ЕН.Ф.3 Концепции современного естествознания (новое

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Филиал ДВГУ в г. Спасске-Дальнем
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
«Концепции современного естествознания»
специальность: «Менеджмент организации»
Разработан д.ф.-м.н., профессором
Б.Е. Ламаш
Спасск-Дальний
2008
СОДЕРЖАНИЕ
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ ............................................................... 3
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ ............................................................. 3
КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ .................................................................................................................. 16
МАТЕРИАЛЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ ............................................................................ 190
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ .... 198
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ................................................................. 200
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................................................. 205
ГЛОССАРИЙ .................................................................................................................................. 208
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Филиал ДВГУ в г. Спасске-Дальнем
Курс _1_, семестр _1,2_.
Лекции
_51_ час.
Практические занятия - _34__ час.
Семинарские занятия – ___ час.
Лабораторные работы - ___час.
Самостоятельная работа – _59_ час.
Всего - _144__ час.
Реферативные работы не предусмотрены
Контрольные работы не предусмотрены
Экзамен: __2__
семестр
Зачет: __1__ семестр
Рабочая программа составлена на основании типовой программы ГОС ВПО и
авторских разработок
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры от 01.06.08 №10
Заведующая кафедрой _________________________________ А.А.Кравченко
Составитель (ли) _______________________________________Б.Е. Ламаш
Аннотация
Цель и задачи дисциплины:
1.
Целью изучения дисциплины является формирование у студентов
научного мировоззрения, повышение общего кругозора и культуры мышления.
Предмет курса – различные формы движения материи в природе; лестница
последовательных уровней организации материи и их взаимосвязи; основные
формы бытия — пространство и время; закономерная связь явлений природы как
общего, так и специфического характера. Программа курса позволяет вооружить
слушателей
знаниями,
отвечающими
современному
уровню
развития
естествознания, рассматриваются последние идеи и гипотезы, точки зрения на
важнейшие вопросы современного естествознания, что дает возможность,
овладев
целостным
научным
мировоззрением,
сформировать
свою
мировоззренческую позицию для успешной социальной адаптации.
Задачи дисциплины:
- ознакомить студентов с основными концепциями современного
естествознания;
- дать слушателям представления о едином процессе развития,
охватывающем неживую природу, живое вещество и общество; об уровнях
организации
материального
мира
и
процессов,
протекающих
в
нем,
выступающих звеньями одной цепи;
- вооружить студентов знаниями закономерностей развития природы и
общества;
- формировать умения и навыки практического использования достижений
науки, ставящих конечной целью адаптацию человека к окружающей среде и
достижение рационального природопользования;
- сориентировать в основных парадигмах единства материального и
духовного миров;
- ознакомить с важнейшими приемами биоэтики;
- создать предпосылки для развития заложенного в каждом человеке
интеллектуального
потенциала,
способствующего
профессиональному
и
личностному росту и т.д.
Место дисциплины в структуре учебного плана
2.
ЕН.Ф.3.
естествознания»
Учебная
дисциплина
является
дисциплиной
«Концепции
федеральной
современного
части
цикла
математических и естественно-научных дисциплин ООП. Связь с другими
дисциплинами учебного плана: программа опирается на знания, полученные в
ходе изучения дисциплин: «Философия», «История», «Математика». Знания,
приобретенные при изучении курса «Концепции современного естествознания»,
могут найти применение при выполнении самостоятельных работ, тестирования
и написании рефератов.
Требования к результатам освоения дисциплины
3.
В результате освоения дисциплины студент должен:
Знать:
- о месте человека в эволюции Земли;
-
о
направлениях
и
путях
развития
в
научно-технической
и
организационно-экономической сферах деятельности человека;
- об использовании новых подходов к достижению более высокого уровня
выживания человечества в условиях надвигающейся экологической катастрофы.
Уметь:
- представлять знания как систему логически связанных общих и
специальных положений науки;
- применять эти знания и оперировать ими в своей повседневной
деятельности;
- обосновать факт появления тех или иных знаний о природе;
- выражать свою мировоззренческую позицию;
- ориентироваться в сложных явлениях действительности.
Владеть:
- знаниями в области естественных наук;
- навыками успешной социальной адаптации.
4. Формы и методы обучения, способствующие формированию и
развитию компетенции
Лекционный курс, практические занятия, самостоятельная работа,
выполнение лабораторных работ.
5. Трудоемкость дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 144 часа, в т.ч. лекций 51 час,
практических
занятий
34
часа,
самостоятельной
Продолжительность изучения дисциплины 2 семестра.
работы
59
часов.
6. Контроль успеваемости
Промежуточная аттестация проводится в форме зачета в 1 семестре,
экзамена – во 2 семестре.
2. Структура и содержание теоретической части курса (51 час)
Тема 1. Естественно-научная и гуманитарная культуры, научный метод
Понятие культуры. История возникновения. Понятие природы. Понятие
науки. Понятие естествознания. Формирование культурного человека. Понятие
метода. История учения о методе. Понятие методологии. Классификация
методов научного познания. Уровни научного познания.(2 часа)
Тема 2. История естествознания
Натурфилософия. Этапы развития естествознания.(2 часа)
Тема 3. Панорама современного естествознания, тенденции развития
Научная картина мира. Глобальный эволюционизм. Синергетика – теория
самоорганизации. Общие контуры современной естественнонаучной картины
мира. Понятие современной науки. Особенности современной науки. Кризис
современной науки. Постнеклассическая наука. (2 часа)
Тема 4. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы
Понятие корпускулярной концепции. Понятие континуальной концепции.
Четырехмерное пространство. Свойства пространства и времени. (2 часа)
Тема 5. Порядок и беспорядок в природе, хаос
Понятие порядка. Понятие хаоса. Происхождение космоса. (2 часа)
Тема 6. Структурные уровни организации материи
Понятие системы. Понятие элемента. Типы связи между элементами
системы. Свойства системы. Классы материальных систем. (2 часа)
Тема 7. Микро-, макро- и мегамиры
Понятие микромира. Понятие макромира. Понятие мегамира. Физический
вакуум. Квантовая механика. Атомы. Молекулы. Микроскопические тела.
Макроскопические тела. Космические тела. Планетные системы. Звездные
скопления. Галактики. Скопления и группы галактик. Сверхскопления галактик.
Метагалактика. Вселенная. (3 часа)
Тема 8. Пространство и время
Понятие пространства. Понятие о времени. Свойства пространства и
времени. Обратимость пространства и времени. Статистическая концепция
времени. Динамическая концепция времени. Виды пространства и времени. (2
часа)
Тема 9. Теория относительности
Понятие относительности. Принцип относительности Энштейна. Вклад
ученых в теорию относительности. (2 часа)
Тема 10. Принципы симметрии, законы сохранения
Понятие симметрии. Пространственно-временные принципы симметрии.
Внутренние принципы симметрии. Законы сохранения. Определения ученых
понятия симметрии. Связь симметрии с законами сохранения. Понятие энергии.
Принципы запрета. Основные законы симметрии. (2 часа)
Тема 11. Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие
Понятие электродинамики. Электромагнитное взаимодействие. Сущность
концепции дальнодействия. Сущность концепции близкодействия. (2 часа)
Тема
12.
Состояние,
принципы
суперпозиции,
неопределенности,
дополнительности
Понятие принципа суперпозиции. Пример принципа суперпозиции.
Принцип дополнительности. Принцип неопределенности В. Гейзенберга. (2 часа)
Тема 13. Динамические и статистические закономерности в природе
Динамические законы. Законы статистического характера. (2 часа)
Тема 14. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах,
принцип возрастания энтропии
Термодинамика. Положения закона сохранения энергии. Формулировки
закона сохранения и превращения энергии. Исследования ученых. Первый закон
термодинамики. Второй закон термодинамики. Принцип возрастания энтропии.
Гипотеза «тепловой смерти». Принцип минимума диссипации энергии. (2 часа)
Тема 15. Химические процессы
Понятие
химического
индивида.
Химические
явления.
Основные
концептуальные системы химии. Проблема химического элемента. Понятие
химического
элемента.
Проблема
химического
соединения.
Понятие
химического соединения. Химическая связь. Химическая структура вещества.
Понятие
химической
структуры.
Образование
химических
структур
и
химическая связь. Типы связей. Сущность химического процесса. Принципы
управления химическим процессом. Кинетические методы. Понятие химической
эволюции. Проблема самоорганизации химических систем. (2 часа)
Тема 16. Особенности биологического уровня организации материи
Понятие биологии. Краткий исторический очерк развития биологии.
Некоторые основные обобщения биологических наук. Понятие клетки.
Современная биология - комплекс наук о живой природе. Категория «живого». (2
часа)
Тема 17. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем
Концепция
Чарльза
Дарвина.
Изменчивость.
Наследственность.
Естественный отбор. Формы естественного отбора. Механизмы эволюции.
Принцип А. Пуанкаре (закон дивергенции). Синтетическая теория эволюции.
Понятие микроэволюции. Макроэволюционные закономерности. Свойства
материальных систем. (2 часа)
Тема 18. Экосистемы (многообразие живых организмов − основа
организации и устойчивости биосферы)
Элементы экосистем. Биотическая структура экосистем. Биоразнообразие
как основа устойчивости живых систем. Виды природных экосистем.
Энергетические потоки в экосистемах, правило 10%. Экологические факторы.
Формы биотических отношений. (2 часа)
Тема 19. Генетика и эволюция
Понятие генетики. Законы Менделя. История развития генетики.
Механизм наследственности. Формы изменчивости. Мутации. Генетические
закономерности в эволюции популяций. Формы естественного отбора. (2 часа)
Тема
20.
Человек:
физиология,
здоровье,
эмоции,
творчество,
работоспособность
Понятие
физиологии
человека.
Развитие
концепций
современной
физиологии. Система крови. Система кровообращения. Лимфатическая система.
Дыхательная система. Пищеварительная система. Обмен веществ в энергии.
Физиология
выделения.
Гормоны.
Нервная
система.
Функции
мозга.
Анализаторы (органы чувств). Высшая нервная деятельность. Понятие эмоций.
Функции и виды эмоций. Теории эмоций. Эмоции и адаптационный процесс.
Творчество. Структура мыслительного процесса решения проблемы. «Мозговой
штурм». Здоровье человека. Понятие здоровья индивида. Польза физических
упражнений.
Понятие
работоспособности.
Особенности
психического
утомления. (2 часа)
Тема 21. Биоэтика, поведение, экология и здоровье
Биоэтика.
Мораль
животных.
Врожденные
запреты.
Иерархия
потребностей человека. Принципы мотивации. Самоактуализация. Химические
загрязнения среды и здоровье человека. Биологические загрязнения и болезни
человека. Ландшафт как фактор здоровья. (2 часа)
Тема 22. Человек, биосфера и космические циклы
Понятие биосферы. Концепция Вернадского. Строение биосферы.
Космические циклы. (2 часа)
Тема 23. Ноосфера; необратимость времени
Переход от биосферы к ноосфере. Исследования ученых в области
ноосферы. Понятие времени в классической термодинамике. Постулаты Р.
Клаузиуса. (2 часа)
Тема 24. Принципы универсального эволюционизма
Системный подход. Эволюционный подход. Термодинамический подход.
(2 часа)
Тема 25. Самоорганизация в живой и неживой природе
Понятие самоорганизации. Понятие синергетики. Синергетика – интерес
для науки. Основные свойства самоорганизующихся систем. (2 часа)
3. Содержание практической части курса (34 часа)
1.
Естественно-научная и гуманитарная культуры . (2 часа)
2.
История естествознания. (2 часа)
3.
Панорама современного естествознания (2 часа)
4.
Порядок и беспорядок в природе, хаос (2 часа)
5.
Структурные уровни организации материи (2 часа)
6.
Пространство и время. (2 часа)
7.
Принципы симметрии, законы сохранения. (2 часа)
8.
Динамические и статистические закономерности в природе (2 часа)
9. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах. (2 часа)
10. Химические процессы . (2 часа)
11. Особенности биологического уровня организации материи . (2 часа)
12. Многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости
биосферы . (2 часа)
13. Генетика и эволюция. (2 часа)
14.
Человек:
физиология,
работоспособность (2 часа).
здоровье,
эмоции,
творчество,
15. Человек, биосфера и космические циклы (2 часа)
16. Самоорганизация в живой и неживой природе (2 часа)
17. Принципы универсального эволюционизма (2 часа)
4. Контроль достижения целей курса
Вопросы к зачету
1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры.
2. Метод и методология.
3. Панорама современного естествознания.
4. Тенденции развития естествознания.
5. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.
6. Порядок и беспорядок в природе, хаос.
7. Уровни организации материи.
8. Микро-, макро- и мегамиры.
9. Развитие представлений о пространстве и времени.
10. Принципы относительности.
11. Принципы симметрии и законы сохранения.
12. Дальнодействие и близкодействие.
13. Принцип неопределенности Гейзенберга. Принцип дополнительности
Бора.
14. Динамические и статистические закономерности в природе.
15. Закон сохранения энергии в макроскопических процессах.
Вопросы к экзамену
1.
Самоорганизация в живой и неживой природе.
2.
Основные концепции современной физиологии.
3.
Строение и свойства нервной системы человека.
4.
Биоэтика и поведение человека.
5.
Генетика и эволюция.
6.
Эмоции и творчество.
7.
Здоровье и работоспособность.
8.
Человек и биосфера.
9.
Ноосфера.
10.
Необратимость времени.
11.
Принципы универсального эволюционизма.
12.
Химические процессы.
13.
Особенности биологического уровня организации материи.
14.
Принципы эволюции.
15.
Многообразие живых организмов.
5. Тематика и перечень курсовых работ, рефератов
Курсовые работы и рефераты не предусмотрены.
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
1. Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: Учебник / А.А.
Горелов. − М.: Центр, 2007. – 208с.
2. Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебное
пособие / Т.Я. Дубнищева. − Нс.: Маркетинг, 2007. – 832 с.
3. Самыгин, С.И. Концепции современного естествознания: Учебное
пособие / С.И. Самыгин. − Р/Д.: Феникс, 2008. – 448с.
4. Галимов, Э. М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью.
Происхождение и принципы эволюции: Учебное пособие / Э.М. Галимов. — М.:
Едиториал УРСС, 2001. – 227 с.
5. Суханов, А.Д., Голубева, О.Н. Концепции современного естествознания:
Учебник для вузов / А.Д.Суханов, О.Н. Голубева. − М.: Агар, 2000. – 134 с.
6.
Лавринеко,
В.Н.,
Ратникова,
В.П.
Концепции
современного
естествознания: Учебник для вузов / В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. − М.:
ИНФРА-М, 2000. – 421 с.
7. Садохин, А.П. Концепции современного естествознания: Учебник для
вузов / А.П. Садохин. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. – 447 с.
8. Бабушкин, А.Н. Современные концепции естествознания: Учебное
пособие / А.Н. Бабушкин. –М.: Омега-Л, 2004. – 224с.
9. Свиридов, В.В. Концепции современного естествознания: Учебное
пособие / В.В. Свиридов. –СПб.: Питер, 2005. - 349с.
Дополнительная литература
12. Аллен, Дж., Нельсон, М. Космические биосферы: Учебное пособие /
Дж. Аллен, М. Нельсон. – М.: Прогресс. 1991. – 128с.
13. Горелов, А. А. Человек – гармония –природа: Учебное пособие / А.А.
Горелов. – М.: Наука, 1990. – 192с.
14. Девис, П. Суперсила. Поиски единой теории Природы: Учебное
пособие / П. Девис. – М.: Мир. 1989. – 272с.
15. Кэри, У. В поисках закономерностей развития Земли и Вселенной:
Учебное пособие / У. Кэри. – М.: Мир. 1991. – 447с.
Периодические издания
1.
Журнал «Вопросы философии»
2.
Журнал «Наука и жизнь»
3.
Журнал «Природа»
Интернет-ресурсы
1.
Концепции современного естествознания: Учебник / В.М. Найдыш. -
3-e изд., перераб. и доп. - М.: Альфа-М: ИНФРА-М, 2007. - 704 с. Режим доступа:
http://znanium.com/bookread.php?book=123452
2.
Романов.
Концепции современного естествознания: Учебное пособие / В.П.
-
М.:
РИОР,
2008.
-
128
с.
Режим
доступа:
http://znanium.com/bookread.php?book=141918
1.
Концепции современного естествознания: Практикум / В.П. Романов
- 3-e изд., испр. и доп. - М.: Вузовский учебник, 2008. - 128 с. Режим доступа:
http://znanium.com/bookread.php?book=133587
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Филиал ДВГУ в г. Спасске-Дальнем
КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине
«Концепции современного естествознания»
специальность: «Менеджмент организации»
Спасск-Дальний
2008
Лекция 1. Естественно-научная и гуманитарная культуры, научный
метод
Вопросы для рассмотрения: Понятие культуры. История возникновения.
Понятие природы. Понятие науки. Понятие естествознания. Формирование
культурного человека. Понятие метода. История учения о методе. Понятие
методологии. Классификация методов научного познания. Уровни научного
познания.
Человеческая любознательность во всех формах познавательной
деятельности всегда была подчинена одной цели - «познание истины бытия». Эта
направленность познания понимается как постоянное углубление наших знаний
о мире.
Знания - проверенные практикой результаты познания, научные сведения.
Познание - творческая деятельность индивида, ориентированная на получение
достоверных знаний о мире, осуществляемая в следующих формах: обыденное,
мифологическое, религиозное, художественное, философское и научное.
Мир - это то, что образует бытие человека, в частности, все сущее, которое может
находиться в мире и составляет мир; то, в чем совершается человеческое
существование. Познание происходит на фоне исторического этапного развития
культуры общества.
Культура - это совокупность социально значимой информации, определяющей
деятельность, поведение и общение людей и представленной различными
формами - результатами человеческой деятельности.
Например, социально значимая информация может быть представлена в виде
знаний, умений, навыков, образцов деятельности и поведения; материальных
ценностей - орудий труда, техники, предметах быта; духовных ценностей - норм
и идеалов, идей и гипотез; произведений искусства, философских, этических и
политических учений, верований, социальных целей и ценностных ориентации.
Термин «культура» является одним из наиболее часто употребляемых
в-большинстве современных языков, и это говорит о его многозначности. По
современным понятиям социально значимая информация, составляющая
культурное наследие, может быть разделена на два блока. К первому блоку
можно отнести информацию, создаваемую в процессе научного познания
Природы, решения технических и технологических задач общества
(информация, содержащаяся в теоретических знаниях, идеях, гипотезах и
материальных ценностях - объектах естественнонаучной культуры,
естественных и технических наук).
Природа (от греч. physis, лат. natura - возникнуть) - 1) окружающий нас мир во
всем бесконечном многообразии своих проявлений; 2) объект изучения
естествознания; 3) совокупность естественных условий существования
человеческого общества; 4) (фил.) сущность (ядро) вещи.
Второй блок составляет информация, полученная в процессе гуманитарного
познания человека и общества при их взаимодействии с Природой (нормы,
идеалы и гуманитарные ценности - объекты гуманитарной культуры,
гуманитарных наук).
Наука - форма познания, отличием которой является не только получение, но и
теоретическая систематизация объективных знаний о мире с целью выявления
общих законов.
Естествознание - комплекс наук, описывающих природные явления и
интерпретирующих их.
В современной науке принято выделять и другой комплекс наук, имеющих
отношение к человечеству, общественному бытию и сознанию, обществознание. Достижения естествознания в современном мире традиционно
рассматриваются в качестве эталонов научной объективности, значимости и
достоверности как в технических, так и в общественных науках.
Д, Провести четкую грань между естественными, техническими и
общественными науками в принципе нельзя, поскольку существует целый ряд
дисциплин, занимающих промежуточное положение или являющихся
комплексными по своей сути. Так, на стыке естественных и общественных наук
находится экономическая география, на стыке естественных и технических —
бионика, а комплексной промежуточной дисциплиной, которая включает и
естественные, и общественные, и технические аспекты стала экология.
Культура, а точнее культурное наследие, по существу, является формой передачи
социального опыта из одной исторической эпохи в другую. В жизни общества
культура играет примерно ту же роль, что и индивидуальная наследственная
информация в клетке, - она, определяя социальное наследование, обеспечивает
не только воспроизводство многообразия форм социальной жизни, но и развитие
духовности и эволюцию всех видов сознания (морального, научного,
религиозного, правового и т.д.), формирование индивидуальности, личности.
Подобная передача социального опыта обеспечивает прогресс человечества.
Формирование современного культурного человека происходит на базе освоения
культурного наследия, соответствующего исторически достигнутой ступени
развития общества. Культурное наследие, передаваемое как во времени - «по
горизонтали», так и внутри общества - от слоя к слою - «по вертикали»,
становится достоянием каждого члена общества, независимо от его желания. Для
этого в обществе функционируют специальные общественные институты.
Например, система средств массовой информации призвана информировать
членов общества и способствовать их социализации, т. е. преобразованию
социального опыта в собственные ценности и ориентации индивидуума,
освоению принятых им в обществе моделей поведения, норм, знаний.
