Исторические эволюции картин мира. Биология и формирование современной эволюционной картины мира
100 р бонус за первый заказ
Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line
Узнать цену
В начале ХХ века произошел кризис эволюционного учения, что было обусловлено столкновением новых данных, методов и обобщений генетики не только с доктринами ламаркизма, но и с основными принципами дарвинизма.
Выход из кризиса был связан с преодолением генетического антидарвинизма (20-30-е гг.). Тогда произошло создание ряда новых направлений генетики и экологии, подготовивших научные основы синтеза этих отраслей биологии с дарвинизмом, основанном на учении о популяциях и естественном отборе. В этот период новыми направлениями стали: экспериментальная систематика (микросистематика), генетическая экология и геногеография, исследование «малых мутаций», экспериментальные и математические методы исследования борьбы за существование и естественного отбора, генетика популяций,эволюционная цитогенетика, учение об отдаленной гибридизации и полиплоидии.
Тем самым движение научной мысли привело к созданию синтетической теории эволюции (30-40-е гг.).
Важнейшие страницы развития биологии и формирования философских проблем связаны с возникновением такой науки как генетика, которая представляет собой науку о закономерностях наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими. Фундаментальными понятиями генетики являются:
Наследственность - это всеобщее свойство живых организмов передавать свои свойства и признаки из поколения в поколение.
Изменчивость - свойство живого организма приобретать в процессе индивидуального развития новое по сравнению с другими особями того же вида признаки.
Элементарной единицей наследственности является ген. Ген - материальный носитель генетической (наследственной) информации, способный к воспроизведению и расположенный в определенном участке хромосом.
Отметим основные вехи и фундаментальные открытия в развитии генетики.
1. Г. Мендель (1822-1884) открыл законы наследственности. Результаты исследований Г. Менделя, опубликованные в 1865 г., не обратили на себя внимание научного сообщества и были вновь открыты после 1900 года.
2. А. Вейсман (1834 - 1914) показал, что половые клетки обособлены от остального организма и поэтому не подвержены влияниям, действующим на соматические ткани.
3. Гуго де Фриз (1848-1935) открыл существование наследуемых мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Он предположил, что новые виды возникали вследствие мутаций.
4. Т. Морган (1866-1945) создал хромосомную теорию наследственности, в соответствии с которой каждому биологическому виду присуще свое строго определенное число хромосом.
5. Н. И. Вавилов (1887 -1943) в 1920 году на Ш Всероссийском съезде по селекции и семеноводству в Саратове выступил с докладом об открытом им законе гомологических рядов в наследственной изменчивости.
6. В 1926 году С. С. Четвериков опубликовал статью «О некоторых моментах эволюционного процесса с тонки зрения современной генетики». В этой работе он показал, что между данными генетики и эволюционной теорией нет никакого противоречия. Напротив, данные генетики должны быть положены в основу учения об изменчивости и стать ключом к пониманию процесса эволюции. Четверикову удалось связать эволюционное учение Дарвина и законы наследственности, установленные генетикой.
7. Г. Меллер установил в 1927 году, что генотип может изменяться под действием рентгеновских лучей. Отсюда берут свое начало индуцированные мутации и генетическая инженерия.
8. Н. И. Вавилов в 1927 году выступил на V Международном генетическом конгрессе в Берлине с докладом «О мировых географических центрах генов культурных растений»
9. Н. К. Кольцов (1872 - 1940) в 1928 году разработал гипотезу молекулярного строения и матричной репродукции хромосом («наследственные молекулы»), предвосхитившую главнейшие принципиальные положения современной молекулярной биологии и генетики.
10. В 1929 году С. С. Четвериков выступил на заседании Московского общества испытателей природы (МОИП) с новым, очень е важным в теоретическом отношении докладом на тему «Происхождение и сущность мутационной изменчивости»
11. Дж. Бидл и Э. Татум в 1941 году выявили генетическую основу процессов биосинтеза.
12. 1962 год. Д. Уотсон и Ф. Крик предложили модель молекулярной структуры ДНК и механизма ее репликации.
Рассмотрим теперь основные положения синтетической теории эволюции.
Прежде всего, обратим внимание на понятие микроэволюции, которая представляет собой совокупность эволюционных процессов, протекающих в популяциях вида и приводящих к изменениям генофондов этих популяций и образованию новых видов. Микроэволюция проходит на основе мутационной изменчивости под контролем естественного отбора.
Отметим, что мутации являются единственным источником появления качественно новых признаков, а отбор - единственным творческим фактором микроэволюции. Он направляет элементарные эволюционные изменения по пути формирования адаптаций организмов к изменяющимся условиям внешней среды. На характер процессов микроэволюции могут оказывать влияние колебания численности популяций (волны жизни), обмен генетической информацией между ними, их изоляция и дрейф генов.
Микроэволюция ведет либо к изменению всего генофонда биологического вида как целого (филогенетическая эволюция), либо (при изоляции каких-либо популяций) к их обособлению от родительского вида в качестве новых форм (видообразование).
Следующим важным понятием является макроэволюция, понимаемая как эволюционные преобразования, ведущие к формированию таксонов более высокого ранга, чем вид (родов, семейств, отрядов, классов и т.д.).
Макроэволюция не имеет специфических механизмов и осуществляется только посредством процессов микроэволюции, являясь их интегрированным выражением. Накапливаясь, микроэволюционные процессы получают внешнее выражение в макроэволюционных явлениях. Макроэволюция представляет собой обобщенную картину эволюционных изменений, наблюдаемую в широкой исторической перспективе. Отсюда ясно, что только на уровне макроэволюции обнаруживаются общие тенденции, направления и закономерности эволюции живой природы, которые не поддаются наблюдению на уровне микроэволюции.
Основные положения синтетической теории эволюции:
1) главный фактор эволюции - естественный отбор, интегрирующий и регулирующий действие всех остальных факторов (онтогенетической изменчивости, мутагенеза, гибридизации, миграции, изоляции, пульсации численности и др.);
2) эволюция протекает дивергентно, постепенно, посредством отбора случайных мутаций. Новые формы образуются через наследственные изменения (сальтации). Их жизненность определяется отбором;
3) эволюционные изменения случайны и не направленны. Исходный материал для эволюции - мутации. Исходная организация популяции и изменения внешних условий ограничивают и канализируют наследственные изменения в направлении неограниченного прогресса;
4) макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществляется только посредством процессов микроэволюции и каких-либо специфических механизмов возникновения новых форм жизни не имеет.
Эволюционная этика как исследование популяционно-генетических механизмов формирования альтруизма в живой природе
Эволюционная этика - тип этической теории, согласно которой мораль является моментом развития биологической эволюции, коренится в природе человека, а морально положительным является такое поведение, которое способствует "наибольшей продолжительности, широте и полноте жизни" (Г.Спенсер).
Эволюционный подход в этике сформулировал Спенсер (см. "Основания этики"), однако ее основные принципы были предложены Ч. Дарвином.
Основные идеи Дарвина относительно условий развития и существования морали, развитые эволюционной этикой, заключаются в следующем:
а) общество существует благодаря социальным инстинктам, которые человек удовлетворяет в обществе себе подобных; отсюда вытекают и симпатия, и услуги, которые оказываются ближним;
б) социальный инстинкт преобразуется в нравственность благодаря высокому развитию душевных способностей;
в) у человека сильнейшим фактором поведения стала речь, благодаря которой оказалось возможным формулировать требования общественного мнения (требования общины);
г) социальный инстинкт и симпатия укрепляются привычкой.
Уже прочно утвердилось мнение, что человек (каждый человек, индивид) появляется на свет отнюдь не в виде tabula rasa. Человек рождается, снабженный не только большим набором инстинктивных реакций, но и с большим набором диспозиций (предрасположенностей) вести себя определенным (строго ограниченным числом) способом.
