) пропускались электрические разряды, моделировавшие молнии (С. Миллер, 1953). Затем Орджел в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длинной в несколько мономерных единиц (простейшие прототипы нуклеиновых кислот).

Другим подтверждением обоснованности коацервативной теории зарождения жизни можно считать находки следов древнейших организмов, которые были обнаружены в кремнистых пластах в Западной Австралии. Их возраст 3,2 – 3,5 млрд. лет. По форме они представляли собой округлые или нитчатые структуры, которые похожи на простейшие бактерии или водоросли.

Однако, наряду с успехами и поддержкой большим числом ученых, теория Опарина имеет и крупные недостатки, и серьезных критиков. Если к добиологической химической стадии эволюции больших претензий нет, то переход от органических коллоидных растворов (пусть и наработавших очень сложные и нужные для жизни молекулы) к живым организмам эта теория не объясняет. В ней нет также и механизмов наследственной передачи признаков от одного поколения к другому. В настоящее время известно, что на молекулярном уровне носителями наследственной информации в любом живом организме являются гигантские макромолекулы - дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). Представить себе как они случайно появились в «первичном бульоне» совершенно невозможно. Это равноценно тому, чтобы вообразить, как смерч подхватывает обломки и пыль рухнувших небоскребов Всемирного торгового центра в Нью-Йорке и случайным образом собирает из них новые небоскребы. С точки зрения классической науки и второго начала термодинамики это совершенно невероятно. Однако современное естествознание допускает элементы самоорганизации в открытых неравновесных системах, которыми являлись коацерваты, и, возможно, это снимает, до некоторой степени, проблему зарождения наследственных механизмов.

Заметим, что эволюционные идеи возникли задолго до появления теории Опарина. Зачатки наивного трансформизма в живой природе содержатся уже в учениях философов Др. Греции. Но первая попытка построения целостной картины развития живого, опиравшаяся на известные к тому времени факты, а не домыслы, была сделана французским биологом Ж. Ламарком в книге «Философия зоологии» (1809 г). В трактовке жизненных явлений он был деистом. Деизм (от латинского слова deus – бог) – религиозно – философское учение, согласно которому роль Бога сводится к осуществлению первого толчка как первопричины существующего мира. Деизм отрицает существование Бога как личности (что классифицируют как теизм) и возможности его вмешательства в течение жизни (чудеса, откровения и т. п.). «Верховный творец», согласно Ламарку, - источник «первого толчка», ожививший косную, инертную материю. Но в дальнейшем, после того как «мировая машина» была запущена, живое развивалось на основе объективных причинно-следственных зависимостей, в которых нет места ни чудесам, ни случайностям. В сущности – это механистический детерминизм в духе Ньютона – Лапласа, но - в биологии (кстати, сам термин «биология», как комплекс наук о природе, тоже ввел Ламарк).

В основе эволюционной теории Ламарка лежали два принципа: стремление живого к усложнению и совершенствованию и приспособляемость за счет изменчивости к изменениям во внешней среде. Согласно этой теории в природе существует непрерывная иерархическая «лестница существ». Различия между видами считались условными и временными, связанными с неполнотой знаний и отсутствием информации о существующих промежуточных организмах. То есть, по Ламарку, межвидовые разрывы – это только кажущаяся картина в действительности непрерывных и текучих видовых форм.

Принципы эволюции Ламарк распространял и на человека и считал, что он произошел от обезьяны. Не раскрыв действительных причин эволюционного развития, Ламарк первым провозгласил принцип эволюции всеобщим законом живой природы. Ввиду недостаточной убедительности аргументов относительно причин изменчивости видов теория Ламарка не получила признания современников, и он умер (как и жил большую часть жизни) в бедности.

Представление о постепенных, длительных изменениях в живом мире (эволюционизм) поддерживались и развивались многими учеными. Но лишь с появлением знаменитого труда англичанина Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859 г.) эволюционное учение приобрело надежную основу. Уже из самого заглавия книги видно, что в качестве ведущей причины эволюции выдвигается естественный отбор. Дарвинизм покоится на трех китах, трех основных принципах:

• видовая устойчивость обеспечивается передачей признаков из поколения в поколение в результате действия наследственности;
  
• многообразие живой природы возникает по причине изменчивости, проявляющейся в следующих поколениях;
  
• любой вид животных и растений стремится к размножению в геометрической прогрессии, а пищевые, территориальные и др. ресурсы ограничены. В результате борьбы за существование слабейшие в поколении погибают, а носители полезных признаков выживают и передают их следующему поколению, т. е. происходит естественный отбор.
  

Значение «Происхождения видов…» для биологии вполне сопоставимо со значением «Начал…» И. Ньютона для физики. Недаром современники называли Ч. Дарвина «Ньютоном биологии». И в мировоззренческом плане эти книги, безусловно, одни из самых выдающихся вершин в панораме научных достижений человечества.

Трактовка дарвиновской теории встречает целый ряд трудностей. Палеонтология, да и современные данные, не обнаруживают промежуточных межвидовых форм (что, казалось бы, должно было наблюдаться при плавной эволюции). Простой подсчет показывает, что методом слепого перебора вариантов за время существования жизни на Земле (~1млрд. лет) невозможно пройти путь не то что от амебы до человека, но даже и до лягушки. Слишком мало это время для совершения нужного числа попыток. В процессе селекции и искусственного отбора пока еще не возникло ни одного нового вида живых существ. С позиций современного научного знания у дарвинизма тоже есть много недостатков. Наиболее крупный – нераскрытость законов и механизмов наследственности - был преодолен коллективными усилиями международного сообщества ученых только к середине 20 века. Но о молекулярных механизмах наследственности речь пойдет в следующих модулях, в связи с обсуждением достижений постклассической науки.

5.6. Вместо заключения. Классическое естествознание – это главным образом наука о макромире, в котором мы живем. В этом качестве оно не утратило своего значения и по сей день. Но вместе с тем, к концу его триумфального развития (начало 20 века) выяснилось, что существуют и другие миры, для которых эти законы или неприменимы или требуют существенного пересмотра (микро- и мега-). Внутри классического естествознания созрела почва для революционных перемен – близилась третья глобальная научная революция.