Направленность исключительно на освоение достижений техники и технологии,
определяющих бытовой комфорт, в известной мере, приводит к формированию
цивилизованной личности. Однако для перехода к более высокому уровню
развития необходимо, как минимум, получение полноценного воспитания и
высшего образования. Только в этом случае формируются цивилизованные и
образованные члены общества.
Но и этого недостаточно для формирования культурного человека: помимо
получения полноценного воспитания и образования необходимо непрерывное
самообразование, изучение естественнонаучного и гуманитарного наследия
человечества, чтение журналов, книг, посещение музеев, выставок, театров,
ознакомление со специализированными сайтами в Интернете, активное общение
с коллегами и друзьями и т.д.
Сформировавшееся деление членов общества на «физиков» и «лириков»,
отдельное независимое существование «двух культур» -гуманитарной и
естественнонаучной - несостоятельны. Истинно культурный человек,
безусловно, наследует культурные ценности общества в комплексе, сводит в
целостное мировоззрение все явления действительности, попадающие в сферу
его деятельности.
Ориентируясь на образованных культурных людей, можно рассчитывать на
создание в обществе познавательных программ, адресованных в будущее,
меняющих существующие парадигмы (парадигма - типовая или базовая на
сегодня схема, модель постановки проблем и их решения) и совершающих
революционные перевороты в науке и технике. Для образованных культурных
людей смыслы мировоззренческих универсалий, принятых в обществе, чаще
всего выступают как нечто само собой разумеющееся. В соответствии с ними,
даже без их осознания, он строит свою деятельность.
Таким образом, естественнонаучная и гуманитарная сферы культуры в обществе
всегда пересекаются, дополняют и взаимовлияют друг на друга, особенно в
моменты формирования новых мировоззренческих идей. Так, например, можно
уловить связь между возникновением в конце XIX века идеями теории
относительности и формированием новой художественной концепции
отображения мира в импрессионизме - в обоих случаях мир представляется
подвижным, изменчивым и непредсказуемым. Человек как социальный индивид
одновременно является и творением культуры предшествующих эпох, и творцом
новой культуры. Творчески активная личность всегда привносит в современное
ему общество новые ценности. Те из них, которые востребованы обществом и
«включены» в культурное наследие, передаются в будущее. Интерес к
концепциям современного естествознания вызван прежде всего тем, что
исторически естествознание играет определяющую роль в развитии общества.
Понятия метода и методологии. Классификация методов научного
познания
Понятие «метод» (от греч. «методос» — путь к чему-либо) означает
совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения
действительности.
Метод вооружает человека системой принципов, требований, правил,
руководствуясь которыми он может достичь намеченной цели. Владение
методом означает для человека знание того, каким образом, в какой
последовательности совершать те или иные действия для решения тех или иных
задач, и умение применять это знание на практике.
Учение о методе начало развиваться еще в науке Нового времени. Ее
представители считали правильный метод ориентиром в движении к надежному,
истинному знанию. Так, видный философ XVII века Ф. Бэкон сравнивал метод
познания с фонарем, освещающим дорогу путнику, идущему в темноте.
Существует целая область знания, которая специально занимается
изучением методов и которую принято именовать методологией. Методология
дословно означает «учение о методах» (ибо происходит этот термин от двух
греческих слов: «методос» — метод и «логос» — учение). Изучая
закономерности человеческой познавательной деятельности, методология
вырабатывает на этой основе методы ее осуществления. Важнейшей задачей
методологии является изучение происхождения, сущности, эффективности и
других характеристик методов познания.
Методы научного познания принято подразделять по степени их
общности, т. е. по широте применимости в процессе научного исследования.
Всеобщих методов в истории познания известно два: диалектический и
метафизический. Это общефилософские методы. Метафизический метод с
середины XIX века начал все больше и больше вытесняться из естествознания
диалектическим методом.
Вторую группу методов познания составляют общенаучные методы,
которые используются в самых различных областях науки, т. е. имеют весьма
широкий
междисциплинарный
спектр
применения.
Классификация
общенаучных методов тесно связана с понятием уровней научного познания.
Различают два уровня научного познания: эмпирический и теоретический.
Одни общенаучные методы применяются только на эмпирическом уровне
(наблюдение, эксперимент, измерение), другие — только на теоретическом
(идеализация, формализация), а некоторые (например, моделирование) — как на
эмпирическом, так и на теоретическом уровнях.
Эмпирический
уровень
научного
познания
характеризуется
непосредственным исследованием реально существующих, чувственно
воспринимаемых объектов. На этом уровне осуществляется процесс накопления
информации об исследуемых объектах, явлениях путем проведения наблюдений,
выполнения разнообразных измерений, постановки экспериментов. Здесь
производится также первичная систематизация получаемых фактических данных
в виде таблиц, схем, графиков и т. п. Кроме того, уже на втором уровне научного
познания — как следствие обобщения научных фактов — возможно
формулирование некоторых эмпирических закономерностей.
Теоретический уровень научного исследования осуществляется на
рациональной (логической) ступени познания. На данном уровне происходит
раскрытие наиболее глубоких, существенных сторон, связей, закономерностей,
присущих изучаемым объектам, явлениям. Теоретический уровень — более
высокая ступень в научном познании. Результатами теоретического познания
становятся гипотезы, теории, законы.
Выделяя в научном исследовании указанные два различных уровня, не
следует, однако, их отрывать друг от друга и противопоставлять. Ведь
эмпирический и теоретический уровни познания взаимосвязаны между собой.
Эмпирический уровень выступает в качестве основы, фундамента
теоретического осмысления научных фактов, статистических данных,
получаемых на эмпирическом уровне. К тому же теоретическое мышление
неизбежно опирается на чувственно-наглядные образы (в том числе схемы,
графики и т. п.), с которыми имеет дело эмпирический уровень исследования.
В свою очередь, эмпирический уровень научного познания не может
существовать без достижений теоретического уровня. Эмпирическое
исследование обычно опирается на определенную теоретическую конструкцию,
которая определяет направление этого исследования, обусловливает и
обосновывает применяемые при этом методы.
К третьей группе методов научного познания относятся методы,
используемые только в рамках исследований какой-то конкретной науки или
какого-то конкретного явления. Такие методы именуются частнонаучными.
Каждая частная наука (биология, химия, геология и т. д.) имеет свои
специфические методы исследования.
При этом частнонаучные методы, как правило, содержат в различных
сочетаниях те или иные общенаучные методы познания. В частнонаучных
методах могут присутствовать наблюдения, измерения, индуктивные или
дедуктивные умозаключения и т. д. Характер их сочетания и использования
находится в зависимости от условий исследования, природы изучаемых
объектов. Таким образом, частнонаучные методы не оторваны от общенаучных.
Они тесно связаны с ними, включают в себя специфическое применение
общенаучных познавательных приемов для изучения конкретной области
объективного мира.
Частнонаучные методы связаны и со всеобщим диалектическим методом,
который как бы преломляется через них. Например, всеобщий диалектический
принцип развития проявился в биологии в виде открытого Ч. Дарвином
естественно-исторического закона эволюции животных и растительных видов.
К сказанному остается добавить, что любой метод сам по себе еще не
предопределяет успеха в познании тех или иных сторон материальной
действительности. Важно еще умение правильно применять научный метод в
процессе познания.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое культура?
2)
Что такое естествознание?
3)
Назовите виды культуры.
4)
Расскажите о формировании культурного человека.
5)
В чем отличие метода от методологии?
6)
Назовите уровни научного познания.
Лекция 2. История естествознания
Вопросы для рассмотрения: Натурфилософия. Этапы развития
естествознания.
В древних цивилизациях уже существовали люди, которые хотели знать,
как на самом деле устроен мир. Эти мыслители в своих размышлениях ушли от
мифологичности. Они пытались объяснить мир, исходя и з него самого, искали
естественные причины сущего. Этот самый первый этап развития естествознания
называется натурфилософия. Большое развитие натурфилософия получила в
Древней Греции.
Греческая наука о природе была наукой об естественных причинах
возникновения, развития и строения мира. Глубочайший ум античности
Аристотель называл эту науку физикой.
1 этап. VII-VI вв н.э. Фалес, Анаксимен, Анаксимандр объясняли строение
мира, исходя из каких-то природных элементов. Фалес считал, что основой мира
является вода, Анаксимен - воздух, а Анаксимандр первоосновой называл
апейрон. Апейрон находится в постоянном движении. Поэтому он неисчерпаем,
как это движение. Если погибает одно, рядом возникает другое, и этот процесс
бесконечен. Именно Анаксимандр высказал мысль о том, что мир бесконечен во
времени. Последователь ионийской школы Гераклит Эфесский (VI-V вв. до н.э.)
развил учение древних натурфилософов. В основу мира он положил такой
элемент, как огонь. Помимо поисков первоосновы, Гераклит занимался поисками
источника движения. Он считал, что источником движе­ния является борьба
противоположностей. Именно благодаря этой борьбе в мире существует
многообразие вещей и явлений.
В VI в. до н.э. жил еще один интереснейший мыслитель - Пифагор. В
отличие о; вышеназванных философов он искал первопричину сущего не в
материальном элементе, а в идеальном. Таким идеальным элементом были
признаны математические начала. Пифагор и eго ученики придавали числу
буквально мистическое значение. Например, число 1 означало всеобще начало, 2
- начало противоположности, 3 - природы, 4 - здоровья, гармонии и разумности.
Первая гелиоцентрическая система мира была разработана пифагорейцем
Аристархом (III в до н.э.). Он считал, что в центре Вселенной находится Солнце,
вокруг которого обращаются сферы Земли, Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера,
Сатурна, Луны и звезд. Кроме того, Аристарх утверждал, что Земля вращается
вокруг своей оси. За свои смелые взгляды философ был изгнан из Афин и
объявлен безбожником.
2 этап. V-IV вв. до н.э. Атомистика и элементаризм. Атомисты - Левкипп и
Демокрит. Они считали, что сущее построено из двух начал: одно
неуничтожимое, неизменное, вещественное и оформленное, другое -
разрушающееся, изменчивое, невещественное и бесформенное. Первое начало атом, второе - пустота. Значит, мир состоит из атомов и пустоты. Атомы очень
малы и поэтому невидимы, они носятся в пустоте. Когда атомы объединяются,
возникают вещи, когда они разъединяются, вещи гибнут, исчезают. Причину
многообразия мира атомисты видели в многообразии геометрических форм и
пространственных положений атомов. При этом сами атомы лишены каких-либо
качеств, у них есть только количественная определенность. Каждый атом
остается отдельным началом, а многообразие мира зависит только от различия
конфигураций их объединения.
Последователь Демокрита Эпикур развил идею атомистики. Он объяснял
не только материальные, но и психические и социальные явления, исходя из идеи
атомов. Эпикур считал, что атомы находятся в постоянном движении, падая в
пустоте с одинаковой скоростью. Однако существует случайность отклонения от
своего пути, именно благодаря этим отклонениям атомы и образуют миры.
Сперва, таким образом, возникла Земля, затем небо, моря и "выделяться огни
стали в дальнем эфире". На Земле родилась жизнь - растения, животные и люди.
Таким образом, все возникло естественно, без какого бы то ни было
вмешательства сверхъестественных сил.
Другое направление натурфилософии - элементаризм, напрямую исходило
из древнейшего, представления о мире как производной от каких-то элементов
стихии.
Представителем этого направления был Эмпедокл (V в. до н.э.). Он считал,
что мир образован четырьмя элементами -1 стихиями, огнем, воздухом, водой,
землей и также двумя силами - враждой и любовью. Это вечные, неизменные,
однородные элементы, способные вступать друг с другом в различные
комбинации в ( разных пропорциях. Также, как слова состоят из букв, все вещи
состоят из элементов. Эмпедокл изложил в своей философии идею сохранения
материи:
"Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть,
уничтожиться". В картине мира Эмпедокла нет места для пустоты — все состоит
из элементов.
Платон (V-IV вв. до н.э.) в своей натурфилософии объединил атомистику и
элементаризм. Он признавал четыре стихии Эмпедокла, но считал, что они не
являются простейшими. Каждый элемент имеет внутреннюю структуру и может
переходить в другой в результате перестройки частиц. Платон считал, что
сложные частицы элементов имеют форму многогранников, при дроблений эти
многогранники дают треугольники, которые и являются истинными элементами
мира
Аристотель (IV в. до н.э.). Это ученик Платона, великий философ. Он
систематизировал накопленные знания. Аристотель считал, что натурфилософия
должна отражать качественные изменения. Физический объект, который имеет
определенные качества, не может быть построен из бескачественных элементов.
"Тела характеризуются только противоположностями, соответствующими
осязанию" -писал философ.
Он выбрал две пары противоположностей (т. е. несводимых друг к другу
качеств): теплое-холодное (активная пара) и сухое-влажное (пассивная пара).
Эти пары, так или иначе сочетаясь, составляют эмпедоклову четверку элементов.
Аристотель разработал также методологию изучения природы. Он делил процесс
изучения на несколько этапов:
1. соотнесение изучаемого предмета к определенному виду и роду;
2. рассмотрение предмета как сделанного искусственно: выяснить, из чего
сделан предмет, его форма, источник движения, цель;
3. формулирование понятия идеального объекта. Этот эталон и определяет
род вещи, т. е. он является тем, с чем идентифицируют предметы.
Это была первая сформулированная методика научного исследования.
3 этап. III-I вв. до н.э. Эллинистический период развития греческой науки.
Развитие математики, механики, астрономии. Центром интеллектуальной жизни
становится новая столица Египта - Александрия, основанная Александром
Македонским в 332 г. до н.э. Именно здесь жил Евклид (III в. до н.э.) До нас
дошли 13 его книг, объединенных единой логической схемой - "Начала". До сих
пор все школьники мира начинают изучение геометрии по переработанному
труду Евклида. Изучая прямолинейный световой луч, исходящий из глаз, Евклид
способствовал зарождению геометрической оптики. Он также изучал отражения
от плоских, вогнутых и выпуклых зеркал, в результате чего сделал вывод о
равенстве угла отражения углу падения.
Архимед (Ш в. до н.э.) - выдающийся ученый эпохи эллинизма. Он
занимался математикой и механикой, кроме того, был крупнейшим инженером
своего времени. Всем известен закон Архимеда, который является основным
законом гидростатики. Архимед первым из математиков определил пределы
числа к, вычислил площади криволинейных фигур, объемы шара и цилиндра и т.
д. Он смастерил астрономическую сферу и вообще глубоко интересовался
проблемой картины мира: сравнивал гелио-и геоцентрические системы мира,
сделал вывод о том, что хоть мир и огромен, но конечен. Архимед подсчитал
количество пылинок во Вселенной, в современном обозначении это 10 +83.
Архимед способствовал своими трудами выделению естественных наук в
самостоятельную область.
Начиная с 1 в. эллинская культура стала уступать место христианской, но в
первые три века новой эры античная наука еще существовала. Среди ученых
этого периода в первую очередь можно назвать Клавдия Птолемея (1-11 вв.) Его
главное сочинение дошло до нас под разными названиями -"Математическая
система", "Великое математическое построение", "Альмагест". Основное
содержание этого труда - изложение геоцентрической системы мира.
Птолемей основывался на следующих постулатах:
1. Земля шарообразна;
2. Земля находится в центре небесного свода неподвижно;
3. небосвод имеет сферическую форму и вращается как твердая сфера
вокруг Земли, делая один оборот в сутки;
4. планеты (включая Солнце и Луну) также вращаются вокруг Земли по
окружностям с постоянной скоростью.
Можно упомянуть еще женщину-математика, астронома Гипатию Г.
Красавица и умница, она была растерзана бандой воинствующих
фанатиков-христиан, и с ее гибелью александрийская школа науки прекратила
свое существование. Европа на несколько веков забыла об естествознании.
Научное знание развивалось в рамках теологии.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое натурфилософия?
2)
Какие этапы развития естествознания вы знаете?
Лекция 3. Панорама современного естествознания, тенденции
развития
Вопросы для рассмотрения: Научная картина мира. Глобальный
эволюционизм. Синергетика – теория самоорганизации. Общие контуры
современной естественнонаучной картины мира. Понятие современной науки.
Особенности
современной
науки.
Кризис
современной
науки.
Постнеклассическая наука.
Словосочетание "научная картина мира" подразумевает некую аналогию
между совокупностью описывающих реальный мир научных абстракций и
большущим живописным полотном, на котором художник компактно разместил
все предметы мира. Как и все прочие аналогии, эта довольно приблизительно
отражает суть дела, но в целом удачно. Удачные же аналогии обладают
удивительным свойством – их можно развернуть дальше, подробнее, и при этом
сходство с объектом аналогии сохранится. Попробуем проделать эту операцию с
известными "картинами мира".
Живописные полотна имеют один существенный недостаток – степень
сходства с изображаемым объектом порой бывает далека от желаемой. В
стремлении добиться максимально точного изображения человечество изобрело
фотографию. Точность повысилась, но заметное неудобство стала причинять
статичность, безжизненность фотографии. Человечество подумало и изобрело
кинематограф – изображаемые объекты ожили, задвигались, возможности
адекватного воспроизведения реальности увеличились. Последовательно
сменявшие друг друга научные картины мира (античная, ньютоновская и
современная) претерпели очень похожие превращения.
Античный мир рисовал свою научную картину с большой долей фантазии
и выдумки, сходство с изображаемым было минимальным. Ньютоновская
картина мира стала суше, строже и во много раз точнее (черно-белая фотография,
местами, правда, неясная). Нынешняя научная картина мира "оживила"
неподвижную доселе Вселенную, обнаружила в каждом ее фрагменте эволюцию,
развитие. Описание истории Вселенной со всем ее содержимым потребовало уже
не фотографии, а киноленты, каждый кадр которой соответствовал
определенному этапу ее развития.
Глобальный эволюционизм
Главной принципиальной особенностью современной естественнонаучной
картины мира стал принцип глобального эволюционизма. Его появление
означает, что в современном естествознании утвердилось убеждение в том, что
материя, Вселенная в целом и во всех ее элементах не могут существовать вне
развития.
Это принципиально новый для естествознания взгляд на вещи, хотя сама
идея эволюции родом из XIX века. Наиболее сильно она прозвучала, как
известно, в учении Ч. Дарвина о происхождении видов. Справедливости ради
надо отметить, что Дарвину принадлежит не столько сама идея эволюции,
сколько предложенный механизм ее осуществления; эволюционные же
представления обсуждались и раньше. Эта концепция легла в основу
рождавшейся теоретической биологии. Эволюционное учение оказало
сильнейшее влияние на умы современников Дарвина, однако перебраться через
пропасть, отделявшую науки о живом от наук о неорганическом мире, в XIX веке
оно так и не сумело, ограничив свое действие растительным и животным миром.
Пожалуй, лишь в социологии была сделана попытка прямого переноса
дарвиновских идей (Г. Спенсер), но это было уже за пределами естествознания.
Классические же фундаментальные науки, составлявшие основу ньютоновской
картины мира, остались совершенно не затронутыми ни буквой, ни духом
эволюционного учения.
Вселенная в целом представлялась равновесной и неизменяемой. А
поскольку время ее существования бесконечно, то вполне вероятен шанс
появления в результате случайных локальных возмущений наблюдаемых
неравновесных образований с заметной организацией своих структур (галактик,
планетных систем и т.д.). Точно таким же "противоестественным" явлением, или
артефактом (лат. arte – искусственно + factus – сделанный), выглядело появление
жизни на нашей планете. И по всему выходило, что такого рода "отклонения" в
существовании Вселенной – явления временные и со всем остальным космосом
никак не связанные. Таков был довольно грустный итог естественнонаучной
картины мира в XIX веке.
В XX веке все радикально поменялось. Первую крупную брешь в
антиэволюционном настрое классической физики пробило в начале 20-х годов
открытие расширения Вселенной, или иначе – ее нестационарности. Но если
Вселенная расширяется, галактики разбегаются друг от друга, то встает вопрос о
силах, сообщивших галактикам начальную скорость и необходимую для этого
энергию. Современное естествознание считает, что оно может ответить на этот
вопрос. Таким ответом является теория Большого взрыва, воспроизводящая
процессы зарождения нашей Вселенной из некоего исходного состояния с
последующей эволюцией, приводящей в конечном счете к ныне наблюдаемому
ее облику. Эта теория более или менее прочно утвердилась в естествознании в
1970-е годы, хотя сама идея была предложена еще в 1940-е годы. Подчеркнем
радикальное обновление наших представлений об устройстве мироздания:
Вселенная нестационарна, она имела начало во времени, следовательно, она
исторична, эволюционирует во времени. Эту эволюцию в принципе можно
реконструировать. Таким образом, идея эволюции прорвалась в физику и
космологию.
В последние десятилетия благосклонное отношение к эволюционным
представлениям начала проявлять химия. Раньше проблема "происхождения
видов" вещества химиков не волновала. Однако ситуация изменилась, когда
концепция Большого взрыва указала на историческую последовательность
появления во Вселенной различных элементов. Ведь в первые мгновения жизни
Вселенной в ней было так горячо, что ни один из компонентов вещества (атомы,
молекулы) не мог существовать. Лишь в конце первых трех минут образовалось
небольшое количество ядерного материала (ядер водорода и гелия), а первые
"нормальные", целые атомы легких элементов возникли через несколько сотен
тысяч лет после взрыва. Звезды первого поколения начинали жизнь с
ограниченным набором легких элементов, из которых в результате синтеза и
образовалось впоследствии все разнообразие таблицы Менделеева. В ней,
возможно, зафиксирована не только структурная упорядоченность химических
элементов, но и история их появления.