Альтруизм — нравственный принцип, предписывающий бескорыстные действия, направленные на благо и удовлетворение интересов другого человека (людей). Как правило, используется для обозначения способности приносить свою выгоду в жертву ради общего блага. Согласно Конту принцип альтруизма гласит: «Живи для других». Альтруистическое поведение животных слагается из разнообразных специфических особенностей поведения. В общем и целом его можно определить как поведение, приносящее пользу другим особям.
Рассмотрим три случая.
- Альтруистическое поведение родительских особей по отношению к своим потомкам. К этому типу альтруистического поведения можно отнести общее явление заботы о потомстве. Забота о потомстве - явно результат индивидуального отбора, поскольку индивидуальный отбор благоприятствует сохранению генов тех родительских особей, которые оставляют наибольшее число выживающих потомков.
- Связанное с самопожертвованием оборонительное поведение рабочих особей у общественных пчел. Когда рабочая пчела использует жало, это равносильно для нее самоубийству, но полезно для колонии, так как предотвращает вторжение врага. Самопожертвование рабочих пчел, наряду с другими характеристиками касты рабочих, можно адекватно объяснить как результат социально-группового отбора, поскольку оно выгодно колонии пчел в целом.
- Группы примитивных людей, находящихся на стадии собирательства и охоты, примером которых могут служить бушмены юго-западной Африки. Эти сообщества представляют собой организованные группы, в которые входят члены семьи, другие родственники, свойственники, а иногда случайные гости из других групп. В них глубоко укоренен обычай разделения пищи. Если убито крупное животное, его мясо раздается всем членам группы независимо от того, родственники это или случайные посетители. В таких группах развиваются также другие типы кооперативного поведения.
Допустим теперь в порядке обсуждения, что распределение корма и другие аналогичные типы социального поведения имеют какую-то генетическую основу; это позволит нам попытаться изучить типы отбора, которые, возможно, участвуют в развитии такого поведения. Индивидуальный отбор, благоприятствующий развитию заботы о потомстве, вероятно, очень интенсивен. Трудно представить себе, однако, чтобы члены сообщества делились пищей только со своими потомками, обделяя других его членов и близких родичей, поскольку поведенческий фенотип и "социальное давление" со стороны других членов группы обычно обладают пластичностью. Поведение, связанное с распределением пищи, должно естественным образом выходить за пределы своих первоначальных целей, т. е. снабжения пищей потомков, и распространяться на всю семью и родственную группу. Следует также ожидать, что социально-групповой отбор должен способствовать развитию такого поведения. Группа в целом зависит от объединения её членов в действиях, связанных с добыванием пищи, которые в сущности обеспечивают выживание, и она должна выигрывать от распределения пищи на широкой основе. Тенденция делиться пищей, усиливаемая социально-групповым отбором, должна распространяться на всех членов группы, как кровных родичей, так и "свойственников" в равной мере. Такое поведение, вероятно, пересекается с типами поведения, создаваемыми в результате индивидуального отбора среди родичей промежуточного ранта. Короче говоря, распределение пищи можно было бы адекватно объяснить как результат совместного действия индивидуального и социально-группового отбора, направленного на создание пластичных культурных традиций.
Эволюционная картина мира
Развитие с внешней стороны представляется в виде смены эволюционных форм. Если картина мира XIX века начиналась гипотезой происхождения планет и Солнца, то современные представления восходят к теории Большого Взрыва. Во второй половине ХХ века сложились устойчивые представления об эволюционном ряде саморазвивающихся материальных систем: галактик, звезд, планет, биосферы и общества. Они являются формами движения материи (ФДМ). Указанные ФДМ уже в силу того, что эволюционируют, развиваются, существовали не всегда и возникли не одновременно - они образовались последовательно и взаимосвязано. Было время, когда существовала биосфера без общества, планета Земля без биосферы и т.д. Такое соотношение эволюционных форм, которое легко проследить и в истории общества и биосферы, подтверждает ленинскую формулировку развития: “раздвоение единого...”. Из ранее единой формы возникает новая форма, а та тем самым становится старой формой; дальнейшее развитие определяется “взаимоотношением” новой и старой форм (рис.1).
Один только факт возникновения новой ФДМ из недр старой вскрывает противоречивую сущность старой формы и противоречивость дальнейшего их сосуществования. Новая ФДМ могла возникнуть только при условии появления качественно нового типа взаимодействия, которое вышло из старого типа и вступило с ним в противоречие. Таким образом, понятие “ФДМ” также противоречиво - с одной стороны, это материальная система, а с другой - это способ или тип взаимодействия, с помощью которого новая материальная система обосабливается от старой.
Хотя новая ФДМ не могла не появиться, она должна доказать свою жизненность в условиях взаимодействия со старой ФДМ. Это взаимодействие приводит к совершенствованию новой ФДМ. Следовательно, познание способа развития возможно только при совместном рассмотрении возникновения новой формы и взаимодействия ее со старой, а также взаимоотношения нового и старого типов взаимодействия в рамках новой формы.
Принцип совместного рассмотрения может быть показан на примере возникновения социальной ФДМ и взаимодействия ее с биологической ФДМ. Сущностью биологической ФДМ является смена биологических видов в условиях взаимодействия ее с геологической средой. Смена видов приводит к накоплению наследственности. Возникновение качественно нового типа взаимодействия - коллективного труда - прервало смену биологических видов, сделав один биологический вид царем природы. В дальнейшем, по мере формирования труда, общество выделилось из биосферы. На первом этапе трудовая деятельность, выступающая как новое, играла непосредственную доминирующую роль по отношению к сохранению биологического вида человека и всему комплексу биологических отношений, выступающих в качестве старого. При этом биологические задатки человека видоизменялись, очеловечивались в соответствии с трудовыми отношениями, приобретали социальную форму. Когда общество достигло такого уровня, при котором задача сохранения биологического вида человека была решена, трудовые отношения были оттеснены на второй план биологическими, хотя и социализированными, отношениями. Это второй этап. Трудовые отношения контролировали общественную жизнь косвенно, посредством обмена товаров. Одновременно общество на втором этапе успело преобразовать биологическую ФДМ в своим интересах, создав искусственную биосферу, чем обеспечило в принципе возможность нормального развития биологических задатков всех индивидов. Поэтому стал возможен переход к третьему этапу, который характеризуется возвратом к явному примату трудовых отношений над биологическими. Такова схема развития общества, которая служит лишь иллюстрацией возникновения абстракций теории развития - новое, старое, примат - из истории, а также взаимоотношения этих понятий в ходе развития.
1. Понятие естественнонаучной картины мира
2. Эволюция естественнонаучной картины мира
3. Научный метод и его эволюция
Список литературы
1. ПОНЯТИЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА
естественнонаучная картина мира эволюция
Естественнонаучная картина мира это – множество теорий в совокупности описывающих известный человеку природный мир, целостная система представлений об общих принципах и законах устройства мироздания. Поскольку картина мира это системное образование, ее изменение нельзя свести ни к какому единичному, пусть и самому крупному и радикальному открытию. Как правило, речь идет о целой серии взаимосвязанных открытий, в главных фундаментальных науках. Эти открытия почти всегда сопровождаются радикальной перестройкой метода исследования, а так же значительными изменениями в самих нормах и идеалах научности.
