Строение и поведение организма. Наука в эпоху Возрождения

СОДЕРЖАНИЕ

1. Статическая физика и вопросы, которые она изучает

2. Наука в Средние века

3. Организмы

4. Теория катастроф

1. Статическая физика и вопросы, которые она изучает

Статистическая физика, раздел физики, задача которого — выразить свойства макроскопических тел, т. е. систем, состоящих из очень большого числа одинаковых частиц (молекул, атомов, электронов и т.д.), через свойства этих частиц и взаимодействие между ними.

Изучением макроскопических тел занимаются и др. разделы физики — термодинамика, механика сплошных сред, электродинамика сплошных сред. Однако при решении конкретных задач методами этих дисциплин в соответствующие уравнения всегда входят неизвестные параметры или функции, характеризующие данное тело. Так, для решения задач гидродинамики необходимо знать уравнение состояния жидкости или газа, т. е. зависимость плотности от температуры и давления, теплоёмкость жидкости, её коэффициент вязкости и т.п. Все эти зависимости и параметры можно, разумеется, определять экспериментально, поэтому методы, о которых идёт речь, называются феноменологическими. Статистическая же физика позволяет, по крайней мере в принципе, а во многих случаях и фактически, вычислить все эти величины, если известны силы взаимодействия между молекулами. Т. о., Статистическая физика использует сведения о «микроскопическом» строении тел — о том, из каких частиц они состоят, как эти частицы взаимодействуют, поэтому её называют микроскопической теорией.

Задачей теории должно являться вычисление не точных значений различных физических величин для макроскопических тел, а средних значений этих величин по времени. Рассмотрим, например, молекулы, находящиеся в некотором выделенном в газе достаточно большом — макроскопическом — объёме. Число таких молекул с течением времени будет меняться из-за их движения, и его можно было бы найти точно, если были бы известны все координаты молекул во все моменты времени. В этом, однако, нет необходимости. Изменение числа молекул в объёме будет носить характер беспорядочных колебаний — флуктуаций — относительно некоторого среднего значения. При большом числе частиц в объёме эти колебания будут малы по сравнению со средним числом частиц, так что для характеристики макроскопического состояния достаточно знать именно это среднее значение.

Квантово-механическая концепция, описывающая, казалось бы, загадочный и далекий от обычных представлений микромир, все активнее вторгается в практические сферы человеческой деятельности. Появляется все больше приборов, основанных на квантово-механических принципах — от квантовых генераторов (лазеров, мазеров и др.) до многообразных микроэлектронных устройств. Видимо, пришел черед и вычислительной техники — предполагается, что компьютеры, построенные на квантовых вычислительных элементах, совершат переворот в разработке современных мощных вычислительных средств. Вполне возможно, что через какое-то время квантовый компьютер станет инструментом столь же привычным, как сегодня обычный компьютер.

  2. Наука в Средние века

Условия для развития науки в период средневековья были крайне неблагоприятны. Философы-схоласты считали, что наука должна доказывать истину церковного учения. Влияние прогрессивных начал арабской науки, труды античных мыслителей встречали сопротивление со стороны ведущих представителей христианской церкви.

XIV столетие характеризуется особенно ревностным стремлением инквизиции к искоренению всяких проблесков прогрессивных течений в науке. Поэтому не удивительно, что это столетие особенно бедно по своим результатам на всякого рода открытия.

Эпоха Возрождения. Период между XIV столетием и первой половиной XVII столетия является для Западной Европы переходным этапом от феодализма к капиталистическому способу производства. Ряд крупнейших открытий, из которых в первую очередь следует назвать открытие Колумбом Америки, изобретение книгопечатания, обоснование Коперником гелиоцентрической системы мира, способствовал общему прогрессу. Происходит постепенный общий подъем экономики, техники, культуры, искусства, усиливается борьба прогрессивных мировоззрений с церковной схоластикой. В области науки постепенно побеждает экспериментальный метод изучения природы.