Еще более любопытная картина обнаруживается при наложении идеи
эволюции на процесс образования сложных молекулярных соединений.
Привычная нам дарвиновская эволюция показывает непрерывное нарастание
сложности организации растительных и животных организмов (от
одноклеточных до человека) через механизм естественного отбора. Миллионы
видов были отбракованы этим механизмом, остались лишь самые эффективные.
Поразительно, но нечто похожее, по-видимому, происходило и тогда, когда
природа только "готовилась" к порождению жизни. Об этом говорит тот факт,
что из более чем 100 известных химических элементов основу всего живого
составляют только шесть: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их
общая доля в живых организмах составляет 97,4%. Еще 12 элементов дают
примерно 1,6%.
Мир собственно химических соединений не менее диспропорционален.
Ныне известно около 8 млн. химических соединений. 96% из них – это
органические соединения, составленные из все тех же 6-18 элементов. Из всех
остальных химических элементов природа почему-то создала не более чем 500
тыс. неорганических соединений. Столь разительные несоответствия
невозможно объяснить различной распространенностью химических элементов
на Земле или даже в Космосе. Она совсем другая. Потому налицо совершенно
очевидный "отбор" химических элементов, свойства которых (прочность и
энергоемкость образуемых ими химических связей, легкость их
перераспределения и т.п.) "дают преимущество" при переходе на более высокий
уровень сложности и упорядоченности вещества.
Тот же механизм отбора просматривается и на следующем "витке"
эволюции: из многих миллионов органических соединений в построении
биосистем заняты лишь несколько сотен, из 100 известных аминокислот для
составления белковых молекул живых организмов природой использовано
только 20 и т.д. На такого рода факты и опираются представления о
"предбиологической эволюции", т.е. эволюции химических элементов и
соединений. Уже сформулированы первые теории химической эволюции как
саморазвития каталитических систем. Конечно, в этой области еще очень много
неясного, малообоснованного и т.д., но важен сам факт обращения современной
химии в "эволюционную веру".
В XX веке эволюционное учение интенсивно развивалось и в рамках его
прародительницы – биологии. Современный эволюционизм в научных
дисциплинах биологического профиля предстает как многоплановое учение,
ведущее поиск закономерностей и механизмов эволюции сразу на многих
уровнях организации живого: молекулярном, клеточном, организменном,
популяционном и даже биогеоценотическом. Наиболее выдающиеся успехи
достигнуты, конечно, на молекулярно-генетическом уровне: расшифрован
генетический механизм передачи наследуемой информации, выяснены роль и
структура ДНК и РНК, найдены методы определения последовательностей
нуклеотидов в них и т.п. Синтетическая теория эволюции (синтез генетики и
дарвинизма) развела процессы микроэволюции (на уровне популяций) и
макроэволюции (на надвидовых уровнях), установила в качестве элементарной
эволюционной единицы популяцию и пр.
Идея эволюции праздновала успех и в других областях естествознания – в
геологии, например, окончательно утвердилась концепция дрейфа континентов;
а такие науки, как экология, биогеохимия, антропология, были изначально
"эволюционны". Поэтому современное естествознание вправе провозгласить
лозунг: "Все существующее есть результат эволюции!". Укорененность в
нынешней научной картине мира представления о всеобщем характере эволюции
является се главной отличительной чертой.
В биологии концепция эволюции имеет давние устойчивые традиции. А
вот физика и химия к таким идеям только привыкают. Облегчить этот процесс
призвано новое междисциплинарное научное направление, появившееся в 1970-х
годах,– синергетика. Она претендует на то, что способна описать движущие силы
эволюции любых объектов нашего мира.
Синергетика – теория самоорганизации
Появление синергетики в современном естествознании, очевидно,
инициировано, подготовкой глобального эволюционного синтеза всех
естественнонаучных дисциплин. Эту тенденцию в немалой степени сдерживала
разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой
природе. В классической науке XIX века господствовало убеждение, что
материи, изначально
присуща
тенденция
к
разрушению
всякой
упорядоченности, стремление к исходному равновесию, что в энергетическом
смысле и означало неупорядоченность, т.е. хаос. Такой взгляд на вещи
сформировался под воздействием образцовой физической дисциплины –
равновесной термодинамики.
Возникает, правда, любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует
только к хаосу, то как же она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего
упорядоченного состояния? Однако этим вопросом классическая термодинамика
не задавалась, ибо формировалась в эпоху, когда нестационарный характер
Вселенной даже не обсуждался. В это время единственным немым укором
термодинамике служила дарвиновская теория эволюции. Ведь предполагаемый
этой теорией процесс развития растительного и животного мира
характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты
организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от
термодинамического равновесия и хаоса. Такая явная "нестыковка" законов
развития неживой и живой природы по меньшей мере удивляла.
Удивление это многократно возросло после замены модели стационарной
Вселенной на модель развивающейся Вселенной, в которой ясно
просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов
– от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после
Большого взрыва до наблюдаемых ныне звездных и галактических систем. Ведь
если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть
такие сложные структуры? Случайным "возмущением" в целом равновесной
Вселенной их уже не объяснить. Стало ясно, что для сохранения
непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у
материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции.
Материя способна осуществлять работу и против термодинамического
равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.
Стоит отметить, что постулат о способности материи к саморазвитию в
философию был введен достаточно давно. А вот его необходимость в
фундаментальных естественных науках (физике, химии) начинает осознаваться
только сейчас. На волне этих проблем и возникла теория самоорганизации. Ее
разработка началась несколько десятилетий назад, и в настоящее время она
развивается по нескольким направлениям: собственно синергетика (Г. Хакен),
неравновесная термодинамика (И. Пригожин) и др.
Главный мировоззренческий сдвиг, произведенный синергетикой, можно
выразить следующим образом:
а) процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во
Вселенной по меньшей мере равноправны;
б) процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют
единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они
осуществляются.
Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего
универсального механизма самоорганизации как в живой, так и в неживой
природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход
открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным
формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть не
любые системы, а только те, которые удовлетворяют по меньшей мере двум
условиям:
а) они должны быть открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией
с внешней средой;
б) они должны также быть существенно неравновесными, т.е. находиться в
состоянии, далеком от термодинамического равновесия.
Но именно такими являются большинство известных нам систем.
Изолированные системы классической термодинамики – это определенная
идеализация, в реальности такие системы – исключение, а не правило. Сложнее
со всей Вселенной в целом – если считать ее открытой системой, то что же может
служить ее внешней средой? Современная физика полагает, что такой средой для
нашей вещественной Вселенной является вакуум.
Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно
неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и
упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдаются две фазы:
1. Период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми
линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому
неустойчивому критическому состоянию.
2. Выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в
новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.
Синергетика родом из физических дисциплин – термодинамики,
радиофизики. Но ее идеи носят междисциплинарный характер. Они подводят
базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез.
Поэтому в синергетике видят одну из важнейших составляющих современной
научной картины мира.
Общие контуры современной естественнонаучной картины мира
Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем,
развитие которых подчиняется некоторым общим закономерностям. При этом он
имеет свою долгую историю, которая в общих чертах известна современной
науке. Ей известны не только "даты", но во многом и сами механизмы эволюции
Вселенной от Большого взрыва до наших дней. Это – фантастический результат.
Причем наиболее крупные прорывы к тайнам истории Вселенной осуществлены
во второй половине XX века: предложена и обоснована концепция Большого
взрыва, построена кварковая модель атома, установлены типы фундаментальных
взаимодействий и построены первые теории их объединения и т.д. Мы обращаем
внимание в первую очередь на успехи физики и космологии потому, что именно
эти фундаментальные науки формируют общие контуры научной картины мира.
Картина мира, рисуемая современным естествознанием, необыкновенно
сложна и проста одновременно. Сложна потому, что способна поставить в тупик
человека, привыкшего к согласующимся со здравым смыслом классическим
научным представлениям. Идеи начала времени, корпускулярно-волнового
дуализма квантовых объектов, внутренней структуры вакуума, способной
рождать виртуальные частицы,– эти и другие подобные новации придают
нынешней картине мира немножко "безумный" вид. Впрочем, это преходяще:
когда-то ведь и мысль о шарообразности Земли тоже выглядела совершенно
безумной.
Но в то же время эта картина величественно проста, стройна и где-то даже
элегантна. Эти качества ей придают ведущие принципы построения и
организации современного научного знания:
• системность,
• глобальный эволюционизм,
• самоорганизация,
• историчность.
Данные принципы построения научной картины мира в целом
соответствуют фундаментальным закономерностям существования и развития
самой Природы.
Особенно
важно
признание
историчности,
а
следовательно,
принципиальной незавершенности настоящей, да и любой другой научной
картины мира. Та, которая есть сейчас, порождена как предшествующей
историей, так и специфическими социокультурными особенностями нашего
времени. Развитие общества, изменение его ценностных ориентации, осознание
важности исследования уникальных природных систем, в которые составной
частью включен и сам человек, меняет и стратегию научного поиска, и
отношение человека к миру. Но ведь развивается и Вселенная. Конечно, развитие
общества и Вселенной осуществляется в разных темпоритмах. Но их взаимное
наложение делает идею создания окончательной, завершенной, абсолютно
истинной научной картины мира практически неосуществимой.
Современная наука – это наука, связанная с квантово-релятивистской
картиной мира. Почти по всем своим характеристикам она отличается от
классической науки, поэтому современную науку называют неклассической
наукой. Как качественно новое состояние науки она имеет свои особенности:
1. Отказ от признания классической механики в качестве ведущей науки,
замена ее квантово-релятивистскими теориями привели к разрушению
классической модели мира-механизма. Ее сменила модель мира-мысли,
основанная на идеях всеобщей связи, изменчивости и развития.
Механистичность и метафизичность классической науки сменились
новыми диалектическими установками:
· классический механический детерминизм, исключающий элемент
случайного из картины мира, сменился современным вероятностным
детерминизмом, предполагающим вариативность картины мира;
· пассивная роль наблюдателя и экспериментатора в классической науке
сменилась новым деятельностным подходом, признающим непременное
влияние самого исследователя, приборов и условий на проводимый
эксперимент и полученные в ходе него результаты;
· стремление найти конечную материальную первооснову мира
сменилось убеждением в принципиальной невозможности сделать это,
представлением о неисчерпаемости материи вглубь;
· новый подход к пониманию природы познавательной деятельности
основывается на признании активности исследователя, не являющегося
зеркалом действительности, а действенно формирующего ее образ;
· научное знание более не понимается как абсолютно достоверное, но
только как относительно истинное, существующее в множестве теорий,
содержащих элементы объективно-истинного знания, что разрушает
классический идеал точного и строгого (количественно неограниченно
детализируемого) знания, обусловливая неточность и нестрогость
современной науки.
2. Картина постоянно изменяющейся природы преломляется в новых
исследовательских установках:
· отказ от изоляции предмета от окружающих воздействий, что было
свойственно классической науке;
· признание зависимости свойств предмета от конкретной ситуации, в
которой он находится;
· системно-целостная оценка поведения предмета, которое признается
обусловленным как логикой внутреннего изменения, так и формами
взаимодействия с другими предметами;
· динамизм – переход от исследования равновесных структурных
организаций к анализу неравновесных, нестационарных структур, открытых
систем с обратной связью;
· антиэлементаризм – отказ от стремления выделить элементарные
составляющие сложных структур, системный анализ динамически
действующих открытых неравновесных систем.
3. Развитие биосферного класса наук, а также концепции
самоорганизации материи доказывают неслучайность появления Жизни и
Разума во Вселенной; это на новом уровне возвращает нас к проблеме цели и
смысла Вселенной, говорит о запланированном появлении разума, который
полностью проявит себя в будущем.
Кризис современной науки. Постнеклассическая наука
Использование научных открытий для создания новых видов оружия и
особенно создание атомной бомбы заставило человечество пересмотреть свою
прежнюю безоговорочную веру в науку. Кроме того, с середины XX века
современная наука стала получать в свой адрес многочисленные критические
оценки со стороны философов, культурологов, деятелей литературы и
искусства. По их мнению, техника умаляет и дегуманизирует человека,
окружая его сплошь искусственными предметами и приспособлениями; она
отнимает его у живой природы, ввергая в безобразно унифицированный мир,
где цель поглощают средства, где промышленное производство превратило
человека в придаток машины, где решение всех проблем видится в
технических достижениях, а не в человеческом их решении.
Непрекращающаяся гонка технического прогресса, требующая все новых сил
и все новых экономических ресурсов, выбивает человека из колеи, разрывая
природную связь с Землей. Рушатся традиционные устои и ценности. Под
воздействием нескончаемых технических новшеств современная жизнь
меняется с неслыханной быстротой.
К этой критике вскоре присоединились более тревожные конкретные
факты неблагоприятных последствий научных достижений. Опасное
загрязнение воды, воздуха, почвы планеты, вредоносное воздействие на
животную и растительную жизнь, вымирание бесчисленных видов, коренные
нарушения в экосистеме всей планеты – все эти серьезные проблемы,
вставшие перед человеком, заявляли о себе все громче и настойчивей.
Эти факты, которые отчетливо проявляются в современной науке и
мировоззрении, говорят об их кризисе, разрешить который сможет только
новая глобальная мировоззренческая революция, частью которой будет и
новая революция в науке. К концу XX века мир потерял абсолютную веру в
науку, она безвозвратно утратила свой прежний незапятнанный облик, как
оставила и свои прежние заявления о непогрешимости своего знания. Такая же
кризисная ситуация сложилась и в других сферах человеческой культуры.
Поиск путей выхода из этого глобального кризиса еще только идет, черты
будущего
постмодернистского
мировоззрения,
как
и
новой
постнеклассической науки, еще только намечаются.
Нынешнее состояние науки, как и других сфер культуры,
характеризуется понятием "постмодерн" – в противовес модернистским
представлениям – классической и современной науке. По мнению многих
ученых-науковедов, будущая наука будет обладать следующими чертами.
1. Прежде всего, наука должна будет осознать свое место в общей
системе человеческой культуры и мировоззрения. Постмодернизм
принципиально отвергает выделение какой-то одной сферы человеческой
деятельности или одной черты в мировоззрении в качестве ведущей. Все, что
создано человеком, является частью его культуры, важно и нужно для
человека, выполняет свои собственные задачи, но имеет и свои границы
применимости, которые должно осознавать и не переходить. Именно это
должна сделать постнеклассическая наука – осознать пределы своей
эффективности и плодотворности, признать равноправие таких сфер
человеческой деятельности и культуры, как религия, философия, искусство,
признать возможность и результативность нерациональных способов
освоения действительности.
2. Модернистская наука ставила своей целью создание другой картины,
нового образа мира, полученного на основе максимально концептуального
единства, порядка, систематичности, непротиворечивости, тотальности,
незыблемости. Постмодернистская наука больше интересуется образом самой
себя как некоей социокультурной реальности, включает в свой предмет
человека, допуская элементы субъективности в объективно истинном знании.
Это – современная тенденция гуманизации науки. Полученный образ не
является застывшим, окончательным, он ориентирован на непрерывное
обновление, открыт инновациям.
3. Модернистское естествознание и наука – монологические формы
знания: интеллект созерцает вещь и высказывается о ней. В постмодернизме
наблюдатель осознает себя частью исследуемого мира, активно
взаимодействующей с наблюдаемым объектом, познание постнеклассической
науки – диалогично.
4. В основе постмодерна лежит идея глобального эволюционизма –
всеединой,
нелинейной,
самоизменяющейся,
самоорганизующейся,
саморегулирующейся системы, в недрах которой возникают и исчезают
целостности от физических полей и элементарных частиц до биосферы и более
крупных систем. В это понятие также входит идея нелинейности, способности
оказывать обратное воздействие, вариативности развития мира. Этот мир
состоит не из кирпичиков элементарных частиц, а из совокупности процессов
– вихрей, волн, турбулентных движений. Этот мир как бы "пузырится"
бесконечно разнообразными взаимодействующими открытыми системами с
обратной связью. Этот мир – уже не объект, а субъект.
5. Важной чертой постнеклассической науки должна будет стать
комплексность – стирание граней и перегородок между традиционно
обособленными естественными, общественными и техническими науками,
интенсификация
междисциплинарных
исследований,
невозможность
разрешения научных проблем без привлечения данных других наук. Также
научная деятельность связана с революцией в средствах хранения и получения
знаний (компьютеризация науки, использование сложных и дорогостоящих
приборных комплексов, приближающих науку к промышленному
производству), с возрастанием роли математики.
6. Модернистское знание было предпосылкой подготовки субъекта
познания и предпосылкой практической производственной деятельности.
Сегодня знание – предпосылка производства и воспроизводства человека как
субъекта исторического процесса, как личности, как индивидуальности.
Это только отдельные черты будущей постнеклассической науки,
создающейся сейчас, на наших глазах.
Вопросы для самопроверки:
1)
Опишите научную картину мира.
2)
Что такое глобальный эволюционизм?
3)
Что такое самоорганизация?
4)
Назовите особенности современной науки.
Лекция 4. Корпускулярная и континуальная концепции описания
природы
Вопросы для рассмотрения: Понятие корпускулярной концепции.
Понятие континуальной концепции. Четырехмерное пространство. Свойства
пространства и времени.
Одним из наиболее важных вопросов как философии, так и естествознания
является проблема материи. Представления о строении материи нашли свое
выражение в борьбе двух концепций: прерывности (дискретности) материи –
корпускулярная концепция, и непрерывности (континуальности) материи –
континуальная концепция. С ними тесно связаны проблемы взаимодействия
материальных объектов, которые проявляются как концепции близкодействия
(передача действия от точки к точке) и дальнодействия (передача действия без
физической среды).
Корпускулярная
концепция
опирается
на
идеи
Демокрита,
отождествившего пространство с пустотой и приписавшего пустоте
индивидуальное существование. По Демокриту пространство есть то, что
существует само по себе, независимо от материи и является "вместилищем" тел.
Оно может быть заполнено телами, а может быть абсолютно пустым в виде
особого реального объекта. Ньютон в своей механике эту идею развил до четкого
представления об абсолютном пространстве и абсолютном времени, которые не
зависят друг от друга и не связаны с материей. Ньютон разработал концепцию
прерывности. Его подход основывался на признании дальнодействующих сил. В
1672-1676 годах он распространил атомистику на световые явления и создал
корпускулярную теорию света. По своему мировоззрению Ньютон был вторым
после Декарта великим представителем механистического материализма в
естествознании XVII-XVIII веков. Декарт стремился построить общую картину
природы, в которой все явления объяснялись как результат движения больших и
малых частиц, образованных из единой материи. Недостатки механистической
атомистики:
– отсутствие достоверного экспериментального материала;
– атомы рассматривались как частицы, лишенные возможности
превращения;
– единственной формой движения принималось механическое движение.
Сложившиеся к началу XIX века представления о строении материи были
односторонними и не давали возможности объяснить ряд экспериментальных
фактов. Разработанная М. Фарадеем и Дж. Максвеллом в XIX веке теория
электромагнитного поля показала, что признанная концепция не может быть
единственной для объяснения структуры материи. В своих работах М. Фарадей и
Дж. Максвелл показали, что поле – это самостоятельная физическая реальность.
Таким образом, в науке произошла определенная переоценка основополагающих
принципов, в результате которой обоснованное Ньютоном дальнодействие
заменялось близкодействием, а вместо представлений о дискретности
выдвигалась идея непрерывности, получившая свое выражение в
электромагнитных полях, т.е. развитие получила континуальная концепция.
Двойственность описание природы особенно проявляется при
рассмотрении пространственных и временных свойств материи. На
эмпирическом уровне познания мира понятие пространства позволяет описывать
порядок сосуществования материальных объектов по признакам "слева –
справа", "дальше – ближе", "сверху – снизу", "больше по размерам – меньше".
Понятие времени выражает порядок смены событий по признаку "раньше –
позже". Пространство и время органически связаны с материей, не могут
существовать самостоятельно, обособленно от нее. Основы такого взгляда
заложил Аристотель и развил Г. В. Лейбниц (1646-1716). Дальнейшее
углубление этого представления о пространстве и времени осуществил
Эйнштейн в теории относительности.
В современной физике строго доказано, что пространство и время
неразрывно связаны между собой, то есть составляют единое четырехмерное
пространство-время и наш мир, следовательно, четырехмерен. Это
доказательство осуществлено Эйнштейном в рамках специальной теории
относительности. В общей теории относительности установлена количественная
связь геометрических свойств (метрики) пространства-времени с материей.
Вблизи тяготеющих масс пространство-время "искривляется" и уже не является
привычным для нас используемым в классической физике (так называемым
эвклидовым). Это представление о четырехмерном пространстве-времени
эффективно "работает" в масштабах от размеров видимой Вселенной до
размеров элементарных частиц.