Научная картина мира - это особая форма теоретического знания, репрезентирующая предмет исследования науки соответственно определенному этапу ее исторического развития, посредством которой интегрируются и систематизируются конкретные знания, полученные в различных областях научного поиска. Термин "картина мира" используется в различных смыслах. Он применяется для обозначения мировоззренческих структур, лежащих в фундаменте культуры определенной исторической эпохи. В этом же значении используются термины "образ мира", "модель мира", "видение мира", характеризующие целостность мировоззрения. Термин "картина мира" используется также для обозначения научных онтологии, т.е. тех представлений о мире, которые являются особым типом научного теоретического знания. В этом смысле понятие «научная картина мира» используется для обозначения горизонта систематизации знаний, полученных в различных научных дисциплинах. Научная картина мира при этом выступает как целостный образ мира, включающий представления о природе и обществе. Во-вторых, термин «научная картина мира» применяется для обозначения системы представлений о природе, складывающихся в результате синтеза естественнонаучных знаний (аналогичным образом этим понятием обозначается совокупность знаний, полученных в гуманитарных и общественных науках). В-третьих, посредством этого понятия формируется видение предмета конкретной науки, которое складывается на соответствующем этапе ее истории и меняется при переходе от одного этапа к другому. Соответственно указанным значениям, понятие научная картина мира расщепляется на ряд взаимосвязанных понятий, каждое из которых обозначает особый тип научной картины мира как особый уровень систематизации научных знаний: "общенаучную", "естественнонаучную" и "социально-научную"; "специальную (частную, локальную) научную" картины мира. Основными компонентами научной картины мира являются представления о фундаментальных объектах, о типологии объектов, об их взаимосвязи и взаимодействии, о пространстве и времени.
В реальном процессе развития теоретического знания научная картина мира выполняет ряд функций, среди которых главными являются эвристические (функционирование ее как исследовательской программы научного поиска), систематизирующие и мировоззренческие. Эти функции имеют системную организацию и характерны как для специальных, так и для общенаучной картины мира. Научная картина мира представляет собой развивающееся образование. В исторической динамике ее можно выделить три больших этапа: Н.К.М. додисциплинарной науки, Н.К.М. дисциплинарно-организованной науки и современную Н.К.М., соответствующую этапу усиления междисциплинарных взаимодействий. Первый этап функционирования связан со становлением в культуре Нового времени механической картины мира как единой, выступающей и как общенаучная, и как естественнонаучная, и как специальная Н.К.М. Ее единство задавалось через систему принципов механики, которые транслировались в соседние отрасли знания и выступали в них в качестве объясняющих положений. Формирование специальных Н.К.М. (второй этап в динамике) связан со становлением дисциплинарной организации науки. Возникновение естественнонаучного, технического, а затем гуманитарного знания способствовало оформлению предметных областей конкретных наук и приводило к их дифференциации. Каждая наука в этот период не стремилась к построению обобщенной картины мира, а вырабатывала внутри себя систему представлений о собственном предмете исследования (специальную Н.К.М.). Новый этап в развитии научной картины мира (третий) связан с формированием постнеклассической науки, характеризующейся усилением процессов дисциплинарного синтеза знаний. Этот синтез осуществляется на основе принципов глобального эволюционизма. Особенностью современной научной картины мира является не стремление к унификации всех областей знания и их редукции к онтологическим принципам какой-либо одной науки, а единство в многообразии дисциплинарных онтологии. Каждая из них предстает частью более сложного целого и каждая конкретизирует внутри себя принципы глобального эволюционизма. Развитие современной научной картины мира выступает одним из аспектов поиска новых мировоззренческих смыслов и ответов на исторический вызов, стоящий перед современной цивилизацией. Общекультурный смысл Н.К.М. определяется ее включенностью в решение проблемы выбора жизненных стратегий человечества, поиска новых путей цивилизационного развития. Изменения, происходящие в современной науке и фиксируемые в Н.К.М., коррелируют с поисками новых мировоззренческих идей, которые вырабатываются в различных сферах культуры (философии, религии, искусстве и т.д.). Современная Н.К.М. воплощает идеалы открытой рациональности, и ее мировоззренческие следствия сопряжены с философско-мировоззренческими идеями и ценностями, возникающими на почве различных и во многом альтернативных культурных традиций.
2. ЭВОЛЮЦИЯ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА
В истории развития науки можно выделить три четко и однозначно фиксируемых радикальных смен научной картины мира, научных революций, обычно их принято персонифицировать по именам трех ученых сыгравших наибольшую роль в происходивших изменениях.
1. Аристотелевская (VI-IV века до нашей эры) в результате этой научной революции возникла сама наука, произошло отделение науки от других форм познания и освоения мира, созданы определенные нормы и образцы научного знания. Наиболее полно эта революция отражена в трудах Аристотеля. Он создал формальную логику, т.е. учение о доказательстве, главный инструмент выведения и систематизации знания, разработал категориально понятийный аппарат. Он у твердил своеобразный канон организации научного исследования (история вопроса, постановка проблемы, аргументы за и против, обоснование решения), дифференцировал само знание, отделив науки о природе от математики и метафизики
2. Ньютоновская научная революция (XVI-XVIII века), Ее исходным пунктом считается переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической, этот переход был обусловлен серией открытий, связанных с именами Н. Коперника, Г. Галилея, И. Кеплера, Р. Декарта, И. Ньютон, подвел итог их исследованиям и сформулировал базовые принципы новой научной картины мира в общем виде. Основные изменения:
1. Классическое естествознание заговорило языком математики, сумело выделить строго объективные количественные характеристики земных тел (форма величина, масса, движение) и выразить их в строгих математических закономерностях.
2. Наука Нового времени нашла мощную опору в методах экспериментального исследования, явлений в строго контролируемых условиях.
3. Естествознания этого времени отказалось от концепции гармоничного, завершенного, целесообразно организованного космоса, по их представления Вселенная бесконечна и объединена только действием идентичных законов.
4. Доминантой классического естествознания, становится механика, все соображения, основанные на понятиях ценности, совершенства, целеполагания, были исключены из сферы научного поиска.
5. В познавательной деятельности подразумевалась четкая оппозиция субъекта и объекта исследования. Итогом всех этих изменений явилась механистическая научная картина мира на базе экспериментально математического естествознания.
3. Эйнштейновская революция (рубеж XIX-XX веков). Ее обусловила сери открытий (открытие сложной структуры атома, явление радиоактивности, дискретного характера электромагнитного излучения и т.д.). В итоге была подорвана, важнейшая предпосылка механистической картины мира – убежденность в том, что с помощью простых сил действующих между неизменными объектами можно объяснить все явления природы.
Фундаментальные основы новой картины мира:
1. общая и специальная теория относительности (новая теория пространства и времени привела к тому, что все системы отсчета стали равноправными, поэтому все наши представления имеют смысл только в определенной системе отсчета. Картина мира приобрела релятивный, относительный характер, видоизменились ключевые представления о пространстве, времени, причинности, непрерывности, отвергнуто однозначное противопоставление субъекта и объекта, восприятие оказалось зависимым от системы отсчета, в которую входят и субъект и объект, способа наблюдения и т.д.)
2. квантовая механика (она выявила вероятностный характер законов микромира и неустранимый корпускулярно-волновой дуализм в самых основах материи). Стало ясно, что абсолютно полную и достоверную научную картину мира не удастся создать никогда, любая из них обладает лишь относительной истинностью.
Позднее в рамках новой картины мира произошли революции в частных науках в космологии (концепция не стационарной Вселенной), в биологии (развитие генетики), и т.д. Таким образом, на протяжении XX века естествознание очень сильно изменило свой облик, во всех своих разделах.