  3. Организмы

Строение и поведение организма в значительной мере определяется его генотипом, основу которого составляет набор хромосом. Каждая хромосома представляет собой свернутую молекулу ДНК, в структуре которой в зашифрованном виде хранится информация о структурах белков. Молекула белка представляет собой цепь из последовательно расположенных аминокислот, а молекула ДНК сложена из последовательно расположенных нуклеотидов. Три нуклеотида (триплет) соответствуют определенной аминокислоте в составе белка. Последовательность таких триплетов на определенном фрагменте молекулы ДНК (данный фрагмент называется геном) кодирует последовательность соответствующих аминокислот в молекуле белка. Код этот в настоящее время расшифрован. Триплет позволяет реализовать 43 = 64 различных сочетаний нуклеотидов (всего используется 4 различных нуклеотида). Всего таким образом можно закодировать присутствие в молекуле белка до 64 различных видов аминокислот (задействовано всего 20).

Как рождалась таблица генного кода, нам неизвестно. Несомненно лишь то, что в принципах кодировки присутствует доля свободы выбора. Код ДНК также призван обеспечить совместимость (родство) биосистем.

В генетической программе биосистемы содержится достаточно исчерпывающий набор реакций на самые различные требования среды. В то же время иногда возникают ситуации, не предусмотренные программой. Тогда запускается механизм оптимизационного поиска верного решения. Если решение найдено, то механизмы отбора обязательно закрепят его в форме соответствующего фрагмента ДНК. Таким образом, генетическая программа постоянно развивается и совершенствуется.

Разные организмы, а тем более разные виды организмов содержат разные наборы ДНК. Каждый такой набор определяет специфику той функции, которую данный вид организмов будет выполнять в составе биосферы, участвуя тем самым в поддержании ее устойчивости. Тем не менее, в основе каждого генотипа любого вида живых организмов лежит нечто общее, что можно с полным правом назвать генетической программой жизни в целом, которая определяет набор возможных реакций на самые различные внешние воздействия, порождая в ответ на эти воздействия новые конкретные генотипы, соответствующие новым видам живых существ.

Первые живые организмы существовали, по-видимому, за счет энергии недр планеты. Это хемосинтезирующие (высвобождающие энергию за счет реакции окисления простых неорганических соединений, например сульфида или аммиака) бактерии. По мере остывания планеты подобные формы жизни уступают место фотосинтезирующим организмам, существующим за счет энергии Солнца. Динамика остывания поверхности планеты в условиях относительной стабильности температуры Солнца обеспечивает, по-видимому, однонаправленность процессов усложнения форм самоорганизующихся систем. Вероятно, существует еще немало подобных факторов, посредством которых планета, Солнце, космос и, в конечном итоге, вся Вселенная направляют, «руководят» процессами самоорганизации.

Уже на уровне макромолекул можно говорить о жизни в общепринятом понимании. Вершина эволюции молекул – вирусы (вирус – это молекула ДНК, окруженная белковой оболочкой). Прежде, чем была создана первая живая клетка, на Земле существовала эра вирусов. Первые клетки по теории Опарина возникли в результате эволюции коацерватных капель. Это пример агрегации (создание групп с определенной внутренней структурой) в мире макромолекул. Крупные молекулы имеют обычно сложную форму. Поэтому энергетически более выгодно оказывается слияние этих молекул в каплю. Сложные капли способны улавливать и впитывать в свою структуру определенные вещества из окружающего их раствора, поддерживая этим стабильность своей структуры.

Агрегация клеток приводит к возникновению многоклеточных организмов. Эволюция многоклеточных сначала шла по линии усложнения физиологии, потом (а частью и одновременно) поведения по цепи: раздражимость-инстинкт-психика-сознание. Эволюция поведения свидетельствует об агрегации многоклеточных организмов, то есть о формировании и эволюции систем более высокого иерархического уровня - социальных систем типа стаи, общества и т.п., которые с полным правом можно назвать социальными живыми существами, наиболее яркими примерами которых являются муравейники, пчелиные семьи, человеческая цивилизация и т.п. Здесь присутствует органичная целостность и функциональная взаимозависимость.