Итак, по современным представлениям наш реальный мир четырехмерен:
три измерения являются пространственными и одно – временным. Строго
показано, что если бы наше геометрическое пространство имело больше 3-х
измерений, то планеты, движущиеся вблизи Солнца, и электроны, движущиеся
вблизи ядер атомов, не могли бы образовывать устойчивые планетарные и
атомные системы. Тем не менее, современные теории, правильно отражающие
закономерности в глубоком микромире и ранние стадии эволюции Вселенной,
вынуждены оперировать многомерными пространствами. Однако "избыточные"
измерения, сыграв свою роль при объяснении тех или иных свойств материи или
определенных этапов ее эволюции, неизбежно выпадают из игры.
Установлено,
что
пространство
и
время
обладают
тремя
фундаментальными свойствами (тремя видами симметрии): время однородно, а
пространство однородно и изотропно. Изотропность пространства означает, что
в любых направлениях его свойства абсолютно одинаковы, то есть пространство
обладает симметрией относительно операции поворота. Однородность
пространства (симметрия относительно операции сдвига, перемещения) означает
абсолютную одинаковость свойств пространства в различных его точках.
Аналогичная симметрия времени относительно "сдвига" (выбора момента начала
отсчета времени) отражает одинаковость его свойств в прошлом, настоящем и
будущем. Перечисленные свойства пространства и времени физически
проявляются в одинаковости законов Природы, в различных направлениях во
Вселенной, в различных ее местах и в различные моменты времени.
В соответствии с достижениями квантовой физики основополагающим
понятием современного атомизма является понятие элементарной частицы, но
им присущи такие свойства, которые не имели ничего общего с атомизмом
древности, в частности, дуализм свойств. В 1900 г. М. Планк показал, что энергия
излучения или поглощения электромагнитных волн не может иметь
произвольные значения, а кратна энергии кванта, т.е. волновой процесс
приобретает окраску дискретности. Идея Планка о дискретной природе света
получили свое подтверждение в области фотоэффекта. Де Бройль открыл
примерно в это же время у частиц волновые свойства (дифракция электрона).
Таким образом, частицы неотделимы от создаваемых ими полей, и каждое поле
вносит свой вклад в структуру частиц, обуславливая их свойства. В этой
неразрывной связи частиц и полей можно видеть одно из наиболее важных
проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи. Для
характеристики прерывного и непрерывного в структуре материи следует также
упомянуть единство корпускулярных и волновых свойств всех частиц и фотонов.
Единство корпускулярных и волновых свойств материальных объектов
представляет собой одно из фундаментальных противоречий современной
физики и конкретизируется в процессе дальнейшего познания микроявлений.
Изучение процессов макромира показали, что прерывность и непрерывность
существуют в виде единого взаимосвязанного процесса. При определенных
условиях макромира микрообъект может трансформироваться в частицу или
поле и проявлять соответствующие им свойства.
Вся обстановка в науке в начале XX века складывалась так, что
представления о дискретности и непрерывности материи получили свое четкое
выражение в двух видах материи: веществе и поле, различие между которыми
явно фиксировалось на уровне явлений микромира. Однако дальнейшее развитие
науки показало, что такое противопоставление является весьма условным. Было
показано, что материя проявляет как непрерывные, так и корпускулярные
свойства. Необходимо добавить, что представление о дискретности
пространства-времени в современном естествознании все-таки существует, но
оно применяется только в связи с объяснением самых ранних этапов эволюции
Вселенной.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое корпускулярная концепция?
2)
Что такое континуальная концепция?
3)
Расскажите о четырехмерном пространстве.
4)
Назовите свойства пространства и времени.
Лекция 5. Порядок и беспорядок в природе, хаос
Вопросы для рассмотрения: Понятие порядка. Понятие хаоса.
Происхождение космоса.
Здесь необходимо остановиться на терминологии. Что такое порядок и
беспорядок, хаос? Порядок – регулярное (периодическое) расположение частиц,
объектов, предметов по всему занимаемому пространству (объему);
последовательный ход чего-нибудь; правила, по которым совершается
что-нибудь; числовая характеристика той или иной величины. Это исходное
понятие теории систем, означающее определенное расположение элементов или
их последовательность во времени. Хаос (греч.) – полный беспорядок,
нарушение последовательности, стройности, неразбериха, неопределенное
состояние вещества. В физику понятие хаоса ввели Больцман и Гиббс.
Многие считают, что эти понятия не имеют отношения к реальной картине
Мира и придают им оценочное (эмоциальное) значение. Относительность этих
понятий очевидна. Ночью, взглянув на небо, мы видим хаос из блестящих точек.
Но, взглянув на небо в телескоп, мы понимаем, что там есть порядок в виде
звездных систем, галактик и т.д. По мнению древних греков, космос
характеризовался такими словами, как порядок, гармония, красота, и выполнял
две функции – упорядочивающую и эстетическую, т.е. имел структурную
организацию и одухотворенность. Происхождение космоса – акт творения его из
беспорядка (хаоса), представлялся как процесс "лепки", совершаемой
божественным умом. Философ Анаксагор писал: "Все вещи были вперемешку,
бесконечные по множеству и по малости, так как и малость была бесконечной. И
пока все было вперемешку, ничто не было ясно различимо: все обнимал аэр
(туман) и эфир, оба бесконечные. Ибо изо всех тел, которые содержатся во
Вселенной, эти два самые большие и по малости и по величине. Ум же есть нечто
неограниченное и самовластное и не смешан ни с одной вещью, но единственный
сам по себе... И совокупным круговращением мира правит ум, так что благодаря
ему круговращение вообще началось".
Современное представление наделяет хаос неопределенностями,
движением в форме несогласованных изменений (флуктуаций) любых
количественных характеристик, вводит формальные понятия связанных
степеней свободы, где под степенями свободы понимается количество
независимых параметров движения, параметров состояния. В хаотическом
состоянии не образуется устойчивых во времени структур, отсутствуют
согласованные направленные процессы.
Категорией противоположной хаосу является антихаос, или порядок. Под
порядком сегодня понимают наличие в системах устойчивых движений,
существование
"закономерности",
"запоминаемость"
определенных
конфигураций. Одним из основных признаков упорядоченного состояния
является уменьшенное по сравнению с хаотическим числом параметров,
определяющих это состояние, наличие связей в системе и согласований между
параметрами. С точки зрения кодирования, порядок требует меньшего
количества символов для записи состояния, чем беспорядок.
В греческой мифологии слово chaos означало первобытное состояние
мира, из которого образовался космос – мир, мыслимый как упорядоченное
единство. Оппозиция хаос-космос аналогична диадам тьма-свет, земля-небо,
натура-культура. В современном представлении хаос – беспорядочное,
бесформенное, неопределённое состояние вещей, так что антитезой хаосу
обычно является порядок, причём хаос – это бесструктурность, неустойчивость,
стихийность; порядок – это структурность, устойчивость, организованность.
Отчётливо напрашивается вывод, что хаос – это плохо, а порядок – это хорошо.
Однако, как сказал Антуан де Сент-Экзюпери, "Жизнь создаёт порядок.
Порядок же бессилен создать жизнь". А Поль Валери ещё в 1919 г.
предупреждал: "Две опасности не перестанут угрожать миру: порядок и
беспорядок". Абсолютный порядок и абсолютный хаос одинаково грозят
гибелью. Выходит, что при всём стремлении к упорядочению какая-то доля хаоса
для жизни необходима.
Жизнь течёт неравномерно. Спокойные периоды сменяются
напряжёнными критическими состояниями, когда решается, каким будет
дальнейший путь. В такие моменты определяющую роль играет не порядок, а
хаос. И без этой неупорядоченной, неконтролируемой, случайной компоненты
были бы невозможны качественные изменения, переходы в существенно новые
состояния.
По существу порядок и хаос это лишь крайние состояния одного и того же
явления – состояние эволюционирующей материи, которая беспрерывно и
направлено самоорганизуется. Сама эволюция носит сложный характер и не
является ни полностью упорядоченным, ни полностью разупорядоченным
процессом. В этом смысле она как бы подчиняется законам гармонии между
порядком и хаосом, смысл которых отражает понятие "золотого сечения",
введенного много веков назад Птолемеем для обозначения пропорциональности
правильного телосложения.
Так проявляется конструктивная роль хаоса. Е. Н.Князева, раскрывая
синергетическое представление о хаосе, пишет:
1) хаос необходим для выхода системы на один из аттракторов;
2) хаос лежит в основе механизма объединения простых структур в
сложные путём синхронизации темпов развития;
3) хаос – механизм переключения режимов, средство борьбы со смертью.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое порядок?
2)
Что такое хаос?
3)
Расскажите о происхождении космоса.
Лекция 6. Структурные уровни организации материи
Вопросы для рассмотрения: Понятие системы. Понятие элемента. Типы
связи между элементами системы. Свойства системы. Классы материальных
систем.
В современной науке в основе представлений о строении материального
мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального
мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как
сложное образование, включающее составные части, организованные в
целостность. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано
понятие системы.
Система представляет собой совокупность элементов и связей между
ними. Понятие "элемент" означает минимальный, далее уже неделимый
компонент в рамках системы. Элемент является таковым лишь по отношению к
данной системе, в других же отношениях он сам может представлять сложную
систему. Совокупность связей между элементами образует структуру системы.
Устойчивые связи элементов определяют упорядоченность системы.
Существуют два типа связей между элементами системы – по "горизонтали" и по
"вертикали". Связи по "горизонтали" – это связи координации между
однопорядковыми элементами. Они носят коррелирующий характер: ни одна
часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились другие части.
Связи по "вертикали" – это связи субординации, т.е. соподчинения элементов.
Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей
значимости могут уступать другим и подчиняться им. Вертикальная структура
включает уровни организации системы, а также их иерархию.
Исходным пунктом всякого системного исследования является
представление о целостности изучаемой системы. Целостность системы
означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное
целое, обладающее новыми интегративными свойствами. Свойства системы – не
просто сумма свойств ее элементов, а нечто новое, присущее только системе в
целом. Рассмотрим для примера молекулу воды Н2O. Сам по себе водород, два
атома которого образуют данную систему, горит, а кислород (в систему входит
один атом) поддерживает горение. Система, образованная из этих элементов,
вызвала к жизни совсем иное, интегративное свойство: вода гасит огонь.
Наличие свойств, присущих системе в целом, но не ее частям, определяется
взаимодействием элементов.
Таким образом, на каждом структурном уровне материи существуют
особые (эмерджентные) свойства, отсутствующие на других уровнях. Внутри
каждого из структурных уровней существуют отношения субординации,
например, молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот. Всякая
высшая форма возникает на основе низшей, включает ее в себя в снятом виде.
Это означает, по существу, что специфика высших форм может быть познана
только на основе анализа структур низших форм. И наоборот, сущность формы
низшего порядка может быть познана только на основе содержания высшей по
отношению к ней формы материи.
В естественных науках выделяются два больших класса материальных
систем: системы неживой природы и системы живой природы. В неживой
природе структурными уровнями организации материи являются:
· вакуум (поля с минимальной энергией);
· поля и элементарные частицы;
· атомы;
· молекулы;
· макроскопические тела;
· планеты и планетные системы;
· звезды и звездные системы;
· галактики;
· метагалактика (наблюдаемая часть Вселенной);
· Вселенная.
В живой природе выделяют два важнейших структурных уровня
организации материи – биологический и социальный. Биологический уровень
включает:
· доклеточный уровень (белки и нуклеиновые кислоты);
· клетку как "кирпичик" живого и одноклеточные организмы;
· многоклеточный организм, его органы и ткани;
· популяцию – совокупность особей одного вида, занимающих
определенную территорию, свободно скрещивающихся между собой и частично
или полностью изолированных от других групп своего вида;
· биоценоз – совокупность популяций, при которой продукты
жизнедеятельности одних являются условиями существования других
организмов, населяющих определенный участок суши или воды;
· биосферу – живое вещество планеты (совокупность всех живых
организмов, включая человека).
На определенном этапе развития жизни на Земле возник разум, благодаря
которому появился социальный структурный уровень материи. На этом уровне
выделяются: индивид, семья, коллектив, социальная группа, класс и нация,
государство, цивилизация, человечество в целом.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое система?
2)
Что такое элемент?
Назовите типы связей между элементами.
Назовите свойства системы.
Какие классы материальных систем вы знаете?
Лекция 7. . Микро-, макро- и мегамиры
Вопросы для рассмотрения: Понятие микромира. Понятие макромира.
Понятие мегамира. Физический вакуум. Квантовая механика. Атомы. Молекулы.
Микроскопические тела. Макроскопические тела. Космические тела. Планетные
системы. Звездные скопления. Галактики. Скопления и группы галактик.
Сверхскопления галактик. Метагалактика. Вселенная.
В материальном мире существует иерархия структур различного
масштаба и размерности. Для наглядности их можно выстроить в виде некой
структурно-масштабной последовательности (таблица). При этом надо
понимать, что это построение качественное, а не количественное, так как все эти
элементы существуют лишь совместно и одновременно в едином Мире.
Наибольший и наименьший масштабы объектов материального мира
различаются приблизительно в 1040 раз, то есть на 40 порядков.
В естествознании принято выделять:
· микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых
микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10 -8 до
10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 секунды;
· макромир – мир макрообъектов, соизмеримых с человеком и его опытом.
Пространственные величины макрообъектов выражаются в миллиметрах,
сантиметрах и километрах (10-6–107 см), а время – в секундах, минутах, часах,
годах, веках;
· мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей,
расстояния в котором измеряются астрономическими единицами, световыми
годами и парсеками (до 1028 см), а время существования космических объектов –
миллионами и миллиардами лет.
Физический вакуум
Если начать с минимума, то весь материальный мир, прежде всего,
представлен особой структурой – физическим вакуумом. Концепция
физического вакуума является одной из краеугольных концепций современного
естествознания. В соответствии с ней вакуум (лат. vacuum – пустота) – это не
абсолютная пустота и не пространство без материи. Вакуум – своеобразный
физический объект, в котором непрерывно происходят процессы рождения и
уничтожения частиц. Как сами по себе могут рождаться частицы? Не
противоречит ли это закону сохранения массы и энергии? Здесь необходимо
отметить одно удивительное свойство микромира. Взаимодействия,
происходящие в течение короткого промежутка времени, сопровождаются
изменением энергии системы. Закон сохранения энергии незыблем, но энергия
системы может изменяться на малую величину. Эта порция энергии, может
"материализоваться" как угодно – может появиться фотон или родиться
3)
4)
5)
какая-нибудь частица. Спустя короткое время они исчезают. Такие частицы
получили название виртуальных. Представление о виртуальных частицах
радикально изменило привычные понятия о пустоте. В вакууме непрерывно
рождаются и исчезают частицы, он как бы "кипит". Ситуация из статической,
мертвой, превратилась в динамическую, а пустота получила название
физического вакуума.
Квантовая механика (мир элементарных частиц)
Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ
описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов,
молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов), а также связь
величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами,
непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики
составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить
строение атомов, установить природу химической связи, объяснить
периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать
свойства элементарных частиц.
Квантовая механика как область знания о свойствах микромира выделяет в
нем три основные особенности:
· корпускулярно-волновой дуализм, т.е. двойственную природу вещества и
поля, всех объектов и явлений в микромире;
· дискретный, порционный характер всех параметров объектов и
протекающих процессов микромира;
· вероятностный, статистический смысл любых расчетов, утверждений и
выводов о поведении элементарных частиц в микромире.
Потребность в объяснении вещественной составляющей Вселенной
привела в 1964 г. к формулированию так называемой кварковой модели строения
вещества.
Атомы
Атомом называют часть вещества микроскопических размеров и массы,
мельчайшую частицу химического элемента, сохраняющую его свойства. Атомы
состоят из элементарных частиц и имеют сложную внутреннюю структуру. В
центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором
сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра движутся электроны,
образующие электронные оболочки, размеры которых (10-8 см) определяют
размеры атома. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число электронов в
атоме равно числу протонов в ядре (заряд всех электронов атома равен заряду
ядра), число протонов равно порядковому номеру элемента в Периодической
таблице элементов. Атомы могут присоединять или отдавать электроны,
становясь отрицательно или положительно заряженными ионами. Химические
свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней
оболочке. Согласно концепции Бора в любой атомной системе, независимо от
вида химического элемента, действуют следующие постулаты:
1. Существуют стационарные квантовые состояния, находясь в которых
атомная система, не испытывающая внешних воздействий, не изменяется с
течением времени.
2. Электроны в стационарном состоянии атомной системы существуют в
энергетических слоях, имея дискретные значения своей энергии.
3. Переход электронов из одного энергетического слоя в другой
сопровождается поглощением или выделением квантов энергии.
В настоящее время большое внимание уделяется таким проявлениям
микромира, как внутриатомные (ядерные) реакции и радиоактивность.
Молекулы
Соединяясь химически, атомы образуют молекулы. Размеры и массы
молекул изменяются в очень широком диапазоне от простейших двухатомных
молекул (Н2, O2, N2 и т.д.) до сложных полимерных макромолекул с
молекулярным весом в сотни тысяч атомных единиц массы и длиной,
достигающей долей миллиметра. К важнейшим макромолекулам относятся
молекулы ДНК и РНК. Теория строения атома объясняет механизм образования
молекул, основанный на различных видах химической взаимосвязи,
важнейшими из которых являются ионная (электровалентная), ковалентная
(атомная), координационная и водородная связь.
Микроскопические тела
Объединения молекул в более крупные структуры обычно называют
микроскопическими телами. К таким надмолекулярным структурам в частности
может быть отнесена в частности клетка живого организма и ее составные части
(ядро, ген, рибосома и т. п.).
Макроскопические тела
Размеры большей части предметов, с которыми мы имеем
непосредственное взаимодействие (макромир), сопоставимы с размерами
человеческого тела. Они состоят из большого числа молекул, объединенных в
определенную макроскопическую структуру. Разумеется, сам человек также
относится к категории макроскопических тел Непосредственное восприятие
человеком расстояний и размеров возможно в диапазоне от 0,1 мм до
приблизительно 100 км. В основном движение макроскопических тел
подчиняется законам классической механики, а их основные свойства
описываются законами других разделов классической физики.
В то же время свойства макроскопических тел во многом определяются
движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят. Поэтому законы
квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических
явлений. Квантовая механика позволила объяснить температурную зависимость
теплоемкостей газов и твердых тел и вычислить их значения, определить
строение и понять многие свойства твердых тел (металлов, диэлектриков,
полупроводников), последовательно объяснить такие явления, как
ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость.
Одним из удивительных следствий единства окружающего физического
мира является трансляция (передача) свойств, характерных для структурного
уровня микромира, в виде целого ряда макроэффектов.
Космические тела
Звезды, планеты, кометы, астероиды и малые планеты в отдельности
условно могут быть названы космическими телами. Размеры нормальных звезд
варьируются от размеров Солнца (или немного меньших) до огромных размеров
звезд-сверхгигантов, т.е. от 108 до 1011 м, а минимальный – размерами малых
планет, кометных ядер и черных дыр (~ 10 км).
Звезда – основная структурная единица мегамира. Структуры большого
масштаба, рассмотренные выше, состоят из звезд. Видимое излучение,
приходящее от звездных скоплений, – это суммарное излучение звезд. Звезды –
природные термоядерные реакторы, в которых происходит химическая
эволюция вещества, переработка его на ядерном уровне. Астрономам известно
много различных типов звезд. Одна и та же звезда в зависимости от массы и
возраста проходит различные эволюционные фазы, переходит из одного типа в
другой. Все звезды можно разделить на две большие категории: обыкновенные
звезды ("нормальные звезды") и компактные звезды. К последнему классу
относятся белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, т.е. конечные
продукты звездной эволюции.
Планетные системы
Обычно, когда мы говорим о планетной системе, мы подразумеваем нашу
Солнечную систему. В то же время есть весомые косвенные свидетельства в
пользу существования других планетных систем. В некоторых случаях можно
оценить массы планет, входящих в эти системы. Известны объекты,
представляющие собой планетные системы в стадии формирования –
протозвезды с протопланетными дисками. Все же в настоящее время
определенно известна только одна планетная система – наша Солнечная система.
Ее размер можно определить как диаметр орбиты Плутона: ~ 1013 м.
Звездные скопления
Скопления звезд бывают двух типов: шаровые и рассеянные. В нашей
Галактике около 500 шаровых скоплений и примерно 20 тысяч рассеянных.
Шаровые скопления – самые старые образования в Галактике, своего рода
реликты. Типичный возраст шарового скопления – около 10-12 млрд. лет.
Шаровые скопления – массивные объекты правильной сферической формы,
содержащие сотни тысяч и даже миллионы звезд. Их массы варьируются в
широких пределах от 105 до 107 масс Солнца. Размеры шаровых скоплений –
около 100 пс. Рассеянные звездные скопления можно найти в любой части неба,
но больше всего их вблизи Млечного Пути. Они содержат десятки, сотни, а
наиболее крупные – тысячи звезд. Среди рассеянных скоплений встречаются как
сравнительно старые, с возрастом несколько миллиардов лет, так и очень
молодые. Пример сравнительно молодого скопления – Плеяды: его возраст
оценивается в 60 млн. лет. Невооруженному глазу доступны 6-7 звезд. В
действительности в этом скоплении насчитывается несколько сотен звезд.