Три глобальных революции предопределили три длительных периода развития науки, они являются ключевыми этапами в развитии естествознания. Это не означает, что лежащие между ними периоды эволюционного развития науки были периодами застоя. В это время тоже совершались важнейшие открытия, создаются новые теории и методы, именно в ходе эволюционного развития накапливается материал, делающий неизбежной революцию. Кроме того, между двумя периодами развития науки разделенными научной революцией, как правило, нет неустранимых противоречий, согласно сформулированному Н. Бором, принципу соответствия, новая научная теория не отвергает полностью предшествующую, а включает ее в себя в качестве частного случая, то есть устанавливает для нее ограниченную область применения. Уже сейчас, когда с момента возникновения новой парадигмы не прошло и ста лет многие ученые высказывают предположения о близости новых глобальных революционных изменений в научной картине мира.
3. НАУЧНЫЙ МЕТОД И ЕГО ЭВОЛЮЦИЯ
Главной и специфической особенностью науки, выделяющей ее среди всех других явлений человеческой деятельности, является научный метод. Под этим термином понимают совокупность правил разной степени общности, которые помогают ученому среди многих и часто противоречивых фактов двигаться по определенному пути. В то же время многие считают, что научный метод не избавляет ученого от элементов, присущих искусству – фантазии, неожиданности и интуиции. Практика подтверждает, жесткие правила здесь и там бывают иногда не столько полезны, сколько вредны.
Таким образом, научный метод - совокупность основных способов получения новых знаний и методов решения задач в рамках любой науки.
Метод включает в себя способы исследования феноменов, систематизацию, корректировку новых и полученных ранее знаний. Умозаключения и выводы делаются с помощью правил и принципов рассуждения на основе эмпирических (наблюдаемых и измеряемых) данных об объекте. Базой получения данных являются наблюдения и эксперименты. Для объяснения наблюдаемых фактов выдвигаются гипотезы и строятся теории, на основании которых формулируются выводы и предположения. Полученные прогнозы проверяются экспериментом или сбором новых фактов.
Важной стороной научного метода, его неотъемлемой частью для любой науки, является требование объективности, исключающее субъективное толкование результатов. Не должны приниматься на веру какие-либо утверждения, даже если они исходят от авторитетных учёных. Для обеспечения независимой проверки проводится документирование наблюдений, обеспечивается доступность для других учёных всех исходных данных, методик и результатов исследований. Это позволяет не только получить дополнительное подтверждение путём воспроизведения экспериментов, но и критически оценить степень адекватности (валидности) экспериментов и результатов по отношению к проверяемой теории.
Научный метод подразумевает, что научные утверждения содержат принципиальную возможность опровержения. Это означает, что они во всем объеме могут быть доступны для проверки и воспроизведения другими учеными. По этой причине описание научного исследования должно быть полным и однозначным. Необычайно тщательно это требование соблюдается в фундаментальных науках – химии, физике и биологии. Ограниченность существования биологических объектов во времени и пространстве, высокая адаптивность, т.е. способность к изменчивости под влиянием внешних условий, превращает даже простое описание эксперимента в логически стройную последовательность, начиная от названия исследования и кончая заключением и выводами. Опровержимость и воспроизводимость – важнейшие признаки научного знания. Знания, которые невозможно ни опровергнуть, ни воспроизвести, относятся к вненаучным и паранаучным.
Таковым является религиозное знание. Оно изначально построено на основе непознаваемости, и в нем не остается места и для мысленного эксперимента по проверке идеи высшего существа – Бога.
Среди областей лженаучного знания, внешне похожих на науку, выделяется астрология. Направленность астрологии на построение предсказаний по взаиморасположению небесных тел гармонирует с идеей единства живой и неживой природы, природы и человека, земли и космоса. Обыденное сознание привлекает идею единства в качестве ключевого аргумента, придающего системам астрологического знания положение научности. Однако внешняя научность астрологии и единство всего мира не могут скрыть того обстоятельства, что целью астрологии никогда не являлось объяснение действительности, построение и совершенствование рационального представления о мире, таким, каков он есть сам по себе. Суть в том, что форма научного знания представляется в виде, пригодном для последующего использования, для дальнейшего приращения знания, но астрология в качестве системы знаний не пригодна для таких целей. Ее основным объектом предсказания является сам человек. По этой причине астрологическое знание относится к области социо-психологических феноменов. Психологическая, личностная убежденность, конечно же, совершенно не равнозначна логичности объективного, рационально обоснованного знания. Критерий опровержимости астрологического знания, если бы оно было научно, должен реализовываться через несовпадение модели предсказания с действительными событиями. Проверка же должна происходить независимо от того человека, в отношении которого был высказан астрологический прогноз. Нетрудно видеть, что индивидуальность психики, ее непостоянство при оценке того, что считать действительно имеющим место, лишают смысла применение этого критерия. Неопределенность астрологического прогноза и расплывчатость индивидуальных оценок существа реальных событий так широки, что обязательно соприкоснутся.
Отдельные части научного метода применялись ещё философами древней Греции. Ими были разработаны правила логики и принципы ведения спора, вершиной которых стала софистика. Сократу приписывают высказывание о том, что в споре рождается истина. Однако целью софистов была не столько научная истина, сколько победа в судебных процессах, где формализм превышал любой другой подход. При этом выводам, полученным в результате рассуждений, отдавалось предпочтение по сравнению с наблюдаемой практикой. Знаменитым примером является утверждение, что быстроногий Ахиллес никогда не догонит черепаху.
В XX веке была сформулирована гипотетически-дедуктивная модель научного метода, состоящая в последовательном применении следующих шагов:
1. Используйте опыт: Рассмотрите проблему и попытайтесь осмыслить её. Найдите известные ранее объяснения. Если это новая для вас проблема, переходите к шагу 2.
2. Сформулируйте предположение: Если ничего из известного не подходит, попробуйте сформулировать объяснение, изложите его кому-то другому или в своих записях.
3. Сделайте выводы из предположения: Если предположение (шаг 2) истинно, какие из него следствия, выводы, прогнозы можно сделать по правилам логики?
4. Проверка: Найдите факты, противоречащие каждому из этих выводов, с тем чтобы опровергнуть гипотезу (шаг 2) . Использование выводов (шаг 3) в качестве доказательств гипотезы (шаг 2) является логической ошибкой. Эта ошибка называется «подтверждение следствием».
Около тысячи лет назад Ибн аль-Хайсам продемонстрировал важность 1-го и 4-го шагов. Галилей в трактате «Беседы и математические обоснования двух новых наук, касающихся механики и законов падения» (1638) также показал важность 4-го шага (называемого также эксперимент). Шаги метода можно выполнять по порядку - 1, 2, 3, 4. Если по итогам шага 4 выводы из шага 3 выдержали проверку, можно продолжить и перейти снова к 3-му, затем 4-му, 1-му и так далее шагам. Но если итоги проверки из шага 4 показали ложность прогнозов из шага 3, следует вернуться к шагу 2 и попытаться сформулировать новую гипотезу («новый шаг 2»), на шаге 3 обосновать на основе гипотезы новые предположения («новый шаг 3»), проверить их на шаге 4 и так далее.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Елфимов Т.М. Возникновение нового. М., 2003. – 157 с.
2. Немировская Л.З. Культурология. История и теория культуры. М., 2001. – 264 с.
3. Степин В.С., Горохов В.Г., Розов М.А. Философия науки и техники. М., 2005. - 326 с.
4. Электронная библиотека [Электронный ресурс] – режим доступа: http://slovari.yandex.ru/
5. Язев С.А. Что такое научный метод? [Электронный ресурс] / С.А. Язев // Химия и жизнь. – 2008. -№ 5. – Режим доступа: http://elementy.ru
В начале ХХ века произошел кризис эволюционного учения, что было обусловлено столкновением новых данных, методов и обобщений генетики не только с доктринами ламаркизма, но и с основными принципами дарвинизма.