Эволюция есть, по-видимому, следствие единства Вселенной: расширение Вселенной вызывает ответный поток роста сложности организации ее структуры. Эволюцию нельзя остановить пока расширяется Вселенная.

Биоорганика Земли имеет единый генетический код. Информация о строении белков организма хранится в закодированном виде в структуре молекул ДНК. Правила кодировки нам известны, но они не поддаются какой либо логике. Похоже, что природа установила эти правила произвольным образом, но однажды принятый «стандарт» един для всех биосистем Земли и никогда не нарушается.

Теория креационизма хорошо вписывается в принцип роста энтропии (Бог однажды устроил мир идеальным образом, теперь мир может только деградировать) и легко объясняет природу целесообразности в устройстве Вселенной. В то же время теория эволюции подтверждается огромным количеством научных фактов. Слабым местом эволюционизма является отрицание всякого рода целесообразности в природе и признание случайности, господствующей в эволюционном процессе, что никак не согласуется с данными статистического анализа, который говорит, что всего времени существования Выселенной не хватит на то, чтобы воспроизвести существующие формы случайным образом. В то же время новые достижения синергетики (наука о самоорганизации) позволяют надеяться на то, что в научном понимании жизни уже в ближайшее время ожидается существенный прорыв. Мы уже понимаем механизмы самоорганизации.

Что касается целесообразности Вселенной, не вписывающейся в концепцию «слепых законов природы», то выход здесь следует искать в принципе дополнительности. То есть земная жизнь является естественным следствием глобального эволюционного процесса, который в свою очередь достаточно однозначно «запрограммирован» в структуре изначальных холистских принципов существования Вселенной.

В основе самоорганизации лежит принцип: одновременно протекающие процессы могут влиять друг на друга так, что хотя в каждом из процессов в отдельности энтропия не может уменьшаться, но, взятые вместе, они могут компенсировать уменьшение энтропии в одном из процессов за счет еще большего увеличения в других. В итоге по всем процессам энтропия растет.

Следствия:

1) самоорганизующая система должна быть открытой по отношению к окружающей среде;

2) она может существовать, уменьшая внутреннюю энтропию, только за счет увеличения энтропии (разрушения) внешней среды.

Поэтому любая самоорганизующаяся система может существовать только в потоке энергии, при этом энтропия потока энергии на входе в систему меньше, чем энтропия выходного потока (система потребляет более концентрированную энергию, а выдает более рассеянную). В энергетический поток система сбрасывает свою внутреннюю энтропию (неупорядоченность), из этого потока она берет необходимый ей порядок, что позволяет ей существовать длительное время без саморазрушения. Для этого, например, мы потребляем пищу, разрушая ее внутри себя, высвобождая таким образом накопленную в ней информацию (порядок, мерой которого является свободная энергия), и за счет этого упорядочивая свою структуру. Продукты разрушения, несущие в себе хаос, мы выбрасываем в окружающую среду.

Согласно Пригожину, любая самоорганизующаяся система должна обладать рядом особенностей:

1) открытостью, то есть их существование немыслимо без постоянного взаимодействия с окружающей средой;

2) неравновесностью, то есть энтропия в данной системе существенно меньше энтропии окружающей среды;

3) нелинейностью, то есть непропорциональностью изменения различных свойств системы, ограниченностью пределов изменения этих свойств, что приводит к разного рода фазовым переходам.

В процессе самоорганизации происходит самопроизвольный поиск устойчивых структур. Под устойчивостью системы понимают ее способность сохранять свою структуру при наличии внешних воздействий на нее; при снятии воздействия такая система должна вернуться в исходное состояние. Для устойчивых систем характерно подобие части и целого. Только тогда система сможет потреблять энергию (упорядочивающий фактор) из окружающей среды, когда она подчинена принципу соответствия (резонанса) с окружающей средой. Однако подобие не должно быть абсолютным. «Свобода выбора», непредсказуемость в поведении систем дает перспективы для дальнейшего развития (поиска новых форм организации). Излишек стабильности, предсказуемости также грозит гибелью, как и отсутствие системного «законопослушания».