Почему в Галактике существуют звездные скопления? Может быть, звезды
постепенно сближаются, начинают образовывать пары, тройки, затем группы
звезд, а потом уже целые скопления? Или процесс идет в обратном направлении
– звезды сразу рождаются "гнездами" (скоплениями), а потом постепенно эти
скопления "рассасываются", распадаются? В настоящее время установлено, что в
природе реализуется второй вариант. Звезды рождаются не поодиночке, а
группами из массивных газопылевых облаков.
Галактики
Галактики – звездные системы, звездные острова – разнообразны по форме
и размерам. Свечение галактик обусловлено свечением звезд – многих
миллиардов звезд, входящих в их состав. Еще в галактиках есть газ (главным
образом, водород и гелий) и пыль. Количество газа и пыли в галактиках обычно
невелико. Масса газа и пыли, как правило, составляет несколько процентов от
суммарной массы звезд. Суммарная масса звезд, газа и пыли в свою очередь
составляет 1/10 долю от полной массы галактик; 9/10 вещества галактик
находится в скрытой, невидимой форме. Загадочная "скрытая масса" содержится
в гигантских гало (оболочках) галактик в виде слабосветящегося газа, в форме
многочисленных так никогда и не загоревшихся звезд (коричневых карликов) и
темных планет.
Существуют методы определения масс галактик. С их помощью
установлено, что массы большинства галактик изменяются в пределах от 10 9 до
1012 масс Солнца. Полная масса нашей Галактики (с учетом скрытой массы),
по-видимому, приближается к верхнему из указанных пределов.
Размеры галактик (их видимой части) обычно находятся в пределах от 1 до
100 кпс. Большинство галактик выглядят как гигантские спирали, среди них
туманность Андромеды, туманность Треугольника и наша Галактика
(разумеется, последнюю, в отличие от других галактик, никто не видел со
стороны). Примерно четверть всех известных галактик имеют круглую или
эллиптическую форму. Третий тип галактик – галактики, имеющие
неправильную асимметричную форму, неправильные (irregular) галактики.
У многих галактик в центральной части имеется яркое плотное ядро. Ядра
галактик состоят в основном из звезд (как и ядро нашей Галактики), но в
некоторых ядрах, в самом их центре, происходит колоссальное выделение
энергии, которое нельзя объяснить излучением или взрывами обычных звезд.
Такие галактики получили название галактик с активными ядрами.
В 1963 г. были обнаружены объекты, подобные активным ядрам галактик.
Это квазизвездные (то есть похожие на звезды) объекты – квазары. Квазары –
самые далекие объекты, наблюдаемые во Вселенной. Некоторые из них
находятся на расстояниях, когда обычные галактики уже нельзя обнаружить.
Самый далекий из известных квазаров находится на расстоянии 14 млрд.
световых лет. По-видимому, квазары – это ядра далеких галактик, находящиеся в
состоянии очень высокой активности. Сейчас нам известно около 14 тыс.
квазаров. Астрономические наблюдения – как машина времени: заглядывая
дальше в глубины Вселенной, мы заглядываем глубже в прошлое. Глядя сегодня
на звезду α-Центавра, мы видим ее такой, какой она была 4 года и 4 месяца тому
назад – столько времени идет от нее свет. Туманность Андромеды находится на
расстоянии 2 млн. световых лет, следовательно, мы сегодня наблюдаем в ней
процессы, реально происходившие 2 млн. лет тому назад. Квазары удалены от
нас на расстояния более 1 млрд. световых лет. По-видимому, именно они
"населяли" Вселенную несколько миллиардов лет тому назад, а потом
"вымерли", как динозавры. Их давно нет, а мы их наблюдаем!
Скопления и группы галактик
Скопления галактик имеют почти сферическую форму, в них насчитывают
сотни и тысячи галактик. Ближайшее к нам крупное скопление галактик
находится в созвездии Девы (Virgo), в него входят 3000 галактик. Характерные
размеры скоплений галактик – от 1 до 3 Мпс.
Известны также малочисленные группы галактик. Примером может
служить так называемая Местная группа галактик. В нее входят две большие
спиральные галактики – наша Галактика и туманность Андромеды, а также ряд
галактик меньших размеров. Кроме того, каждая главная спиральная галактика
имеет по несколько галактик-спутников. У туманности Андромеды имеется пять
больших и пять маленьких спутников. У нашей Галактики крупнейшими
спутниками являются Большое и Малое Магеллановы Облака. Кроме того, у нее
целая "свита" карликовых галактик (по крайней мере 14 штук). Всего в Местной
группе галактик насчитывается 38 галактик. На расстоянии 3 Мпс от нас в
созвездии Гончих Псов находится другая группа из 34 галактик. Всего сейчас
известно несколько десятков подобных групп галактик. Типичные размеры – от
0,1 до 1 Мпс.
Сверхскопления галактик
Современные подсчеты галактик оперируют миллионами объектов.
"Глубокие" обзоры неба, позволяющие фиксировать предельно слабые объекты,
дают еще большее число галактик: до полумиллиона галактик на маленькой
площадке 1° × 1° (один квадратный градус) на небе насчитали сотрудники
обсерватории Китт Пик в США.
Галактики расположены на небе и равномерно, и неравномерно. Если
говорить о масштабе в несколько квадратных градусов, то распределение
галактик на небе оказывается на удивление равномерным. Но если
присмотреться внимательно, то видно, что есть сгущения и есть пустоты. Но
может быть эти сгущения только кажущиеся? Бывает, что одна галактика
расположена гораздо дальше другой, а нам кажется, что на небе они находятся по
соседству. Как же действительно расположены галактики в пространстве? Зная
расстояния до нескольких тысяч галактик, астрономы построили
пространственную модель. Каждая галактика моделировалась пластмассовым
шариком, который подвешивали в большой комнате на большом расстоянии от
фиксированного центра (наша Галактика). В построенных таким образом
моделях четко проступала пространственная структура распределения галактик.
Оказалось, что они образуют ячейки типа пчелиных сот. Вдоль стенок этих ячеек
расположены галактики, а внутри пустоты (так называемые "войды" – от англ.
void – пустота). Понятно, что больше всего галактик можно насчитать не в
стенках ячеек, а в узлах, где пересекаются стенки. Такие сверхскопления
насчитывают до десятка тысяч отдельных галактик.
Необходимо еще раз подчеркнуть, что в очень большом масштабе (больше
масштаба ячеек) распределение вещества оказывается совершенно
равномерным. То есть если взять в разных местах Вселенной два гигантских куба
с ребрами в 100 млн. световых лет и определить количество содержащегося в
каждом из них вещества, то результат будет одинаковым. Разделив полную массу
на объем куба, мы получим среднюю плотность вещества во Вселенной 3 ∙ 10-27 ÷
10-26 кг/м3.
Метагалактика
Метагалактикой называется доступная наблюдениям часть Вселенной. Но
наблюдать можно по-разному: невооруженным глазом, в бинокль, в 6-метровый
телескоп. И каждый раз нашим наблюдениям будет доступна разная часть
Вселенной. Что же мы имеем в виду, когда говорим "Метагалактика"? В
определении речь идет о части Вселенной, в принципе доступной наблюдениям.
Чтобы это пояснить, введем понятие космологического горизонта. Современная
космология, основанная на теории относительности Эйнштейна, определяет
возраст Вселенной в 13-15 млрд. лет. Никаких галактик, квазаров до этого не
существовало. Все они возникли позже. Предположим, что на расстоянии 20
млрд. световых лет находится галактика Икс, которая образовалась, скажем, 12
млрд. лет тому назад. Можем ли мы увидеть ее сейчас? Нет, поскольку первые
лучи, извещающие о рождении этой галактики, еще в пути, они находятся на
расстоянии 20 - 12 = 8 млрд. световых лет от нас.
Космологический горизонт находится на расстоянии, которое свет прошел
за время, равное возрасту Вселенной. Если Вселенная возникла 15 млрд. лет тому
назад, то космологический горизонт находится на расстоянии 15 млрд. световых
лет. Если возраст Вселенной 13 млрд. лет, горизонт удален от нас на 13 млрд.
световых лет. Космологический горизонт окружает нас со всех сторон. Свет из-за
горизонта к нам не доходит. То есть он когда-нибудь дойдет, он в пути, но нужно
время, чтобы он достиг нас. Со временем свет приходит к нам от все более и
более далеких объектов.
Космологический горизонт – граница Метагалактики – находится очень
далеко от нас. Мы не знаем точно возраст Вселенной, поэтому не знаем точно и
расстояние до горизонта. Правда, мы совершенно точно знаем, что горизонт
отступает со скоростью света – на 300000 км каждую секунду.
Вселенная
История понимания сущности Вселенной имеет давние исторические
корни и изучается до сих пор. Надо понимать, что термин "Вселенная" скорее
философское, а не масштабно-пространственное понятие. Определенные
экспериментальные подтверждения получила гипотеза о том, что во Вселенной
существует так называемая "темная материя" и что именно она составляет
бóльшую часть ее массы (более 95%). Галактики, звезды, планеты в этом случае –
лишь декорация на монументальном основании – "темной материи",
цементирующей Вселенную. Существованием "темной материи" объясняется
тот факт, что звезды, находящиеся на периферии Млечного Пути, не разлетаются
под действием центробежных сил, возникающих из-за вращения с огромной
скоростью вокруг центра нашей Галактики. "Темная материя", выступая как
основной источник сил притяжения, позволяет сохранить Млечному Пути свою
форму.
По современным данным, иерархия во Вселенной имеет следующий вид.
Планеты обращаются вокруг звезд, звезды составляют галактики, имеющие
собственную структуру – ядра, рукава, перемычки. Галактики во Вселенной
образуют скопления галактик. Расстояния между скоплениями еще большие, чем
между галактиками. Скопления галактик образуют "блины", разделенные
расстояниями в десятки миллионов световых лет. Из таких "блинов",
выстроенных пунктиром, образованы цепочки, составляющие структуры
наподобие сотов. Скопления галактик располагаются как бы в стенках сот по
окраинам сравнительно пустых областей, получивших название "войды". По
последним данным, ячейки сот образуют сверхсоты, размеры ячеек которых
составляют миллиарды световых лет. Выходит, что Вселенная имеет
фрактальную структуру, которая предполагает зависимость масштаба структуры
от размеров области, то есть чем большую область мы исследуем, тем большего
масштаба структуры в ней можно обнаружить. Таким образом, понятие
"Вселенная" очень близко понятиям бесконечность, вечность.
Для решения космологических и космогонических проблем используют
два основных подхода:
1. наблюдательный: сравнивая характеристики небесных тел, находящихся
в разных стадиях развития, можно установить, в какой последовательности эти
стадии сменяли друг друга;
2. теоретический: исходя из общих законов физики, можно определить,
какие именно условия должны были существовать в прошлом, чтобы небесное
тело приобрело именно те характеристики, которыми оно обладает сейчас, какой
путь развития оно прошло.
При изучении эволюции Вселенной в целом возможен только
теоретический подход.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое микромир?
2)
Что такое макромир?
3)
Что такое мегамир?
4)
Расскажите о физическом вакууме.
5)
Что вы знаете о квантовой физике?
6)
Что вы знаете об атомах, молекулах?
7)
Какие космические тела вы знаете?
8)
Назовите группы галактик.
9)
Расскажите о Вселенной.
Лекция 8. Пространство и время
Вопросы для рассмотрения: Понятие пространства. Понятие о времени.
Свойства пространства и времени. Обратимость пространства и времени.
Статистическая концепция времени. Динамическая концепция времени. Виды
пространства и времени.
Для обыденных житейских представлений пространство и время – нечто
привычное, известное и очевидное. С самых первых дней после своего появления
на свет человек начинает осознавать, что существуют разные направления в
окружающем его мире. Вначале – это верх и низ, правая и левая сторона. Позже
осознается факт, что любой предмет занимает определенное место относительно
других объектов, граничит с ними. Так постепенно, через осознание предельно
общих свойств, отражающих структурную организацию окружающего нас мира,
на основе наблюдений и практического использования объектов, их объема и
протяженности складывается понятие пространства.
Понятие о времени также складывается еще в детском возрасте, но позже,
чем представление о пространстве. Сначала ребенок начинает замечать смену
дня и ночи. Несколько позже становится понятным деление суток на утро, день,
вечер и ночь. Тогда же появляется представление о течении времени, о
существовании сегодняшнего, вчерашнего и завтрашнего дней. Еще позже
осознается возможность выделения как более коротких (час, минута, секунда),
так и более длинных промежутков времени (месяц, год). Представление о
времени складывается на основе восприятия человеком смены событий,
состояний предметов и круговорота различных процессов.
Достаточно быстро человек осознает, что пространство и время очень
тесно взаимосвязаны друг с другом. Ведь время можно характеризовать мерами
пространства – расстоянием, а расстояние – мерами времени. Так, время можно
измерять относительным положением стрелок на циферблате часов, расстояние –
временем, которое потребуется на дорогу до какого-либо объекта (пять минут
ходьбы от метро).
В современной математике пространство определяют как множество
каких-либо объектов, которые называют его точками. Ими могут быть
геометрические фигуры, функции, состояния физической системы и т.д.
Рассматривая их множество как пространство, отвлекаются от всяких их свойств
и учитывают только те свойства их совокупности, которые определяются
принятыми во внимание или введенными (по определению) отношениями. Эти
отношения между точками и теми или иными фигурами, то есть множествами
точек, определяют "геометрию пространства".
Поскольку пространство и время неотделимы от материи, то правильнее
было бы говорить о пространственно-временных свойствах. Но при познании
пространства и времени люди часто абстрагируются от их материального
содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. В таком случае
выделяют:
· всеобщие свойства пространства и времени – к ним относятся такие
пространственно-временные характеристики, которые проявляются на всех
структурных уровнях материи, неразрывно связаны с другими ее атрибутами;
· общие свойства пространства и общие свойства времени – они обычно
выделяются в научных и учебных целях;
· специфические (локальные) свойства пространства и времени – они
проявляются лишь на некоторых структурных уровнях, присущи только
некоторым классам явлений.
Чаще всего обсуждают проблему обратимости пространства-времени.
Обратимость пространства и времени – свойство, тесно связанное с
симметрией. В каждую точку пространства можно возвращаться снова и снова. В
этом отношении пространство является как бы обратимым. Что касается
времени, то обычно подчеркивается его необратимость, означающая
однонаправленное изменение от прошлого к будущему: нельзя возвратиться
назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-либо
временной промежуток в будущее. Отсюда делается вывод, что время составляет
как бы рамки для причинно-следственных связей.
Решение проблемы обратимости предполагает рассмотрение двух
противоположных концепций – статической и динамической. Согласно
статической концепции времени, события прошлого, настоящего и будущего
существуют одновременно. Кроме того, все физические законы инвариантны
относительно замены знака времени, поскольку время в уравнениях движения
классической и квантовой механики берется в квадрате. Это наводит на мысль,
что все физические процессы могут происходить одинаково как в прямом
направлении, так и в обратном. Если это действительно так, то имеется
принципиальная возможность, перемещаясь во времени, оказываться в событиях
прошлого или будущего, а также возвращаться из них в настоящее. Статическая
концепция допускает возможность построения "машины времени" и некоторые
другие эффекты и парадоксы. Так, если течение времени зависит от скорости
движения его носителя, то можно принять "парадокс близнецов" в теории
относительности: возвратившийся из космического путешествия космонавт по
существу попадает в свое будущее, а его брат, оставшийся на Земле, встречается
со своим прошлым. Эти события происходят одновременно, т.е. в некоторый
момент времени встречаются настоящее с прошлым и настоящее с будущим. В
такой встрече отсутствует симметрия. Еще один пример: свет от различных звезд
долетает до нас за разные интервалы времени; следовательно, об их современном
состоянии мы ничего не знаем, а изучаем их далекое прошлое, принимая его за
настоящее.
В науках о Земле также обсуждаются подобные явления. Еще в 1938 г.
академик К. К. Марков описал явление, которое он назвал метахронностью. Оно
проявляется в том, что наступление и чередование фаз и стадий развития
геосистем происходят несинхронно в разных частях земного шара, даже если эти
геосистемы располагаются на одной широте. Например, установлено, что
формирование ледникового щита Антарктиды началось значительно раньше, чем
оледенение в Северном полушарии. Обсуждают также явление полихронности,
которое предполагает одновременное наличие нескольких пластов времени в
одном объекте. Все они существуют в настоящем, но, располагая их в некоторой
хронологической последовательности, можно самые древние из них называть
прошлым, средней давности – настоящим, а самые молодые – будущим.
Полихронность свойственна многим природным явлениям. Поэтому статическая
концепция не так уж нелепа, как ее иногда пытаются представить.
Динамическая концепция времени противоположна статической: в ней
есть лишь настоящее, прошлое существовало, а будущее только еще будет
существовать. К прошлому относятся все те события, которые уже
осуществились и превратились в последующие. Будущие события – это те,
которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им
событий. Настоящее охватывает все те явления, которые реально существуют и
способны к взаимодействию между собой. Взаимодействие возможно лишь при
одновременном сосуществовании объектов. В рамках динамической концепции
невозможно построение "машины времени" для перемещения в прошлое и
будущее. Если бы путешествие в прошлое было реально возможным, тогда,
дойдя до некоторого момента, "машина времени" исчезла бы вместе с экипажем,
поскольку в прошлом их реально не существовало. А при путешествии в будущее
надо еще воссоздать некоторый будущий мир из ничего, куда-то "спрятав"
существующий мир, чтобы затем возвратиться в него. С этой концепцией связана
неопределенность понятия настоящего, поскольку неясно, какой именно отрезок
времени можно считать настоящим – миг, день или более продолжительное
время.
Представление о настоящем можно предельно сузить, выбирая все более и
более короткие отрезки времени и доведя их до интервала, достаточного для
того, чтобы его невозможно было принять за настоящее. Появляется ощущение,
что нет не только прошлого и будущего, но и настоящего. Все, что было, – уже
прошлое, все последующее – еще в будущем. Но настоящее может быть и
расширено в зависимости от сопоставляемых интервалов и масштабов события
до часа, дня, года и т.д. Обычно говорят, что для объектов и явлений настоящее
время охватывает тот интервал, в течение которого они физически могут
взаимодействовать между собой путем обмена веществом и энергией. Если бы
скорость распространения воздействий была бесконечной, то это настоящее
представляло бы собой сколь угодно малый миг, дающий мгновенное сечение
всех событий во Вселенной – настоящих, прошлых и будущих. Но скорость
распространения воздействий конечна и, по современным представлениям, не
превышает скорости света в вакууме. Поэтому физически проявляющееся во
взаимодействиях настоящее материальных систем охватывает тот временной
интервал, в течение которого они способны взаимодействовать. Для
элементарных частиц это будут очень малые отрезки времени, но для Галактики
они возрастают до десятков тысяч лет. Внутри этого настоящего для крупных
систем могут укладываться события прошлого, настоящего и будущего малых
систем, существующих намного меньшее время. Только сейчас мы
воспринимаем излучение от звезд и галактик, испущенное тысячи и миллионы
лет назад. Взаимодействия между ними могут осуществляться в течение
миллионов лет в обоих направлениях. Отсюда следует относительность понятия
настоящего. При этом из систем будущего никаких воздействий и информации
не может поступать, ибо они еще не возникли, не обладают реальным
существованием. Действие всегда происходит только в одном направлении: от
прошлого к настоящему и от настоящего к ближайшему будущему, в которое
настоящее переходит, но никогда наоборот. Последнее исключается законом
причинности.
В современной науке используются такие понятия, как физическое,
геологическое, географическое, биологическое, психологическое, социальное и
другие виды пространства и времени. Биологическое пространство и время
характеризуют
специфические
пространственно-временные
свойства
параметров органической материи: асимметрию расположения атомов в
молекулах белка и нуклеиновых кислот; собственные временные ритмы и темпы
изменения внутриорганизменных и надорганизменных биосистем; взаимосвязь и
синхронизацию ритмов друг с другом, а также с вращением Земли вокруг оси и
сменой времен года.
Психологическое пространство и время характеризуют основные
структуры пространства и времени, связанные с восприятием и так называемыми
перцептивными (вкусовыми, визуальными и т.д.) полями. Исследователями
выявлены неоднородность перцептивного пространства, его асимметрия, эффект
обратимости времени в бессознательных и транспсихических процессах, а также
синхронизм психических процессов, состоящий в одновременном параллельном
проявлении идентичных психических переживаний у двух или нескольких
человек. Для иллюстрации психологического времени можно привести широко
известное высказывание немецкого философа А. Шопенгауэра о том, что в
детстве время идет очень медленно, в юности быстрее, но все равно еле
"передвигает ноги", в зрелом возрасте оно уже "идет в ногу" со старением, а в
старости мчится, как стрела. Каждый человек испытывал моменты, когда время
"мчится, как стрела" или "тянется, как резина". Проиллюстрировать различное
восприятие пространства можно, например, напомнив о том, что одно и то же
помещение одним людям может казаться большим, а другим – маленьким.