Выход из кризиса был связан с преодолением генетического антидарвинизма (20-30-е гг.). Тогда произошло создание ряда новых направлений генетики и экологии, подготовивших научные основы синтеза этих отраслей биологии с дарвинизмом, основанном на учении о популяциях и естественном отборе. В этот период новыми направлениями стали: экспериментальная систематика (микросистематика), генетическая экология и геногеография, исследование «малых мутаций», экспериментальные и математические методы исследования борьбы за существование и естественного отбора, генетика популяций,эволюционная цитогенетика, учение об отдаленной гибридизации и полиплоидии.
Тем самым движение научной мысли привело к созданию синтетической теории эволюции (30-40-е гг.).
Важнейшие страницы развития биологии и формирования философских проблем связаны с возникновением такой науки как генетика, которая представляет собой науку о закономерностях наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими. Фундаментальными понятиями генетики являются:
Наследственность – это всеобщее свойство живых организмов передавать свои свойства и признаки из поколения в поколение.
Изменчивость – свойство живого организма приобретать в процессе индивидуального развития новое по сравнению с другими особями того же вида признаки.
Элементарной единицей наследственности является ген. Ген – материальный носитель генетической (наследственной) информации, способный к воспроизведению и расположенный в определенном участке хромосом.
Отметим основные вехи и фундаментальные открытия в развитии генетики.
1. Г. Мендель (1822-1884) открыл законы наследственности. Результаты исследований Г. Менделя, опубликованные в 1865 г. , не обратили на себя внимание научного сообщества и были вновь открыты после 1900 года.
2. А. Вейсман (1834 – 1914) показал, что половые клетки обособлены от остального организма и поэтому не подвержены влияниям, действующим на соматические ткани.
3. Гуго де Фриз (1848-1935) открыл существование наследуемых мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Он предположил, что новые виды возникали вследствие мутаций.
4. Т. Морган (1866-1945) создал хромосомную теорию наследственности, в соответствии с которой каждому биологическому виду присуще свое строго определенное число хромосом.
5. Н. И. Вавилов (1887 -1943) в 1920 году на Ш Всероссийском съезде по селекции и семеноводству в Саратове выступил с докладом об открытом им законе гомологических рядов в наследственной изменчивости.
6. В 1926 году С. С. Четвериков опубликовал статью «О некоторых моментах эволюционного процесса с тонки зрения современной генетики». В этой работе он показал, что между данными генетики и эволюционной теорией нет никакого противоречия. Напротив, данные генетики должны быть положены в основу учения об изменчивости и стать ключом к пониманию процесса эволюции. Четверикову удалось связать эволюционное учение Дарвина и законы наследственности, установленные генетикой.
7. Г. Меллер установил в 1927 году, что генотип может изменяться под действием рентгеновских лучей. Отсюда берут свое начало индуцированные мутации и генетическая инженерия.
8. Н. И. Вавилов в 1927 году выступил на V Международном генетическом конгрессе в Берлине с докладом «О мировых географических центрах генов культурных растений»
9. Н. К. Кольцов (1872 – 1940) в 1928 году разработал гипотезу молекулярного строения и матричной репродукции хромосом («наследственные молекулы»), предвосхитившую главнейшие принципиальные положения современной молекулярной биологии и генетики.
10. В 1929 году С. С. Четвериков выступил на заседании Московского общества испытателей природы (МОИП) с новым, очень е важным в теоретическом отношении докладом на тему «Происхождение и сущность мутационной изменчивости»
11. Дж. Бидл и Э. Татум в 1941 году выявили генетическую основу процессов биосинтеза.
12. 1962 год. Д. Уотсон и Ф. Крик предложили модель молекулярной структуры ДНК и механизма ее репликации.
Рассмотрим теперь основные положения синтетической теории эволюции.
Прежде всего, обратим внимание на понятие микроэволюции, которая представляет собой совокупность эволюционных процессов, протекающих в популяциях вида и приводящих к изменениям генофондов этих популяций и образованию новых видов. Микроэволюция проходит на основе мутационной изменчивости под контролем естественного отбора.
Отметим, что мутации являются единственным источником появления качественно новых признаков, а отбор – единственным творческим фактором микроэволюции. Он направляет элементарные эволюционные изменения по пути формирования адаптаций организмов к изменяющимся условиям внешней среды. На характер процессов микроэволюции могут оказывать влияние колебания численности популяций (волны жизни), обмен генетической информацией между ними, их изоляция и дрейф генов.
Микроэволюция ведет либо к изменению всего генофонда биологического вида как целого (филогенетическая эволюция), либо (при изоляции каких-либо популяций) к их обособлению от родительского вида в качестве новых форм (видообразование).
Следующим важным понятием является макроэволюция, понимаемая как эволюционные преобразования, ведущие к формированию таксонов более высокого ранга, чем вид (родов, семейств, отрядов, классов и т. д.).
Макроэволюция не имеет специфических механизмов и осуществляется только посредством процессов микроэволюции, являясь их интегрированным выражением. Накапливаясь, микроэволюционные процессы получают внешнее выражение в макроэволюционных явлениях. Макроэволюция представляет собой обобщенную картину эволюционных изменений, наблюдаемую в широкой исторической перспективе. Отсюда ясно, что только на уровне макроэволюции обнаруживаются общие тенденции, направления и закономерности эволюции живой природы, которые не поддаются наблюдению на уровне микроэволюции.
Основные положения синтетической теории эволюции:
1) главный фактор эволюции – естественный отбор, интегрирующий и регулирующий действие всех остальных факторов (онтогенетической изменчивости, мутагенеза, гибридизации, миграции, изоляции, пульсации численности и др.);
2) эволюция протекает дивергентно, постепенно, посредством отбора случайных мутаций. Новые формы образуются через наследственные изменения (сальтации). Их жизненность определяется отбором;
3) эволюционные изменения случайны и не направленны. Исходный материал для эволюции – мутации. Исходная организация популяции и изменения внешних условий ограничивают и канализируют наследственные изменения в направлении неограниченного прогресса;
4) макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществляется только посредством процессов микроэволюции и каких-либо специфических механизмов возникновения новых форм жизни не имеет.
Эволюционная этика как исследование популяционно-генетических механизмов формирования альтруизма в живой природе
Эволюционная этика - тип этической теории, согласно которой мораль является моментом развития биологической эволюции, коренится в природе человека, а морально положительным является такое поведение, которое способствует "наибольшей продолжительности, широте и полноте жизни" (Г. Спенсер).
Эволюционный подход в этике сформулировал Спенсер (см. "Основания этики"), однако ее основные принципы были предложены Ч. Дарвином.
Основные идеи Дарвина относительно условий развития и существования морали, развитые эволюционной этикой, заключаются в следующем:
а) общество существует благодаря социальным инстинктам, которые человек удовлетворяет в обществе себе подобных; отсюда вытекают и симпатия, и услуги, которые оказываются ближним;
б) социальный инстинкт преобразуется в нравственность благодаря высокому развитию душевных способностей;
в) у человека сильнейшим фактором поведения стала речь, благодаря которой оказалось возможным формулировать требования общественного мнения (требования общины);
г) социальный инстинкт и симпатия укрепляются привычкой.
Уже прочно утвердилось мнение, что человек (каждый человек, индивид) появляется на свет отнюдь не в виде tabula rasa. Человек рождается, снабженный не только большим набором инстинктивных реакций, но и с большим набором диспозиций (предрасположенностей) вести себя определенным (строго ограниченным числом) способом.