4. Теория катастроф

Поскольку в определенных ситуациях – в точках катастроф – даже незначительные движения могут повлиять на ход развития, очень полезным окажется умение определять, далеко ли от такой точки находится система. Формально для этого следует изучить зависимость системы от внешних параметров в математических моделях, однако на практике нередко встречаются случаи, когда у исследователя нет даже туманных соображений о том, каким эволюционным уравнением описывается развитие системы. Тем не менее даже в этих ситуациях, патологических с точки зрения математического моделирования, можно указать некоторые косвенные признаки того, что изучаемая система находится вблизи точки катастрофы.

Речь идет о так называемых «флагах катастроф» – особенностях поведения системы, по которым можно судить о приближении критической точки. Перечислим некоторые из них, чаще всего встречающиеся вместе:

1. Бимодальность. Смена качества - «старое» на «новое», никаких альтернатив «нового» в разовой катастрофе вы не заметите.

2. Пороговость (скачкообразность). Резкое, скачкообразное изменение в системе при плавном изменении ее параметров происходит в момент достижения параметрами некоторых критических значений.

3. Нарушение симметрии. До прохождения точки катастрофы системе имела симметрию в отношении выбора будущих альтернатив, и равноправие. В точке катастрофы выбор происходит в пользу одной и: альтернатив и симметрия возможностей, равноправие нарушается.

4. Дивергенция (неустойчивость по начальным данным). Малое изменение состояния системы перед точкой катастрофы может радикально повлиять на выбор альтернативы. То, что было рядом до катастрофы окажется разделенным после нее.

5. Гистерезис. Память системы о произошедшей катастрофе, необратимость ее истории. Результат остается даже при исчезновении причины.

Два признака особенно важны, т.к. позволяют предсказывать катастрофу в непосредственной близости от нее. Они справедливы всегда.

Увеличение шумовых флуктуации. Этот признак появляется незадолго до точки катастрофы, ярко проявлен в самой «точке» и быстро исчезает после катастрофы. Фактически он обнаруживает жизнь микроуровня, тот андеграунд, который выходит на поверхность, становится значимым в период кризиса системы. Мы подробно рассмотрели это явление в предыдущей главе (принцип динамической иерархичности). При этом «умирающие» макропеременные «агонизируют» и ведут себя все более хаотически. На языке микроуровня это называется увеличением амплитуды флуктуации, т.е. величины кратковременных отклонений от среднего значения, которые мы и наблюдаем как случайные колебания в системе -шум перед и во время катастрофы.

Замедление характерных ритмов (затишье перед бурей).

Пожалуй, наиболее важный принцип, позволяющий загодя предсказать катастрофу. Его смысл прост: перед точкой катастрофы, точкой смены программы функционирования системы, происходит сворачивание, остановка этой программы. Если в ней присутствуют колебания, то они должны замедляться, если же колебаний нет, то их можно искусственно возбудить и наблюдать замедление. В точке катастрофы система уходит от состояния гомеостаза, становится более пластичной, менее упругой, ее собсвенные колебания становятся более мягкими, медленными, низкочастотными. Это прекрасно видно на примере нашей модели маятника: по мере увеличения размаха колебаний маятника его период растет, и обращается в бесконечность в точке бифуркации, когда он застывает в перевернутом состоянии; по мере дальнейшей подкачки энергии уже во вращательное движение период уменьшается. В этой системе характерный период и искать не надо, но что за период в случае неподвижной шпаги? Его можно возбудить, постукивая по шпаге палочкой, будет слышен звенящий тон.

Этот результат носит универсальный характер, не зависит от природы системы и звучит так: характерные, собственные, ритмы системы замедляются по мере приближения к точке катастрофы. Более того, по степени замедления в теории катастроф удается определить тип будущей катастрофы, число альтернативных ее исходов, но это уже серьезная математика.