Кроме рассмотренных типов пространства и времени в литературе
обсуждаются проблемы геологического, географического, социального и других
типов пространств и времен, выделяются их специфические черты и характерные
особенности.
При
этом
обычно
анализируются
неоднородность
пространственно-временных структур, специфические пространственные
отношения между элементами, ритмы и темпы изменения, ускорение или
замедление темпов развития рассматриваемых в конкретной отрасли
естествознания объектов.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое пространство?
2)
Что такое время?
3)
Назовите свойства пространства и времени.
4)
Назовите виды пространства и времени.
Лекция 9. Теория относительности
Вопросы для рассмотрения: Понятие относительности. Принцип
относительности Энштейна. Вклад ученых в теорию относительности.
Классический принцип относительности, который был сформулирован
еще Галилео Галилеем, утверждает: "Никакими механическими опытами,
произведенными в инерциальной системе отсчета, невозможно определить,
движется ли эта система равномерно и прямолинейно, или находится в покое".
Принцип относительности Галилея очень прост и всего лишь заявляет, что
между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет
никакой принципиальной разницы. Он может быть проиллюстрирован
наглядными примерами. Так, путешественник в закрытой каюте спокойно
плывущего корабля не замечает никаких признаков движения. Если на том же
корабле подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от
корабля, не упадет ближе к корме. Для нашего путешественника книга,
лежащая у него в каюте на столе, покоится, но для человека на берегу эта
книга плывет вместе с кораблем. В данном примере бессмысленно спорить,
движется или покоится книга. Такой спор – пустая трата времени.
Наблюдателям нужно лишь согласовать свои позиции и признать, что книга
покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с
кораблем.
Таким образом, слово "относительность" в названии принципа Галилея
не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла,
кроме того, который мы вкладываем в утверждение, что движение или покой –
всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой
отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным
движением нет никакой разницы. Но понятия покоя и движения приобретают
смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.
Альберт Эйнштейн развил классический принцип относительности и
пришел к выводу, что этот принцип является всеобщим, действует не только в
механике, но и в электродинамике. Принцип относительности Эйнштейна
гласит: "Никакими физическими опытами, произведенными в инерциальной
системе отсчета, невозможно определить, движется ли эта система
равномерно и прямолинейно, или находится в покое". Не только
механические, но и все физические законы одинаковы во всех инерциальных
системах отсчета.
Эйнштейну приписывается фраза: "Прости меня, Ньютон". За что
великий физик одной эпохи просил прощения у великого физика другой
эпохи? Может быть, за то, что одному из них пришлось исправлять другого?
Ведь Эйнштейн, вскрыв закономерности развития физического мира,
наглядно продемонстрировал незавершенность казавшейся незыблемой
механики Ньютона. Эйнштейн – физик, развил и дополнил физика Ньютона.
Хотя для Эйнштейна областью приложения знаний всегда была физика,
он ставил перед собой вопросы, ответы на которые требовали
энциклопедических подходов. Принципы относительности в виде
теоретических построений из физики распространяются на все другие формы
бытия материи. Например, уже сейчас они широко используются в биологии.
Есть примеры их применения в социологии, политологии и т.д. По крайней
мере, следствием развития принципов относительности уже является
существенное изменение философского фундамента всей науки. В целом эта
работа определила третью и нынешнюю четвертую революции в
естествознании за счет создания специальной и общей теории
относительности. Эти теории позволяют говорить, как минимум, о
физических процессах как о свойствах пространства-времени.
Теория относительности стала результатом обобщения и синтеза
классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла, между
которыми с середины XIX века возникли серьезные противоречия. В то время
в механике господствовал классический принцип относительности Галилея,
утверждавший равноправность всех инерциальных систем отсчета, а в
электродинамике – концепция эфира – ненаблюдаемой среды, заполняющей
мировое пространство, являющейся абсолютной системой координат. Иными
словами, в электродинамике выделялась одна система координат, имевшая
предпочтение перед всеми другими.
Существование эфира долгое время не подвергалось сомнению. Более
того, после выдвинутого Максвеллом предложения, что свет – это
электромагнитная волна, распространяющаяся в мировом эфире, казалось,
позиции сторонников эфирной теории еще больше укрепились. Не хватало
лишь решающего эксперимента, который доказал бы, что наша планета
движется сквозь эфир. Считалось, что при этом порождается "эфирный ветер",
сносящий свет, испускаемый источником на Земле, в направлении против
движения нашей планеты. Поскольку скорость движения Земли вокруг
Солнца составляет 30 км/с, то скорость света должна была уменьшиться на эту
же величину. Такой эксперимент был проведен в 1887 г. А. Майкельсоном и Э.
Морли. Они попытались обнаружить теоретически предсказанное смещение.
Точность эксперимента для того времени была очень высока, но никакого
"эфирного ветра" им обнаружить не удалось. Таким образом, опыт
Майкельсона-Морли показал независимость скорости света от движения
Земли. Отрицательный результат эксперимента, было невозможно объяснить
ни в рамках классической механики, ни в рамках электродинамики.
Получалось, что вопреки существующей в электродинамике концепции эфира
для электромагнитных явлений не было выделенной системы координат.
Классический принцип относительности Галилея должен был выполняться и
для них.
Ряд ученых попытались найти иное объяснение поставленному опыту.
Среди них был нидерландский физик Лоренц, предложивший гипотезу о
сокращении всех тел в направлении движения. Он вывел математические
уравнения, называемые сегодня преобразованиями Лоренца. А в 1905 г. в
журнале "Анналы физики" появилась статья неизвестного тогда еще А.
Эйнштейна "К электродинамике движущихся тел". В ней и были
сформулированы основы специальной теории относительности, в которой он
сумел по-новому интерпретировать преобразования Лоренца, придать им
иной физический смысл.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое относительность?\
2)
Расскажите о принципе относительности?
Лекция 10. Принципы симметрии, законы сохранения
Вопросы
для
рассмотрения:
Понятие
симметрии.
Пространственно-временные принципы симметрии. Внутренние принципы
симметрии. Законы сохранения. Определения ученых понятия симметрии. Связь
симметрии с законами сохранения. Понятие энергии. Принципы запрета.
Основные законы симметрии.
Симметрия (от греч. symmetria – соразмерность) – однородность,
пропорциональность, гармония, инвариантность структуры материального
объекта относительно его преобразований. Это признак полноты и
совершенства. Лишившись элементов симметрии, предмет утрачивает свое
совершенство и красоту, т.е. эстетическое содержание.
Эстетическая окрашенность симметрии в наиболее общем понимании – это
согласованность или уравновешенность отдельных частей объекта,
объединенных в единое целое, гармония пропорций. Многие народы с
древнейших времен владели представлениями о симметрии в широком смысле
как эквивалентности уравновешенности и гармонии. В геометрических
орнаментах всех веков запечатлены неиссякаемая фантазия и изобретательность
художников и мастеров. Их творчество было ограничено жесткими рамками,
требованиями неукоснительно следовать принципам симметрии. Трактуемые
несравненно шире, идеи симметрии имеют свою историю, их нередко можно
обнаружить в живописи, скульптуре, музыке, поэзии. Операции симметрии часто
служат канонами, которым подчиняются балетные па: именно симметричные
движения составляют основу танца. Во многих случаях именно язык симметрии
оказывается
наиболее
пригодным
для
обсуждения
произведений
изобразительного искусства, даже если они отличаются отклонениями от
симметрии или их создатели стремятся умышленно ее избежать.
Принципы
симметрии
делятся
на
пространственно-временные
(геометрические или внешние) и внутренние, описывающие свойства
элементарных частиц. Среди пространственно-временных принципов симметрии
можно выделить следующие:
· Сдвиг системы отсчета не меняет физических законов, т.е. все точки
пространства равноправны. Это означает однородность пространства.
· Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет
физические законы неизменными, т.е. все свойства пространства одинаковы по
всем направлениям, иными словами пространство изотропно. Например,
свойства палки не меняются, если ее переворачивать в воздухе. А вот свойства
корабля значительно изменятся, если он перевернется в воде, так как на границе
раздела воды и воздуха свойства пространства разные. Таким образом,
симметрия пространства означает, что в пространстве действия физических
законов нет выделенных точек и направлений, оно однородно.
· Сдвиг во времени не меняет физических законов, т.е. все моменты
времени объективно равноправны. Время однородно. Это означает, что можно
любой момент времени взять за начало отсчета. Этот принцип означает закон
сохранения энергии, который основан на симметрии относительно сдвигов во
времени. Период колебаний маятника "ходиков" не изменится, если отсчитать
его в полдень или в полночь, т.е. законы физики не зависят от выбора начала
отсчета времени.
· Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
Этот принцип относительности является основным постулатом специальной
теории относительности (СТО) Эйнштейна. В соответствии с принципом
симметрии можно произвести переход в другую систему отсчета, движущуюся
относительно данной системы с постоянной по величине и направлению
скорости. Например, можно перейти из вагона поезда в машину, если уравнять
их скорости.
· Зеркальная симметрия природы – отражение пространства в зеркале – не
меняет физических законов.
· Фундаментальные физические законы не меняются при обращении знака
времени. Необратимость, существующая в макромире, имеет статистическое
происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной.
· Замена всех частиц на античастицы не влияет на физические законы, не
меняет характера процессов природы.
В современной физике обнаружена определенная иерархия законов
симметрии: одни выполняются при любых взаимодействиях, другие же – только
при сильных и электромагнитных. Эта иерархия отчетливо проявляется во
внутренних симметриях. Внутренние симметрии действуют в микромире. В
релятивистской квантовой теории предполагается взаимное превращение
элементарных частиц:
· при всех превращениях элементарных частиц сумма электрических
зарядов частиц остается неизменной, т.е. до и после превращения сумма зарядов
частиц должна остаться неизменной;
· барионный или ядерный заряд остается постоянным;
· лептонный заряд сохраняется.
Теория взаимодействия элементарных частиц развивается успешно.
Начало этому было положено установлением принципов симметрии. Как
установлено экспериментально, в природе оказываются возможными не любые
процессы и движения, а только те из них, которые не нарушают так называемых
законов сохранения, выполняющих функцию правил отбора или правил запрета.
Законы сохранения – это физические законы, согласно которым численные
значения некоторых физических величин, характеризующих состояние системы,
не изменяются в определенных процессах. Формулировка любого закона
сохранения включает две основные части. В одной утверждается, что
рассматриваемая величина сохраняется, а в другой указываются условия, при
которых сохранение данной величины имеет место.
Наиболее наглядно действие законов сохранения проявляется в рамках
корпускулярного описания природных процессов. В качестве примера приведем
закон сохранения электрического заряда. "Алгебраическая сумма электрических
зарядов сохраняется, если рассматриваемая система зарядов замкнута (то есть
электрически изолирована)". Опыт показывает, что при взаимопревращениях
элементарных частиц могут возникать и исчезать заряженные частицы в
неограниченных количествах. Но закон сохранения заряда "разрешает" лишь
парные рождения частиц с одинаковыми по величине и противоположными по
знаку зарядами. Таким образом, законы сохранения тесно связаны с
фундаментальными свойствами симметрии.
Слово "симметрия" выражает "соразмерность" и первоначально
относилось только к особым свойствам предметов и тел. Немецкий математик Г.
Вейль вероятно первым дал строгое определение понятию симметрии. "Объект
является симметричным, если после определенной операции над ним (например,
поворота, сдвига, зеркального отражения), он будет выглядеть точно таким же,
как и до операции". С развитием физики понятие симметрии было расширено и
перенесено на физические законы. В основу понятия симметрии был положен
вопрос "Что можно сделать с физическим явлением или ситуацией, возникшей в
эксперименте, чтобы получился тот же результат?".
Мы постоянно встречаемся с симметричными объектами. Сюда относится
многое от рисунка на обоях до произведений архитектуры, от ювелирных
изделий до технических сооружений, от окраски насекомых до кристаллов. С
симметрией и разнообразными отступлениями от нее связаны представления о
красоте. Поэтому симметрия играет важнейшую роль в искусстве. Не меньшую
роль симметрия и эффекты, связанные с ее нарушением, играют в науке.
Фундаментальное значение принципа симметрии в науке ярко выражено Марией
Кюри – выдающимся французским физиком: "Принцип симметрии является
одним из немногих великих принципов, которые господствуют в физике". Роль
симметрии усиливается при переходе к изучению все более тонких и глубоких
явлений природы, все более ранних этапов эволюции Вселенной. В этих областях
принцип симметрии зачастую остается почти единственным безупречным
инструментом продвижения науки вперед.
Симметрии в природе, выражаясь через чисто математические
преобразования, всегда связаны с законами природы. Соответствующие догадки
высказывали уже античные мыслители. Однако только в 1918 г. связь между
симметриями и законами природы была выражена в строгой научной форме
немецким математиком А. Э. Нетер. Она сформулировала теорему, сущность
которой заключается в утверждении, что каждому виду симметрии должен
соответствовать определенный закон сохранения. Так, установлено, что с
однородностью времени связан закон сохранения энергии. С однородностью
пространства – закон сохранения импульса. С изотропностью пространства –
закон сохранения момента импульса. Симметрия и законы сохранения – не
следствие одно из другого, а равноправные и взаимосвязанные проявления
фундаментальных свойств материи. Симметрия обладает признаком
всеобщности, она пронизывает все сущее, поэтому и связанные с ней законы
сохранения фундаментальны. В физике к настоящему времени установлены
связи множества законов сохранения с соответствующими симметриями.
Особую значимость для познания природы приобрел закон сохранения
энергии как отражение симметрии времени – его однородности. Поэтому
подробнее остановимся на понятии энергии и роли закона сохранения энергии в
естествознании. В основе всех явлений природы лежит движение материи и
взаимодействие материальных объектов. Существуют различные формы
движения материи, и различные типы взаимодействий. Для описания каждого из
них в науке вводятся специфические физические величины. Например,
механическое движение характеризуется скоростью, импульсом, моментом
импульса. Для описания тепловых процессов используются температура, теплота
и т.д. Взаимодействие различных типов отображается различными силами. Все
такие величины отражают качественные особенности различных форм движения
материи и взаимодействия. Опыт обнаруживает, что различные формы движения
и взаимодействия могут, кроме специфических величин, характеризоваться
также величиной, которая с равным правом относится к ним ко всем. Такой
физической величиной является энергия. Энергия есть общая мера различных
форм движения и взаимодействия всех видов материи. Установленный
экспериментально закон сохранения и превращения энергии утверждает, что
суммарная энергия изолированной системы не изменяется. При эволюции
системы могут изменяться доли энергий различного вида, что объясняется
переходом энергии из одного вида в другой.
Как известно, с понятием энергии тесно связаны понятия работы,
мощности, коэффициента полезного действия. Все они являются
вспомогательными. Понятие работы служит для описания перехода энергии из
одной формы в другую. В термодинамике таким же вспомогательным понятием
является "количество теплоты". Понятие мощности служит для характеристики
скорости энергообмена. Мощность есть скорость преобразования энергии из
одного вида в другой вид. Это понятие широко используется в технике. Оно
характеризует способность технического устройства преобразовывать один вид
энергии в другие ее виды. Эффективность такого преобразования энергии
характеризует величина, известная как коэффициент полезного действия (к.п.д.).
Обмен энергией между множеством природных систем обусловливает
объединяющую роль энергии в природе и в естествознании. Преобразование
энергии происходит в любых природных процессах, и выполняющийся при этих
преобразованиях закон сохранения и превращения энергии связывает все
явления природы воедино. Он выполняется, естественно, и при протекании
сложных, комплексных природных явлений, например, энергообмена в живых
организмах, климатических процессов, химического превращения веществ, а,
следовательно, может быть положен в основу количественных расчетов всех
этих процессов.
Как уже отмечалось, законы сохранения работают как принципы запрета.
Например, законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Эти
законы не дают прямых указаний, как должен идти тот или иной процесс. Они
лишь говорят о том, какие процессы запрещены и потому в природе не
происходят. Любой процесс, при котором нарушился бы хоть один из законов
сохранения, запрещен. И наоборот – всякий процесс, при котором законы
сохранения не нарушаются, в принципе может иметь место, если при этом не
нарушаются другие фундаментальные законы природы.
В качестве принципов запрета законы сохранения играют важную
методологическую роль в естествознании. Законы сохранения являются мощным
инструментом теоретического исследования всевозможных процессов,
происходящих в природе, – от микромира до космических явлений. Это можно
пояснить известными из курса физики средней школы простейшими примерами
применения законов сохранения механической энергии и импульса для расчета
процессов упругого или неупругого ударов шаров. Здесь уместно отметить
широкое использование метода аналогий в естествознании. Так, с помощью
понятия удара и его механической модели описываются по аналогии и
немеханические явления. В частности, понятие удара и его описание на основе
законов сохранения позволяет производить расчеты кратковременных
взаимодействий частиц в молекулярной физике и в физике элементарных частиц.
Дальнейшее развитие физики в XX веке продемонстрировало всеобщность
принципа симметрии, заставило значительно глубже взглянуть на симметрию,
расширив это понятие за рамки наглядных геометрических представлений.
Симметрия ограничивает число возможных вариантов структур или вариантов
поведения систем. Это оказывается исключительно важно с методологической
точки зрения, так как дает возможность для многих исследовательских проблем
находить решение как результат выявления единственно возможного варианта,
без выяснения подробностей (так называемое решение из соображений
симметрии). В физике элементарных частиц стало обычной практикой при
обнаружении нового закона сохранения, проявляющегося в микромире, искать
соответствующую симметрию и наоборот.
Таким образом, симметрию определяют в связи с такими понятиями, как
сохранение и изменение, равновесие, упорядоченность, тождество и различие,
что связано с охватом всех аспектов. Сущностью симметрии, строго говоря,
является тождество противоположностей. Симметрия – это группа
преобразований. Всякое построение симметрии связано с введением того или
иного равенства. Равенство относительно, и может существовать множество
равенств и соответственно множество симметрий.
По-видимому, наиболее общая характеристика причинно-следственных
связей симметрии принадлежит выдающемуся французскому физику П. Кюри,
сформулировавшему в 1890 г. основные законы симметрии:
1. Когда какие-либо причины порождают некоторые эффекты, элементы
симметрии причин должны обнаруживаться в этих эффектах. (Симметрия
причин предполагает неизбежное возникновение симметрии следствий).
2. Когда какие-либо эффекты проявляют некоторую дисимметрию
(несимметричность), то эта дисимметрия должна обнаруживаться и в причинах,
их породивших. (Дисимметрия следствий имеет в своей основе дисимметрию
причин).
3. Положения, обратные этим двум, как правило, несправедливы.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое симметрия?
2)
Назовите принципы симметрии.
3)
Расскажите о законах сохранения.
4)
Расскажите о связи симметрии с законами сохранения.
5)
Назовите основные законы симметрии.
Лекция 11. Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие
Вопросы
для
рассмотрения:
Понятие
электродинамики.
Электромагнитное взаимодействие. Сущность концепции дальнодействия.
Сущность концепции близкодействия.
В классической физике выделяют два вида материи: вещество и поле.
Наука о свойствах и закономерностях поведения электромагнитного поля,
посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически
заряженными телами, называется электродинамикой.
Среди 4-х видов фундаментальных взаимодействий – гравитационного,
электромагнитного, сильного и слабого – электромагнитное взаимодействие
выделяется в наибольшей степени по широте и разнообразию проявлений.
Примерами электромагнитных взаимодействий являются силы упругости,
трения и др. Свет – одна из форм электромагнитного поля.
Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы, образование
из веществ тел различной формы обусловлено электромагнитным
взаимодействием.
Утверждению в физике понятия “поле” способствовало стремление
осознать дальнодействующий характер электрических сил и сил тяготения.
Открытие закона всемирного тяготения И. Ньютоном, закона Кулона о
взаимодействии заряженных тел повлияло на возникновение вопросов, по
большей части, философского содержания: почему физические тела,
обладающие массой, взаимодействуют на огромных расстояниях через пустое
пространство, почему заряженные тела взаимодействуют через электрически
нейтральную среду? Эти вопросы были разрешены с введением понятия поля.
Но попытки решить эти вопросы предпринимались и до открытия такого
вида материи, как поле. Р. Декарт предположил, что взаимодействие между
телами осуществляется непосредственно через пустое пространство, которое не
принимает участия в передаче взаимодействия, и передача происходит
мгновенно. Такое предположение и составляет сущность концепции
дальнодействия, просуществовавшей в физике вплоть до конца XIX века.
Эксперименты в области электромагнитных явлений доказали
несоответствие этой концепции физическому опыту. Эта концепция вступила в
противоречие с постулатом специальной теории относительности, в
соответствии с которым скорость передачи взаимодействий тел не может
превышать скорости света в вакууме.
Эксперименты показали, что взаимодействие электрически заряженных
тел и перемещение одной электрически заряженной частицы приводит к
изменению сил, действующих на другие частицы, лишь спустя конечное время.
Электрически заряженные частицы передают взаимодействие посредством
создания электромагнитного поля, передающего данное взаимодействие.
Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в
пустоте – примерно 300 000 км/с.
Это и составляет сущность концепции близкодействия. Концепция
близкодействия распространяется и на взаимодействие между телами,
осуществляемое посредством другого рода полей – гравитационного, квантового
и т.д., непрерывно распределенных в пространстве.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое электродинамика?