Альтруизм - нравственный принцип, предписывающий бескорыстные действия, направленные на благо и удовлетворение интересов другого человека (людей). Как правило, используется для обозначения способности приносить свою выгоду в жертву ради общего блага. Согласно Конту принцип альтруизма гласит: «Живи для других». Альтруистическое поведение животных слагается из разнообразных специфических особенностей поведения. В общем и целом его можно определить как поведение, приносящее пользу другим особям.
Рассмотрим три случая.
· Альтруистическое поведение родительских особей по отношению к своим потомкам. К этому типу альтруистического поведения можно отнести общее явление заботы о потомстве. Забота о потомстве - явно результат индивидуального отбора, поскольку индивидуальный отбор благоприятствует сохранению генов тех родительских особей, которые оставляют наибольшее число выживающих потомков.
· Связанное с самопожертвованием оборонительное поведение рабочих особей у общественных пчел. Когда рабочая пчела использует жало, это равносильно для нее самоубийству, но полезно для колонии, так как предотвращает вторжение врага. Самопожертвование рабочих пчел, наряду с другими характеристиками касты рабочих, можно адекватно объяснить как результат социально-группового отбора, поскольку оно выгодно колонии пчел в целом.
· Группы примитивных людей, находящихся на стадии собирательства и охоты, примером которых могут служить бушмены юго-западной Африки. Эти сообщества представляют собой организованные группы, в которые входят члены семьи, другие родственники, свойственники, а иногда случайные гости из других групп. В них глубоко укоренен обычай разделения пищи. Если убито крупное животное, его мясо раздается всем членам группы независимо от того, родственники это или случайные посетители. В таких группах развиваются также другие типы кооперативного поведения.
Допустим теперь в порядке обсуждения, что распределение корма и другие аналогичные типы социального поведения имеют какую-то генетическую основу; это позволит нам попытаться изучить типы отбора, которые, возможно, участвуют в развитии такого поведения. Индивидуальный отбор, благоприятствующий развитию заботы о потомстве, вероятно, очень интенсивен. Трудно представить себе, однако, чтобы члены сообщества делились пищей только со своими потомками, обделяя других его членов и близких родичей, поскольку поведенческий фенотип и "социальное давление" со стороны других членов группы обычно обладают пластичностью. Поведение, связанное с распределением пищи, должно естественным образом выходить за пределы своих первоначальных целей, т. е. снабжения пищей потомков, и распространяться на всю семью и родственную группу. Следует также ожидать, что социально-групповой отбор должен способствовать развитию такого поведения. Группа в целом зависит от объединения её членов в действиях, связанных с добыванием пищи, которые в сущности обеспечивают выживание, и она должна выигрывать от распределения пищи на широкой основе. Тенденция делиться пищей, усиливаемая социально-групповым отбором, должна распространяться на всех членов группы, как кровных родичей, так и "свойственников" в равной мере. Такое поведение, вероятно, пересекается с типами поведения, создаваемыми в результате индивидуального отбора среди родичей промежуточного ранта. Короче говоря, распределение пищи можно было бы адекватно объяснить как результат совместного действия индивидуального и социально-группового отбора, направленного на создание пластичных культурных традиций.
Образ и мысль
Иван Рабузин. Рождение мира
· Рассмотрите репродукцию картины. Как вы думаете, о чем это произведение может поведать зрителю?
· Попробуйте рассказать о том, как представляет происхождение мира художник? А как представляете его вы? Сравните обе версии рождения Вселенной. В чем вы согласитесь с И. Рабузиным, а что отличает ваши взгляды?
· Вернитесь к иллюстрации, с которой начиналась первая глава, и еще раз рассмотрите ее. Сравните две репродукции. Какие предположения возникли у вас по поводу того, почему авторы учебника поместили эти иллюстрации в начале и конце учебника? Обоснуйте свое мнение и сравните его с мнениями одноклассников.
Наблюдая за природой в течение нашей жизни, может показаться, что она остается неизменной, если не считать периодически повторяющихся сезонных изменений. Однако научные исследования показывают, что в природе существует однонаправленное движение, связанное с постоянным усложнением мира. Такое движение называется эволюцией.
Согласно современным естественно-научным представлениям наша Вселенная существовала не вечно, а «родилась» около 14 млрд лет тому назад. С тех пор и до наших дней происходила постоянная эволюция, связанная с образованием все более сложных структур. И время, когда человек – результат такой эволюции, – стал настолько разумным, что начал осознавать законы природы, на самом деле лишь крохотный миг в жизни Вселенной.
В XX в. стало ясно, что человек разумный значительно ускорил развитие нашей планеты. В настоящее время эволюция Земли неразрывно связана с эволюцией цивилизации. Такое взаимосвязанное течение эволюции нашей планеты и общества было названо коэволюцией.
§ 66. Между порядком и хаосом
Урок-лекция
Две опасности не перестанут угрожать миру:
порядок и беспорядок.
П. Валери
Какие процессы в макромире являются необратимыми? Что характерно для подобных процессов? Что называют самоорганизацией? Как проявляется самоорганизация в природе?
Самоорганизация. Синергетика.
Вихрь" href="/text/category/vihrmz/" rel="bookmark">вихри в атмосфере нашей планеты – циклоны и антициклоны (рис. 123).
Рис. 123. Фотография циклона, снятая с космического аппарата
В целом Солнце освещает Землю достаточно равномерно. Периодичность внешнего воздействия связана лишь с вращением Земли вокруг Солнца и Земли вокруг своей оси. С этим связано изменение температуры в течение суток и в течение года. Однако образование циклонов и антициклонов не связано напрямую с такой периодичностью. Существование этих вихрей во многом похоже на жизнь организмов – они рождаются, живут, передвигаясь по планете и принося нам хорошую или плохую погоду, и умирают. Заметим, что, несмотря на то, что эти процессы достаточно хорошо изучены, ученые не могут предсказать время возникновения того или иного вихря, и, соответственно, сделать долгосрочный прогноз погоды. Более того, законы синергетики говорят, что, по-видимому, такие предсказания невозможны в принципе, так как процессы образования подобных вихрей носят случайный характер и не могут быть точно предсказаны. Оказывается, законы, которым подчиняются процессы во Вселенной, едины, и подобные вихри наблюдаются и на других планетах, например, большое красное пятно на Юпитере, которое является настолько устойчивым образованием, что наблюдается уже сотни лет (рис. 124).
Рис. 124. Фотография большого красного пятна на Юпитере
Вихревые движения возникают и в потоках жидкости, движущейся с достаточно большой скоростью, соответствующее движение жидкости называется турбулентным.
Автоколебания возникают и при некоторых химических процессах. Классическим примером химической реакции этого типа является реакция Белоусова – Жаботинского – взаимодействие серной кислоты, малоновой кислоты, сульфата церия (Се) и бромида калия. В процессе этой реакции ионы Се4+, находящиеся в растворе периодически превращаются в ионы Се3+ и затем обратно. Внешне это проявляется в периодическом изменении цвета раствора. В зависимости от концентрации растворенных веществ период колебаний варьируется от 2 до 100 с.
Естественно, автоколебания присущи не только неживой природе. В живой природе они происходят как на уровне организма – биение сердца, периодическое непроизвольное сокращение мышц и т. д., так и на более высоком уровне, например на уровне биогеоценоза. Примером являются синхронные колебания популяций зайцев и рысей, наблюдавшиеся, в частности, на протяжении 100 лет в Канаде (см. рис. 5 из § 37).