2)
Расскажите о концепции взаимодействия.
3)
Расскажите о концепции близкодействия.
Лекция 12. Состояние, принципы суперпозиции, неопределенности,
дополнительности
Вопросы для рассмотрения: Понятие принципа суперпозиции. Пример
принципа
суперпозиции.
Принцип
дополнительности.
Принцип
неопределенности В. Гейзенберга.
Принцип суперпозиции
Этот принцип также имеет большое значение в физике и особенно в
квантовой механике.
Принцип суперпозиции (наложения) – это допущение, согласно
которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов,
вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности
.Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило
параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы,
воздействующие на тело. Этот принцип выполняется при условии, когда
воздействующие явления не влияют друг на друга. Встречный ветер тормозит
движение автомобиля по закону параллелограмма - здесь принцип суперпозиции
выполняется полностью. Но если песок, поднятый ветром, ухудшит работу
двигателя, то в данном случае принцип суперпозиции выполняться не будет.
Вообще в ньютоновской физике этот принцип не универсален и во многих
случаях справедлив лишь приближенно.
В микромире, наоборот, принцип суперпозиции – фундаментальный
принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу
математического аппарата квантовой механики. Но, к сожалению, в квантовой
теории этот принцип лишен той наглядности, которая характерна для механики
Ньютона.
Принцип суперпозиции утверждает: если система может находиться в одном из
квантовых состояний, то она может находиться и в состоянии, являющемся
линейной комбинацией этих состояний.
Подобное утверждение интерпретируется следующим образом: пока не
проведено измерение, бессмысленно спрашивать, в каком состоянии находится
физическая система. Иными словами, до измерения система находится в
суперпозиции двух возможных состояний, то есть ее состояние неопределенно.
Акт измерения переводит физическую систему скачком в одно из этих
состояний. Таким образом, в квантовой механике в суперпозиции складываются
альтернативные, взаимоисключающие друг друга, с классической точки зрения,
состояния.
Принцип дополнительности
Принцип дополнительности возник из попыток осознать причину
появления противоречивых наглядных образов, которые приходится связывать с
объектами микромира. Он является основополагающим в современной физике.
В ряде экспериментов электрон и другие элементарные частицы
обнаруживают корпускулярные свойства, то есть свойства частиц. Любое
устройство для детектирования микрообъектов всегда регистрирует их как нечто
целое, локализованное в очень малой области пространства.
С другой стороны, при движении все микрочастицы обнаруживают
типичные волновые свойства. Наблюдается интерференция и дифракция частиц
на кристаллических решетках или искусственно созданных препятствиях.
Электроны и другие частицы ведут себя подобно волнац, огибающим
препятствия, и одновременно проходят через несколько щелей дифракционной
решетки.
Таким образом, всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой
дуализм. Общий ответ на вопрос о том, каким образом эти противоречивые
свойства совмещаются у одного объекта, был дан Н. Бором в 1927 г.
Прежде всего Бор обратил внимание на то, что все предметы и явления,
которые мы видим вокруг себя и, конечно, измерительные приборы для
регистрации элементарных частиц состоят из огромного множества
микрочастиц. Иными словами, они являются макроскопическими системами,
ничем иным они быть не могут. Сам человек – существо макроскопическое.
Поэтому наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия,
которыми мы пользуемся для описания предметов и явлений окружающего мира,
это макроскопические понятия. С их помощью можно легко описать любые
физические процессы, проходящие в макромире. Но применить эти понятия для
описания микрообъектов полностью нельзя, так как они не адекватны процессам
микромира.
Но других понятий у нас нет и быть не может. Поэтому, чтобы
компенсировать неадекватность нашего восприятия и представления об объектах
микромира, нам приходится применять два дополняющих друг друга набора
понятий. Эти понятия – частицы и волны. Только в совокупности они дают
исчерпывающую информацию о квантовых явлениях.
Принцип дополнительности рассматривался Н. Бором не только в узком
физическом смысле, но и с общефилософской точки зрения. Понятия,
выработанные в науке, отражают лишь отдельные стороны реальных предметов,
явлений и процессов. Таким образом, одно понятие способно отразить только
часть истины. Но, собрав эти на первый взгляд противоречащие друг другу
понятия, можно получить достаточно полную картину объекта.
Принцип неопределенности В. Гейзенберга
Принцип неопределенности является частным выражением принципа
дополнительности. Этот принцип наглядно иллюстрирует отличие квантовой
теории от классической механики.
Говоря о частице, мы представляем себе комочек вещества, находящийся в
данный момент в определенном месте, обладающий определенной энергией и
движущийся со строго определенной скоростью. При этом мы допускаем, что
можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой
момент времени.
Однако, связывая частицу с волной, мы переходим к образу
неограниченной синусоиды, простирающейся во всем пространстве. И понятия
«длина волны в данной точке», «импульс в данной точке», «энергия в данный
момент времени» просто не имеют смысла. Утверждение, что электрон лишь
приближенно может рассматриваться как материальная точка, означает, что его
координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизительно.
Количественно это выражается соотношением неопределенностей Гейзенберга,
Согласно этому принципу, чем точнее фиксирован импульс, тем большая
неопределенность будет в значении координаты, и наоборот. Так же соотносятся
энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна
длительности процесса измерения. Причина этого кроется во взаимодействии
прибора с объектом измерения.
Принцип неопределенности показывает, почему невозможно падение
электрона на ядро атома. Ядро атома имеет очень малые размеры, и при падении
электрона его местоположение оказалось бы известно достаточно точно.
Следовательно, резко увеличивается неопределенность в скорости электрона,
разброс в значении скоростей стал бы очень большим. Эта «вилка» скоростей
должна была бы включать столь большие скорости, что электрон скорее покинул
бы атом, чем упал на ядро.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое принцип суперпозиции?
2)
Что вы знаете о принципе дополнительности?
3)
Расскажите о принципе неопределенности.
Лекция 13. Динамические и статистические закономерности в
природе
Вопросы для рассмотрения: Динамические законы. Законы
статистического характера.
Своеобразным отображением диалектичности явлений и процессов
природы является раскрытие динамических и статистических закономерностей в
природе.
Прежде чем обратиться к характеристике этих закономерностей,
необходимо еще раз указать на наличие в природе объектов микро- и макромира.
Кратко напомним, что микромир – это мир мельчайших частиц (молекул, атомов
и т.д.), а макромир – это мир крупных тел, состоящих из множества мельчайших
частиц.
В результате изучения движения микро- и макросистем в природе были
выявлены многие закономерности протекания этих процессов.
Изучением движения макросистем занимается раздел механики динамика.
Классическая динамика базируется на 3-х основных законах ньютоновской
механики. Используя эти законы, динамика способна решить задачи по
определению силы, под действием которой происходит движение тела, если
известен закон движения данного тела, а также определить закон движения тела,
если известны силы, действующие на него.
Динамические законы приложимы к исследованию движения всех
объектов макромира: твердым, жидким и газообразным телам, упругим и
деформируемым, к телам переменной массы.
Движение микрочастиц исследуется в квантовой механике, которая
показала, что, в противоположность объектам макромира, к объектам микромира
законы динамики неприложимы. Было установлено, что при движении
одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному. Для
описания движения частиц требуется применение вероятностных представлений.
Так, если мы поставим эксперимент с двумя отверстиями, через которые
проходит электрон, то нельзя точно сказать, через какое отверстие он пройдет, но
если их много, то можно предположить, что часть пройдет через одно, часть через другое. Поэтому законы квантовой механики, законы, описывающие
движение частиц, – это законы статистического характера.
В своей работе “Эволюция физики” А. Эйнштейн и Л. Инфельд указывали,
что “…мы можем предсказать, сколько атомов (радиоактивного вещества)
распадутся в следующие полчаса, но мы не можем сказать… почему именно эти
отдельные атомы обречены на гибель…”.
В микромире господствуют статистические законы, которые можно
применять только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам.
Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов
элементарных частиц и устанавливает статистические законы.
Свойственные для объектов микромира статистические закономерности, а
для объектов макромира динамические закономерности ярко демонстрируют
диалектический характер развития природных явлений и процессов. Кроме того,
раскрытие статистических и динамических закономерностей демонстрирует
диалектическую связь между случайным и необходимым.
В классической динамике фактор случайности не принимается во
внимание, ибо не оказывает существенного влияния на ход процессов. Законы
классической динамики считались детерминистскими законами, т.е.
обеспечивающими точные и достоверные предсказания. В действительности же
необходимость возникает как результат взаимодействия многих случайностей, о
чем свидетельствуют статистические законы. Таким образом, можно сказать, что
строго детерминистских законов не может существовать, поскольку из-за
отвлечения от второстепенных факторов результаты будут лишь в той или иной
мере приближаться к истинным, но не полностью им соответствовать.
Упрощение и схематизация возможны лишь при изучении простейших форм
движения. При переходе к исследованию сложных систем, состоящих из
большого числа элементов, индивидуальное поведение которых не поддается
описанию, необходимо обращаться к статистическим законам, опирающимся на
вероятностные предсказания.
В результате в новой картине мира необходимость и случайность
выступают как взаимосвязанные и дополняющие друг друга его аспекты.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что вы знаете о динамических законах?
2)
Назовите законы статистического характера.
Лекция 14. Законы сохранения энергии в макроскопических
процессах, принцип возрастания энтропии
Вопросы для рассмотрения: Термодинамика. Положения закона
сохранения энергии. Формулировки закона сохранения и превращения энергии.
Исследования ученых. Первый закон термодинамики. Второй закон
термодинамики. Принцип возрастания энтропии. Гипотеза «тепловой смерти».
Принцип минимума диссипации энергии.
Когда мы говорим о сохранении энергии в макроскопических процессах,
прежде всего имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергии,
которые зависят от термодинамического состояния. Следует отметить, что для
макроскопических систем энергия не является непосредственно измеряемой
величиной. Термодинамика позволяет с точностью до некоторой
неопределенной постоянной вычислить эту величину из опытных данных. Для
этого следует учесть теплообмен системы с окружающей средой и измерить
работу, совершаемую системой.
Наиболее важные положения, на которых строится закон сохранения
энергии в макроскопических процессах:
1. Энергия – единая мера различных форм движения материи.
Механическая энергия и тепловая энергия – только две из многих форм энергии.
Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, тоже форма
энергии.
2. Возможны два качественно различных способа передачи энергии от
одного макроскопического тела к другому – в форме работы и в форме теплоты
(путем теплообмена). Макроскопическое тело рассматривается при этом как
огромная совокупность микрочастиц. При взаимодействии незначительного
числа отдельных микрочастиц эти понятия неприменимы.
4. Изменение энергии тела, осуществленное первым способом, называют
работой, совершаемой над этим телом. Передача энергии в форме работы
производится в процессе силового взаимодействия тел. Работа, совершаемая над
телом, может пойти на увеличение любого вида энергии. Понятие работы
связано с упорядоченным движением.
5. Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена
различием температур этих тел. Энергия, получаемая телом в форме теплоты,
может непосредственно пойти только на увеличение его внутренней энергии.
Понятие теплоты связано с неупорядоченным, хаотическим движением.
Формулировки закона сохранения и превращения энергии:
– энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает, количество
энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую;
– при любых процессах, происходящих в замкнутой системе, ее полная
энергия не изменяется.
Экспериментальная проверка этого закона связана с именами многих
ученых. Гесс (1840) количественно исследовал для разных реакций переходы
химической энергии в тепловую. Независимо друг от друга Джоуль (1841) и
Ленц (1842) дали формулировку закона сохранения и превращения энергии для
случая перехода электрической энергии в тепловую: количество теплоты,
выделяемое током в проводнике, пропорционально силе тока, времени его
прохождения и падению напряжения. Майер (1842) впервые высказал принцип
эквивалентного взаимопревращения теплоты и работы. Для доказательства этого
принципа решающее значение имели опыты Джоуля (1843), измерившего
механический эквивалент теплоты, и исследования Гельмгольца "О сохранении
силы" (1847).
Первый закон (начало) термодинамики
Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии
применительно к тепловым процессам. Этот закон утверждает:
– невозможно создать вечный двигатель первого рода, который бы
производил работу без подведения энергии;
– тепловая энергия, подведенная к замкнутой системе, расходуется на
увеличение ее внутренней энергии и работу против внешних сил.
Согласно первому закону термодинамики, могут протекать только такие
процессы, при которых полная энергия системы остается постоянной. Например,
полное превращение тепловой энергии в механическую не связано с нарушением
первого закона термодинамики, но тем не менее оно невозможно. Второй закон
термодинамики еще больше ограничивает возможности процессов превращения.
Второй закон (начало) термодинамики
Второй закон термодинамики утверждает:
– не может быть создан вечный двигатель второго рода, который бы
производил работу за счет тепла окружающей среды, без каких-либо изменений в
окружающих телах;
– в природе не может быть процессов, единственным результатом которых
было бы превращение теплоты в работу;
– во всех явлениях природы теплота сама переходит от более нагретых тел
к менее нагретым телам.
Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло (вспомните, как
наши предки добывали огонь трением). В то же время тепло в эквивалентную ему
работу полностью превратить нельзя. Другими словами, неупорядоченную
форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой
неупорядоченности, мерой хаоса в термодинамике является энтропия. Энтропия
не бывает отрицательной, она всегда положительна, за исключением случая,
когда идеальный кристалл находится при абсолютном нуле температуры. Но на
этот счет есть третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости
абсолютного нуля.
Принцип возрастания энтропии
Если система замкнута и невозможны никакие ее самопроизвольные
превращения, то энтропия достигает максимума. Состояние с наибольшей
энтропией соответствует статическому равновесию. Энтропия является мерой
вероятности осуществления данного термодинамического состояния или мерой
отклонения системы от статического равновесия.
Второй закон термодинамики можно сформулировать как закон, согласно
которому энтропия изолированной системы (то есть системы, не
обменивающейся энергией с окружающей средой) будет увеличиваться при
необратимых процессах или оставаться постоянной, если процессы обратимы.
Это положение касается только изолированных систем.
Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики, в
случае изолированной системы неупорядоченное состояние не может
самостоятельно перейти в упорядоченное. При нагревании тела энтропия
увеличивается, растет степень неупорядоченности. В изолированной системе
энтропия может только расти.
Принцип возрастания энтропии – важнейший принцип термодинамики. Он
соответствует стремлению любой системы к состоянию термодинамического
равновесия, которое можно отождествить с хаосом. Из этого принципа следует
идея "тепловой смерти" Вселенной. Раз все виды энергии деградируют,
превращаясь в тепло, то когда-нибудь закончат свое существование звезды,
отдав свою энергию в окружающее пространство, и Вселенная придет в самое
простое состояние хаоса – термодинамического равновесия с температурой лишь
на несколько градусов выше абсолютного нуля. Не будет источников энергии –
не будет жизни, не будет ничего.
Гипотеза "тепловой смерти" не согласуется с наблюдениями над
Вселенной в ее современном состоянии, а также с выводами, которые можно
сделать из известного нам прошлого. Наблюдается непрерывный рост
разнообразия, эволюция в направлении возникновения более сложных форм.
Основные причины формирования звезд, галактик, планет – флуктуации
плотности материи и гравитационное взаимодействие. В этой связи многие
физики-теоретики считают, что в соответствии с общей теорией относительности
Вселенная должна рассматриваться "не как замкнутая система, а как система,
находящаяся в переменном гравитационном поле; в связи с этим применение
закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости
статического равновесия".
Трудности термодинамического характера до сих пор не решены и в
вопросе происхождения жизни. Существует точка зрения, что второй закон
термодинамики не применим к живым системам, так как они не являются
замкнутыми системами. Живые системы – это открытые системы. Энтропия
живых молекул весьма низка и имеет тенденцию к понижению. Этот факт
сегодня является общепризнанным. Асимметрия жизни не есть состояние
нарушения равновесия, отсутствия структурности или беспорядка, а есть
состояние динамического равновесия и упорядоченности, более сложной
структурности и более высокого энергетического уровня. Это то самое крайне
маловероятное состояние, которое заставляет усомниться в абсолютности
знания.
Принцип минимума диссипации энергии
В мировом процессе развития принцип минимума диссипации энергии
играет особую роль. Суть его: если допустимо не единственное состояние
системы, а целая совокупность состояний, согласных с законами сохранения и
принципами, а также связями, наложенными на систему, то реализуется то
состояние, которому соответствует минимальное рассеивание энергии, или, то
же самое, минимальный рост энтропии. Принцип минимума диссипации энергии
является частным случаем более общего принципа "экономии энтропии". В
природе все время возникают структуры, в которых энтропия не только не
растет, но и локально уменьшается. Этим свойством обладают многие открытые
системы, в том числе и живые, где за счет притока извне вещества и энергии
возникают так называемые квазистационарные (стабильные) состояния. Таким
образом, если в данных конкретных условиях возможны несколько типов
организации материи, согласующихся с другими принципами отбора, то
реализуется та структура, которой соответствует минимальный рост энтропии.
Так как убывание энтропии возможно только за счет поглощения внешней
энергии, то реализуются те из возможных форм организации материи, которые
способны максимально поглощать энергию.
Область применения принципа минимума диссипации энергии
непрерывно расширяется. На протяжении всей истории человечества стремление
овладеть источниками энергии и вещества было одним из важнейших стимулов
развития и устремления человеческих интересов. И поэтому всегда было
источником
разнообразных
конфликтов.
По
мере
развертывания
научно-технического прогресса, истощения природных ресурсов возникает
тенденция к экономному расходованию этих ресурсов, возникновению
безотходных технологий, развитию производства, требующего небольших
энергозатрат и материалов.
Если говорить об иерархии то принцип минимума диссипации энергии
играет роль как бы завершающего, замыкающего принципа. Когда другие
принципы не выделяют единственного устойчивого состояния, а определяют
целое их множество, этот принцип служит дополнительным принципом отбора.
Проблема экономии энтропии, этой меры разрушения организации и
необратимого рассеяния энергии, решается в мире живой природы. Существует
теорема о минимуме воспроизводства энтропии, которая утверждает, что
производство энтропии системой, находящейся в стационарном состоянии,
достаточно близком к равновесному состоянию, минимально. Этот принцип
можно рассматривать в качестве универсального. В живом веществе он
проявляется не как закон, а как тенденция. В живой природе противоречие между
тенденцией к локальной стабильности и стремлением в максимальной степени
использовать внешнюю энергию и материю является одним из важнейших
факторов создания новых форм организации материального мира.
Вопросы для самопроверки:
1)
Расскажите о законе сохранения энергии.
2)
Назовите законы термодинамики.
3)
Что вы знаете о принципе возрастания энтропии?
4)
Что вы знаете о принципе минимума диссипации энергии?
Лекция 15. Химические процессы
Вопросы для рассмотрения: Понятие химического индивида.
Химические явления. Основные концептуальные системы химии. Проблема
химического элемента. Понятие химического элемента. Проблема химического
соединения. Понятие химического соединения. Химическая связь. Химическая
структура вещества. Понятие химической структуры. Образование химических
структур и химическая связь. Типы связей. Сущность химического процесса.
Принципы управления химическим процессом. Кинетические методы. Понятие
химической эволюции. Проблема самоорганизации химических систем.
Простейшим носителем химических свойств служит атом (в том числе
ионизированный) – система, состоящая из ядра и движущихся вокруг него (в его
электрическом поле) электронов. В результате химического взаимодействия
атомов образуются молекулы (радикалы, ионы, атомные кристаллы) – системы,
состоящие из нескольких ядер, в общем поле которых движутся электроны. При
химическом взаимодействии молекул одна конфигурация ядер и электронов
разрушается и образуется новая. Акт химического взаимодействия состоит в
образовании новых электронных (молекулярных) орбиталей.
В химических реакциях участвуют не отдельные частицы, а их большие
коллективы – вещества, причем химическое изменение сопровождается
появлением новых химических индивидов, или химических веществ.
Химическим индивидом обычно называют наименьшее количество вещества,
повторением которого в пространстве можно воспроизвести данное вещество.
Таким образом, химическими индивидами будут атомы в атомной решетке
простого вещества (поэтому графит и алмаз, которые содержат атомы углерода С
в своих кристаллических решетках, являются одним и тем же химическим
индивидом) или группы атомов в составе сложного атомного вещества (SiC в
решетке карбида кремния), молекулы в веществе молекулярного строения (H2О в
воде), ионные пары или более сложные ионные комплексы в ионном веществе
(NaCl в поваренной соли, Na2СО3 • 10H2O в кристаллической соде) и т.д. При
таком определении изменение агрегатного состояния, полиморфный переход,
механическое разрушение, образование некоторых растворов (например,
газовых) нельзя назвать химическими явлениями.
Химические явления определяют развитие неживой и живой природы и
отличаются от других, рассматриваемых в естествознании. Так,
геолого-географические явления отличаются от химических участием во
взаимодействии не веществ, а вещественных систем в литосфере, атмосфере,
гидросфере и т.д., а также макромасштабами взаимодействий. Увеличение
количества (массы) реагирующих участников процесса приводит к новым,
отсутствующим в химии, закономерностям.