До сих пор шла речь о макроструктурах, т. е. о структурах в макромире. Однако структуры наблюдаются и в мегамире. Поскольку время образования таких структур значительно превышает время существования человеческой цивилизации, мы не можем наблюдать их самообразование. Наблюдаются лишь процессы разрушения, например, взрыв сверхновой звезды, и образование на ее месте Крабовидной туманности. Тем не менее, современные гипотезы, подтвержденные расчетами в рамках соответствующих математических моделей, говорят о том, что структуры мегамира (звезды, галактики) также образовались из однородного на начальной стадии вещества Вселенной, и процесс образования таких структур продолжается и в настоящее время. О единстве законов самоорганизации можно судить по внешнему сходству циклонов и спиральных галактик (см. фотоснимки галактик из § 30).
В природе постоянно и повсеместно происходят как процессы образования новых структур (самоорганизация), так и процессы разрушения структур. Несмотря на то, что внешние проявления процессов самоорганизации существенно различаются, все они обладают схожими качественными особенностями, что позволяет описывать их одинаковыми математическими уравнениями.
○ 1. В чем сходство процессов самоорганизации в живой и неживой природе?
○ 2. Почему облака не равномерно распределены в атмосфере?
● 3. Исследования в синергетике показывают применимость законов самоорганизации для общества. Можете ли вы привести примеры самоорганизации в общественных процессах?
§ 67. Самоорганизация. Причины и условия
Урок-лекция
Жизнь создает порядок.
Порядок же бессилен создать жизнь.
А. де Сент-Экзюпери
Какими характерными свойствами обладают системы, способные к самоорганизации? Каков механизм самоорганизации?
Открытые системы. Нелинейность. Разрастание флуктуаций.
Колебательный контур. Электромагнитные колебания. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция. (Физика, 7 – 9 кл.).
Мауриц Эшер. Предел – круг III
Земля и атом и пучина
огня и звезд – во всем согласность
подвластная первопричина
волшебная шарообоазность.
Г. Сонников
Из примеров, уже рассмотренных нами, видно, что не только «жизнь создает порядок», законы самоорганизации оказываются общими как для живой, так и для неживой природы. Однако каким же образом из бесструктурной субстанции самообразуются временные и пространственные упорядоченные структуры? Чтобы это понять, необходимо выяснить, что общего во всех системах, способных к самоорганизации.
Свойства систем, способных к самоорганизации. 1. Прежде всего, следует ответить на вопрос, не противоречит ли возникновение порядка из хаоса закону возрастания энтропии, в соответствии с которым энтро-пия – мера беспорядка – непрерывно возрастает. Обратите внимание на то, что этот закон сформулирован для замкнутых систем, т. е. для систем, не взаимодействующих каким-либо образом с окружением. Все приведенные ранее примеры относятся к открытым системам , т. е. к системам, обменивающимся с окружением энергией и веществом.
Понятно, что можно выделить замкнутую систему, в которой происходит самоорганизация. Например, представим себе изолированный от излучения звезд космический корабль, в котором произрастают растения. Очевидно, что в любой такой замкнутой системе можно выделить подсистему, в которой именно и происходит самоорганизация, и энтропия которой убывает, в то время как энтропия замкнутой системы в целом возрастает в полном соответствии со вторым началом термодинамики.
Таким образом, можно сформулировать общее правило: процессы самоорганизации происходят в открытых системах. Если самоорганизация происходит в замкнутой системе, то всегда можно выделить открытую подсистему, в которой происходит самоорганизация, в то же время в замкнутой системе в целом беспорядок возрастает.
2. Второй отличительной особенностью систем, способных к самоорганизации является неравновесное, неустойчивое состояние, в котором они находятся. Иногда упрощенно говорят, что к самоорганизации способны системы, находящиеся вдали от равновесия. Нарушение статистического равновесия вызывается внешним воздействием.
В примере с ячейками Бенара внешнее воздействие – нагревание сосуда приводит к различию температур в отдельных макроскопических областях жидкости. В электрических генераторах внешнее воздействие – напряжение, создаваемое источником, приводит к отличному от равновесного распределению электронов. То же происходит в оптических квантовых генераторах (лазерах) под воздействием внешней оптической накачки или электрического разряда, происходящего от внешнего источника.
Состояние системы далекой от равновесия является неустойчивым в отличие от состояния вблизи равновесия, и именно в силу этой неустойчивости и возникают процессы, приводящие к возникновению структур.
Самоорганизация происходит в системах, состояние которых в данный момент существенно отличается от состояния статистического равновесия .
3. Еще одна особенность способных к самоорганизации систем – большое число частиц, составляющих систему. В ряде случаев это очевидно, например макроскопические пространственные структуры содержат большое число атомов и молекул. Однако если обратиться к примеру с автоколебаниями популяций, то можно утверждать, что при малом числе особей в популяции такие автоколебания невозможны. Дело в том, что только в системах с большим числом частиц возможно возникновение флуктуаций – макроскопических неоднородностей. Именно флуктуации способствуют переходу системы из неустойчивого состояния в более упорядоченное устойчивое состояние. Примеры такого рода переходов рассматривались в предыдущем параграфе.
Самоорганизация возможна лишь в системах с большим числом частиц, составляющих систему .
4. Процессы самоорганизации описываются достаточно сложными математическими уравнениями. Особенностью таких уравнений и, соответственно систем, которые они описывают, является нелинейность . Это свойство, в частности, приводит к тому, что малые изменения в системе в какой-то момент времени могут оказать существенное влияние на дальнейшее развитие системы во времени. Именно в силу этого свойства процессы самоорганизации во многом определяются случайными факторами и не могут быть однозначно предсказаны.
Заметим, что нам привычнее и приятнее иметь дело с системами, описываемыми линейными уравнениями, и поэтому предсказуемыми в своем развитии. Например, если нам необходимо попасть мячом в какую-то точку, то при промахе мы немного изменяем скорость при следующем бросании. И наш опыт, и расчеты подтверждают, что при малом изменении начальных условий мы в этом случае получим результат, незначительно отличающийся от первоначального. В том, что это не всегда так, вы могли убедиться на опытах, описываемых в предыдущем параграфе.
Современные теории утверждают, что, строго говоря, все системы, с которыми мы имеем дело, описываются нелинейными уравнениями. Однако во многих случаях, как например, при движении брошенного мяча, систему можно приближенно описать линейными уравнениями. В случае системы, способной к самоорганизации линейное приближение оказывается неприменимым.
Эволюция систем, способных к самоорганизации, описывается нелинейными уравнениями .
Как происходит самоорганизация. Каким же образом происходят процессы самоорганизации? Строгое описание, как уже говорилось, требует применения достаточно сложного математического аппарата. Однако на качественном уровне эти процессы можно, достаточно просто объяснить. Чтобы понять причины, приводящие к самоорганизации, рассмотрим процесс возникновения электрических автоколебаний.
Простейший эксперимент можно осуществить, имея усилитель (например, магнитофон) и поднося микрофон, подключенный к входу усилителя, к громкоговорителю, подключенному к выходу усилителя. При малом усилении или большом расстоянии между микрофоном и громкоговорителем мы услышим лишь бесструктурные шумы. Эти шумы обусловлены тем, что электрический ток, проходящий через громкоговоритель, не является строго постоянным, а хаотически изменяется в малых пределах, что, в свою очередь, вызвано флуктуациями плотности электронов. Если увеличивать усиление или подносить микрофон ближе к громкоговорителю, начиная с некоторого момента, спонтанно может возникнуть гудение или свист, обусловленный автогенерацией электрического сигнала, т. е. спонтанным возникновением электромагнитных колебаний.
Что же происходит в данной системе? Замыкая выход усилителя на вход, мы создаем положительную обратную связь. Это, в свою очередь приводит к тому, что система становится нелинейной и переходит в неустойчивое состояние. Именно теперь начинают играть роль флуктуации. При малом усилении (слабой обратной связи) отклонения от линейного приближения малы и флуктуации не приводят к существенному изменению тока. При увеличении усиления (усилении обратной связи), начиная с некоторого порога изменения тока, обусловленные флуктуациями, начинают разрастаться, система выходит из первоначального состояния, и возникает генерация. Система переходит в новое устойчивое состояние, подобно тому, как палочка в опыте из предыдущего раздела переходит из неустойчивого вертикального состояния в устойчивое наклонное состояние.
Данный пример иллюстрирует процесс самоорганизации с образованием временных структур. Однако, аналогично объясняется и образование пространственных структур. Рассмотрим простейший пример с образованием ячеек Бенара.
При нагревании жидкости возникает перепад температур между нижними и верхними слоями жидкости. Нагреваемая жидкость расширяется, ее плотность уменьшается, и нагретые молекулы устремляются вверх. Возникают хаотические потоки – флуктуации движения жидкости. Пока разность температур нижнего и верхнего уровней жидкости невелика, жидкость находится в устойчивом состоянии, и эти флуктуации не приводят к макроскопическому изменению структуры жидкости. Процесс передачи тепла от нижних слоев к верхним происходит в основном посредством теплопроводности. При достижении определенного порога (определенной разности температур между верхними и нижними слоями) бесструктурное состояние жидкости становится неустойчивым, флуктуации разрастаются, и в жидкости образуются цилиндрические ячейки. В центральной области цилиндра жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней – опускается (рис. 125). В поверхностном слое жидкость растекается от центра к краям, в придонном – от границ цилиндров к центру. В результате в жидкости образуются упорядоченные конвекционные потоки.
Рис. 125. Конвекционные потоки в ячейках Бенара. Пунктиром обозначены ячейки, сплошной линией – конвекционные потоки
Объяснение механизма самоорганизации, конечно же, не может предсказать какие-либо количественные характеристики образующихся структур, например частоту генерации или форму и размеры ячеек Бенара. Математическое описание подобных процессов является непростой задачей. Однако качественные особенности механизмов самоорганизации можно сформулировать достаточно просто.
Возникновение структур в системе происходит, когда нелинейные эффекты, определяющие эволюцию и обусловленные внешним воздействием на систему, становятся достаточными для разрастания флуктуаций, присущих таким системам. В результате разрастания флуктуаций система переходит из неустойчивого бесструктурного состояния в устойчивое структурированное состояние.
Образование структур всегда связано со случайными процессами, поэтому при самоорганизации, как правило, происходит спонтанное понижение симметрии, а также имеют место бифуркации .
Рассмотрим биологический процесс – морфогенез. Морфогенез – это возникновение тканей и органов, создание всей сложной структуры организма в процессе его эмбрионального развития. Так же, как и в эволюции физических систем, в развитии зародыша возникают последовательные нарушения симметрии. Исходная яйцеклетка в первом приближении имеет форму шара. Эта симметрия сохраняется на стадии бластулы, когда клетки, возникающие в результате деления, еще не специализированы. Далее сферическая симметрия нарушается и сохраняется лишь аксиальная (цилиндрическая) симметрия. На стадии гаструлы нарушается и эта симметрия – образуется сагитальная плоскость, отделяющая брюшную сторону от спинной. Клетки дифференцируются , и появляется три типа тканей: эндодерма, эктодерма и мезодерма. Затем процесс роста и дифференцирования продолжается.
Нарушения симметрии в ходе развития зародыша возникают спонтанно в результате неустойчивости симметричного состояния. При этом появление новой формы и дифференцирование сопровождают друг друга. Экспериментальные наблюдения показали, что развитие организма происходит как бы скачками. Этапы быстрых превращений, зарождения новой фазы сменяются плавными стадиями. Возникновению новой фазы предшествует разметка – появление своего рода предвестника новой формы. Перед разметкой распределение ряда веществ вдоль тела зародыша становится нерегулярным. Этот этап завершается образованием упорядоченной формы, распределение веществ становится плавным и одинаковым для всей выборки особей.
Таким образом, в ходе морфогенеза реализуется определенная последовательность бифуркаций, развитие происходит через фазы неустойчивостей. Именно в это время изменение управляющих (определяющих эволюцию) параметров, т. е. химических свойств окружающей среды, может эффективно воздействовать на формирование зародыша, искажая его нормальное развитие. Здесь существенную опасность представляют вещества, активно влияющие на биохимические процессы при морфогенезе. Известным примером таких веществ является талиомид, который некоторое время применялся как снотворное и привел к многочисленным случаям уродства детей.
· 1. В § 66 приведены примеры возникновения различных структур в процессах самоорганизации. Попробуйте объяснить, какие флуктуации приводят при своем разрастании к образованию тех или иных структур.
· 2. Основной естественно-научной гипотезой, объясняющей возникновение жизни на Земле, является возникновение жизни в результате самоорганизации. Земля находится далеко от Солнца и других планет. Почему ее нельзя считать замкнутой системой?
· 3. В описанном в данном параграфе примере автогенерации частота возникающего звукового колебания может быть произвольной. Реальные генераторы конструируют так, что они производят колебания нужной частоты. Предложите конструктивные элементы, при помощи которых можно добиться нужной частоты.
§ 68. Самовоспроизведение живых организмов
Урок-лекция
Nullum vivum ex ovo!
Omne vivum e vivo.
(Нет живого не из яйца!
Все живое от живого.)
Л. Окен
Каковы способы самовоспроизведения живых организмов? В чем заключаются преимущества полового размножения перед бесполым? Какие формы бесполого и полового размножения существуют в природе? Как формируются гаметы? Как чередуются поколения в жизненных циклах?
Бесполое размножение. Половое размножение. Мейоз. Гаметы. Зигота. Споры. Жизненный цикл.
Водоросль" href="/text/category/vodoroslmz/" rel="bookmark">водорослей , грибов и беспозвоночных достаточно часто встречается почкование, при котором новая особь появляется на теле материнской в результате интенсивного размножения ее соматических клеток на определенном участке тела – зоне почкования (рис. 128). Разнообразные формы вегетативного размножения характерны и для высших растений: при помощи клубней, ползучих побегов, корневищ, луковиц и т. п.
Рис. 128. Размножение гидры: а – почкующаяся гидра; б – половозрелая гидра с семенниками; в – половозрелая гидра с яйцами
Всем видам растительных организмов, грибам и многим простейшим присуще так же и спорообразование . При этом образуются одноклеточные особи (споры), которые покидают материнский организм, рассеиваются в пространстве и дают затем начало новому организму.
У водных организмов споры, как правило, обладают жгутиками и подвижны. Это так называемые зооспоры , которые характерны для многих протистов (все водоросли, фораминиферы и др.). Споры наземных организмов (грибы и растения) заключены в толстую оболочку и рассеиваются пассивно. У высших растений в процессе формирования спор приходит мейоз и поэтому споры всегда гаплоидны.
Половое размножение. Известны две формы полового размножения – конъюгация и копуляция . Конъюгация известна у бактерий. При этом две бактерии соединяются тонким мостиком, по которому часть генетического материала (копия участка ДНК нуклеоида бактерии) передается от одной бактериальной клетки (донора) к другой (акцептору). Среди эукариот конъюгация встречается только у инфузорий. Две особи обмениваются гаплоидными ядрами, которые сливаются с имеющимися у них так же гаплоидными ядрами. Получается одно ядро с диплоидным набором хромосом.
Легко заметить, что при конъюгации размножения, как такового, нет. Поэтому в этом случае лучше говорить о половом процессе, поскольку имеет место обмен генетическим материалом между партнерами, но увеличения числа особей нет. При этом у бактерий обмен односторонний (от клетки-донора к клетке-акцептору) и неполный (переносится только участок нуклеоида). Это начальный этап формирования полового процесса в ходе эволюции.