Изучение химических явлений требовалось человеку преимущественно
для того, чтобы получать из природных веществ все необходимые ему материалы
– металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и
фармацевтические препараты и т.д. Поэтому все химические знания объединяет
главная задача - получение веществ с заданными свойствами (качеством). В
различные исторические эпохи эта проблема решалась по-разному (история
химии).
Основные концептуальные системы химии
При всем многообразии химических явлений выделяют четыре основные
концептуальные системы. Эти системы появлялись последовательно во времени,
причем каждая новая химическая концепция возникала на основе научных
достижении предыдущей.
Первая химическая концепция – учение о составе – связана с
исследованием свойств веществ в зависимости от их химического состава. В
настоящее время в ее рамках рассматриваются проблемы периодичности,
стехиометрии (соотношения между количествами вступивших в реакцию
реагентов и образующихся продуктов), а также физико-химический анализ как
основа изучения многокомпонентных систем на основе построения диаграмм
состав-свойство.
В 1800-е годы, когда стало очевидным, что свойства веществ и их
качественное разнообразие обусловливаются не только составом, но и
структурой молекул, возникла концепция структурной химии, предполагающая
исследование структуры, т.е. способа взаимодействия элементов. Эта концепция
опирается на атомно-молекулярную концепцию строения вещества. Развитие
современной структурной химии связано с познаниями в области
квантово-механической теории строения атома, химической связи и строения
вещества.
Третья концептуальная система – учение о химическом процессе – в 1950-е
годы завершает свой этап становления. В основании ее лежит представление о
химической кинетике и химической термодинамике, а в ее рамках исследуются
внутренние механизмы и условия протекания химических процессов (скорости
протекания процессов, температура, давление и т.п., влияние катализаторов,
ингибиторов и пр.).
Идеи четвертой концептуальной системы – эволюционной химии – были
сформулированы в 1970-х годах. Эта система находится в стадии становления. В
центре ее внимания – открытые высокоорганизованные химические системы,
развитие которых приводит к возникновению биологической формы движения.
Эволюционная химия включает в себя учение об эволюционном катализе
(теории саморазвития химических систем), а также теории биоорганической и
бионеорганической химии.
Проблема химического элемента
Химический состав вещества рассматривается в рамках учения о составе, в
котором обычно выделяют три основных проблемы: проблему химического
элемента, проблему химического соединения, проблему вовлечения химических
элементов в производство новых материалов.
В настоящее время под химическим элементом понимают совокупность
атомов с одинаковым зарядом ядра. Попытки систематизации химических
элементов привели Д. И. Менделеева к созданию периодического закона.
Современная формулировка этого закона звучит так: свойства элементов
находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Полное
научное объяснение периодической системы элементов базируется на законах
квантовой механики.
Проблема химического соединения
Под химическим соединением в настоящее время понимают
индивидуальное вещество, в котором атомы одного (например, N2, Cl2) или
различных (H2SO4, КСl) элементов соединены между собой химической связью.
Сейчас известно свыше 5 млн. химических соединений. Состав химических
соединений в огромном большинстве случаев подчиняется законам его
постоянства и кратных отношений. Первый закон, гласит, что каждое
химически чистое соединение независимо от способа и места его получения
имеет один и тот же постоянный состав, причем отношения масс атомов
элементов постоянны. В соответствии с законом кратных отношений, если два
химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы
одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как
целые числа, обычно небольшие.
Применение современных физических методов исследования вещества
обнаружило физическую природу химизма, а именно: атомы объединяют в
молекулы как единую квантово-механическую систему внутренние силы –
химические связи, а они представляют собой проявление волновых свойств
валентных электронов. Волновая природа электронов наделяет атомы их
типичными свойствами. Наименьшими единицами многих веществ служат не
атомы, а молекулы, т.е. группы атомов, тесно связанных друг с другом. Чтобы
понять строение вещества, следует узнать не только строение атома, но и
причину соединения атомов в молекулы – химическую связь.
Квантовая механика дала объяснение химической связи: она возникает
между атомами в результате взаимодействия электронных конфигураций
различных атомов, причем тогда, когда эти конфигурации хорошо подходят друг
другу, как зубцы шестерни. Конфигурации смешиваются и переплетаются, когда
атомы приведены в соприкосновение, вследствие чего появляются новые
конфигурации. Если атомные конфигурации очень хорошо подходят друг другу,
при их сближении возникает одна крупная единица, но только несколько
большая и более компактная – насыщенная молекула, не присоединяющая
других атомов. Например, два атома водорода, каждый с простейшей
электронной конфигурацией, образуют молекулу водорода, в которой обе
электронные конфигурации сливаются в одну эллиптическую.
В результате раскрытия физической сущности химической связи
классическое понятие молекулы изменилось. Молекулой по-прежнему называют
наименьшую частицу вещества, способную определять его свойства и
существовать самостоятельно. Но теперь в число молекул включают и такие
квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические
монокристаллы и полимеры, образованные за счет водородных связей. Поэтому
некоторые неорганические вещества (оксиды, хлориды, сульфиды, нитриды
металлов) относят к веществам молекулярного строения, не имеющим
постоянного состава (бертоллиды).
Дело в том, что реальные монокристаллы любых твердых веществ всегда
имеют дефекты: вакантные узлы кристаллической решетки; атомы, попавшие в
междоузлия; дислокации как отклонения от геометрических норм данной
кристаллической решетки и т.д. Именно они становятся реакционными центрами
при вхождении вещества в химические реакции.
Помимо химической связи, которая держит атомы связанными в молекулы,
существуют межмолекулярные силы. Они слабее химической связи, но именно
они определяют агрегатное состояние вещества. Когда две молекулы
сближаются, электронные конфигурации каждой из них стремятся колебаться в
унисон. Благодаря этому возникает притяжение (так называемые
ван-дер-ваальсовы силы), сила которого зависит от типа движения электрона.
Химическая структура вещества
Развитие знания о химических явлениях позволило установить, что
большое влияние на свойства вещества оказывает не только его химический
состав, но и структура молекул – их взаимное расположение друг по отношению
к другу (упорядоченность). Осознание этого стало началом структурной химии.
Ключевым понятием данной концептуальной системы является "структура",
точнее, структура молекулы реагента, в том числе, макромолекулы или
монокристалла.
Под
структурой
обычно
понимают
устойчивую
упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула.
Относительно недавно был открыт новый класс металлоорганических
соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название
"сэндвичевые соединения". Молекула этого соединения представляет собой две
"пластины" из соединений водорода и углерода, между которыми находится
атом какого-либо металла. Они сыграли важную роль в пересмотре
представлений о валентности и химической связи. Их можно, рассматривать как
наглядную
демонстрацию
наличия
у
молекул
единой
системы
электронно-ядерного взаимодействия.
Другая группа вопросов в концептуальной системе структурной химии
связана с проблемами структурной неорганической химии. По существу это
проблемы химии твердого тела. В широком смысле их две:
· синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке
для получения материалов с высокой механической прочностью,
термостойкостью и долговечностью в эксплуатации;
· создание методов синтеза кристаллов с запроектированными дефектами
решетки, что позволит получить материалы с заданными электрофизическими и
оптическими свойствами.
Образование химических структур и химическая связь
Образование различных химических структур имеет свои характерные
особенности. Взаимодействуя, атомы соединяются друг с другом, образуя
посредством химических связей двух- и многоатомные соединения – молекулы,
радикалы, ионы и кристаллы.
Образование таких соединений приводит к выигрышу в энергии, так как в
обычных условиях молекулярное состояние устойчивее, чем атомное.
Химические связи имеют в основном электромагнитный характер – при их
образовании
происходит
перераспределение
электронной
плотности
связывающихся атомов.
Главные отличительные черты химической связи:
1) полная энергия многоатомной системы меньше энергии изолированных
атомов или атомных фрагментов, из которых она образована;
2) электронная плотность в области химической связи существенно
перераспределена по сравнению с простым наложением электронных плотностей
несвязанных атомов или атомных фрагментов, сближенных на расстояние связи.
По характеру распределения электронной плотности связывающихся
атомов обычно выделяют следующие основные типы связей:
· ковалентная связь, которая осуществляется парой электронов, общих
для двух атомов, образующих связь. Атомы в молекуле могут быть соединены
ковалентной связью: одинарной (Н2, Н3С-СН3), двойной (Н2С=СН2), тройной (N2,
HC≡CH) или полярной (НСl, Н3С-Сl) в зависимости от электроотрицательности;
· ионная связь, в основе которой – электростатическое взаимодействие
между противоположно заряженными ионами, электрически заряженными
частицами, которые образуются из атома (молекулы) в результате потери или
присоединения одного или нескольких электронов. Положительно заряженные
ионы называются катионами, отрицательно заряженные – анионами. Примеры
ионной связи – молекулы NaCl, KF;
· металлическая связь, которая проявляется при взаимодействии атомов
элементов, имеющих избыток свободных валентных орбиталей по отношению к
числу валентных электронов; эту связь можно представить так: ионный
кристаллический остов погружен в электронный газ – свободные электроны,
которые непрерывно перемещаются между положительными ионами и
компенсируют электростатическое отталкивание ионов, связывая их в твердое
тело;
· координационная (донорно-акцепторная) связь характерна для
комплексных соединений (гемоглобин, хлорофилл и др.), в молекулах которых
выделяют центральный атом (комплексообразователь) и непосредственно
связанные с ним молекулы или ионы (лиганды, обычно 4 или 6).
Координационная связь обусловлена передачей электронной пары с заполненной
орбитали донора на вакантную орбиталь центрального атома (акцептора) с
образованием общей связывающей молекулярные орбитали. При этом
центральный атом и лиганды образуют внутреннюю сферу. Внешнюю сферу
составляют ионы, заряд которых компенсирует заряд внутренней сферы.
Помимо этого выделяют водородные связи и межмолекулярные
взаимодействия. Водородная связь образуется в результате взаимодействия
атома водорода, связанного ковалентной связью, с электроотрицательным
атомом и неподеленной парой электронов другого атома. Атомы могут
принадлежать как одной, так и разным молекулам. Водородная связь приводит к
ассоциации одинаковых или различных молекул в комплексы; она во многом
определяет свойства воды и льда, молекулярных кристаллов, структуру и
свойства белков, нуклеиновых кислот и др.
Межмолекулярные взаимодействия электрической природы происходят
между молекулами с насыщенными химическими связями. Впервые
существование такого взаимодействия принял во внимание Я. Д. Ван-дер-Ваальс
(1873) для объяснения свойств реальных газов и жидкостей.
В чистом виде перечисленные типы связей проявляются редко. В
большинстве соединений имеет место наложение разных типов связей. При этом
любая химическая связь образуется только тогда, когда сближение атомов
приводит к уменьшению полной энергии системы.
Сущность химического процесса
Условия среды на Земле таковы, что молекулы непрерывно разрушаются и
снова образуются. Одно из важнейших следствий образования молекул состоит в
высвобождении энергии (термодинамика). Понятно, что для разрыва химической
связи требуется некоторое количество энергии и такое же ее количество
высвобождается при образовании связи. Таким образом, нужно затратить
энергию, чтобы разделить молекулу на атомы, и энергия выделяется, когда
атомы образуют молекулу. Эта энергия проявляется в различных формах,
например в виде колебаний. Когда атомы соединяются, образующаяся молекула
начинает колебаться в результате сильного столкновения атомов. Вообще, когда
атомы образуют молекулу, энергия высвобождается и обычно проявляется в
форме движения, что эквивалентно теплоте. В некоторых особых случаях
энергия связи не превращается в теплоту: химические реакции присоединения
происходят таким образом, что энергия, выигранная при образовании молекул,
передается молекулам другого рода, т.е. энергия образования молекулы
запасается в другой молекуле, а не растрачивается в виде теплоты.
Если бы температура Земли была значительно выше, например как
температура поверхности Солнца, то многие молекулы никогда бы не
образовались из-за слишком сильного теплового возбуждения (атомы не могли
бы оставаться друг возле друга). Если бы температура Земли была гораздо ниже,
молекулы, соединяясь, образовали бы твердые тела и кристаллы и никакие
изменения не происходили. Но температура на Земле такова, что энергии
достаточно для разрушения некоторых молекул, однако количество энергии не
слишком велико, благодаря чему большинство соединений может существовать
в течение какого-то времени. Создание и разрушение молекул сообщают
постоянные изменения окружающей среде и создают тем самым возможность
жизни.
Одно из важнейших следствий образования молекул состоит в
высвобождении энергии. Этот процесс особенно нагляден при сжигании угля
или других веществ. Горение любого типа связано с образованием новых
молекул и, следовательно, с выделением тепловой энергии. Рассмотрим
подробнее, как и почему высвобождается энергия при соединении атомов в
молекулы. Понятно, что для разрыва химической связи требуется некоторое
количество энергии и такое же ее количество высвобождается при образовании
связи. Таким образом, нужно затратить энергию, чтобы разделить молекулу на
атомы, и энергия выделяется, когда атомы образуют молекулу. Эта энергия
проявляется в различных формах, например в виде колебаний. Когда атомы
соединяются, образующаяся молекула начинает колебаться в результате
сильного столкновения атомов. Вообще, когда атомы образуют молекулу,
энергия высвобождается и обычно проявляется в форме движения, что
эквивалентно теплоте.
В некоторых особых случаях энергия связи не превращается в теплоту:
химические реакции присоединения происходят таким образом, что энергия,
выигранная при образовании молекул, передается молекулам другого рода, т.е.
энергия образования молекулы запасается в другой молекуле, а не
растрачивается в виде теплоты. Этот случай важен для поддержания жизни.
Химические реакции, производящие энергию, всегда начинаются с
превращения молекул со слабыми связями в молекулы с прочными связями; при
этом высвобождается разница в энергиях сильной и слабой связи. Молекулы СО2
и воды имеют прочные связи; то же можно сказать о большинстве молекул, в
которых атомы связаны с кислородом. Молекулы, содержащие углерод и
водород, связаны слабо, они легко разрушаются и рекомбинируют, могут
образовывать длинные цепи и способны объединяться в сложные структуры.
Если их слабые связи превращаются в сильные связи с кислородом в результате
какого-либо процесса, то выделяется энергия. Благодаря этим свойствам они
играют важную роль в живой материи.
Принципы управления химическим процессом
Основная проблема в учении о химических процессах связана с тем, что
многие химические реакции были и остаются трудноуправляемыми. Одни из них
пока не удается осуществить, хотя в принципе они выполнимы. Другие сложно
остановить, например реакцию горения и взрывы. Трудности управления
третьими обусловлены тем, что в их процессе самопроизвольно создается
множество непредвиденных ответвлений с образованием побочных продуктов.
Суть проблемы заключается в следующем. Каждая химическая реакция обратима
и представляет собой перераспределение химических связей. Обратимость
служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. Однако на
практике равновесие смещается в ту или иную сторону в зависимости от
природы реагентов и условий процесса. Реакции, в которых равновесие смещено
"вправо" – в сторону образования целевых продуктов, обычно не требуют особых
средств управления. Таковы реакции кислотно-основного взаимодействия, или
нейтрализации, а также реакции, сопровождающиеся удалением готовых
продуктов в виде газов или осадков. Однако немало реакций происходит со
смещением равновесия "влево". Среди основных методов управления ими
выделяют термодинамические и кинетические (в первую очередь
каталитические).
Основными рычагами управления реакцией служат температура, давление
и концентрации реагирующих веществ. Кинетические (в первую очередь
каталитические) методы дают возможность влиять и на скорость химических
процессов. С их помощью удается добиться изменения хода процессов при
изменении структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов,
их концентрации, наличия в реакторе катализаторов (веществ, ускоряющих
химические реакции), ингибиторов (веществ, замедляющих реакции) и других
добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реакторов и
т.д.
К наиболее важным кинетическим методам относится ускорение
химической реакции в присутствии катализаторов – катализ (от греч. katalysis –
разрушение). Катализаторы (синтетические алюмосиликаты, металлы
платиновой группы, серебро, никель и др.) взаимодействуют с реагентами, но в
реакции не расходуются и не входят в состав продуктов. Каталитические реакции
являются основой многих химико-технологических процессов (например,
производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака). Большинство
процессов, происходящих в живых организмах, также являются
каталитическими (или ферментативными, так как биологические катализаторы
называются ферментами).
Химическая эволюция – процесс необратимых изменений, приводящий к
появлению новых химических соединений – продуктов, более сложных и
высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами. Эти процессы
стали активно и целенаправленно исследовать в 1970-е годы в связи с изучением
проблемы постоянно усложняющихся химических процессов до уровня,
способствовавшего возникновению живого вещества на Земле. Интерес к этим
процессам восходит к давним попыткам понять, как из неорганической материи
возникает органическая, а далее и жизнь (биогенез).
Проблема самоорганизации химических систем
Выделяют субстратный и функциональный подходы к решению проблем
самоорганизации предбиологических химических систем в биологические.
Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза является накопленная
информация об отборе химических элементов и структур.
Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих
проблем, стоящих перед человечеством: значительное ускорение химических
превращений в "мягких" условиях; осуществление новых, энергетически
затрудненных процессов путем сопряжения эндо- и экзотермических реакций;
возможность экономии углеводородного сырья и переход от нефти к углю –
более распространенному сырьевому источнику. Химия имеет реальные
предпосылки для моделирования и интенсификации фотосинтеза; фотолиза воды
с получением водорода как самого высокоэффективного и экологически чистого
топлива; промышленного синтеза на основе углекислого газа широкого спектра
органических продуктов, в первую очередь метанола, этанола, формальдегида и
муравьиной кислоты; промышленного синтеза многочисленных полимеров.
Сегодня созрели условия для создания малоотходных и энергосберегающих
промышленных производств.
Вопросы для самопроверки:
1)
Расскажите о химических явлениях.
2)
Что такое химический элемент?
3)
Что такое химическое соединение?
4)
Назовите типы химических связей.
5)
Расскажите о сущности химического процесса.
6)
Назовите кинетические методы.
7)
Что такое химическая эволюция?
8)
Расскажите о проблеме самоорганизации химических систем.
Лекция 16. Особенности биологического уровня организации материи
Вопросы для рассмотрения: Понятие биологии. Краткий исторический
очерк развития биологии. Некоторые основные обобщения биологических наук.
Понятие клетки. Современная биология - комплекс наук о живой природе.
Категория «живого».
Биология – это наука о живом, его строении, формах активности,
сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с
другом и с неживой природой. Современная биологическая наука – результат
длительного процесса развития.
Краткий исторический очерк развития биологии
Интерес к растениям и животным, вероятно, возник у наших предков еще
до того, как появился Homo sapiens. Обезьянолюди и человекообезьяны – наши
предшественники в эволюции – без сомнения, очень рано познали ряд
практических сведений, например, какие растения пригодны в пищу, какие
животные опасны, а на каких можно охотиться ради их мяса или меха, где
встречаются эти растения и животные и т.д. Некоторые представления
доисторического человека о современных ему животных дошли до нас в виде
наскальных изображений на стенах пещер.
Древние цивилизации Китая, Месопотамии и Египта накопили множество
сведений о растениях и животных и одомашнили крупный рогатый скот, овец,
свиней, кошек, гусей и уток. Греческие философы, жившие в VI-V веках до н.э. –
Анаксимандр, Ксенофан, Эмпедокл и другие, – выдвигали различные
умозрительные теории о происхождении растений и животных. Аристотель
(384-322 годы до н.э.), один из величайших греческих философов, в некоторых
сочинениях рассматривал биологические проблемы. Сделанные им описания
животных вполне удовлетворительны, и в них нетрудно узнать ряд современных
видов. Широта и глубина биологических интересов Аристотеля поразительны:
например, он тщательно изучил развитие цыпленка, размножение акул и пчел.
Он развил теорию, согласно которой растения и животные, постепенно
изменяясь, поднимались вверх по "лестнице природы", побуждаемые
внутренним стремлением к более сложной и более современной организации.
Греческий врач Гален (131-201 годы н.э.) экспериментировал на животных
и производил вскрытия. Будучи первым физиологом-экспериментатором, он
сделал ряд важных открытий, касающихся функций головного мозга и нервов, и
доказал, что артерии содержат кровь, а не воздух. В вопросах анатомии человека
он оставался непререкаемым авторитетом на протяжении примерно тринадцати
веков, хотя в его описаниях имеются довольно существенные ошибки: дело в
том, что Гален вскрывал свиней и обезьян, а не трупы людей. Плиний (23-79 годы
н.э.) составил энциклопедическую компиляцию (37 томов!), содержащую
сведения о всевозможных животных и местах их обитания; это была
удивительная смесь реальных фактов и вымыслов.
Переход к эпохе Возрождения начинался медленно и был возвещен
трудами таких ученых, как Роджер Бэкон (1214-1294) и Альберт Великий
(1206-1280), которых интересовали все области естественных наук и философия.
Гениальный Леонардо да Винчи (1452-1519) был не только инженером и
изобретателем, но также анатомом и физиологом. Некоторые из его
многочисленных оригинальных наблюдений из области биологии стали
известны лишь намного позже, когда были расшифрованы его записи.
Андрей Везалий (1514-1564) – бельгиец, который был профессором
Падуанского университета в Италии, – вскрывал человеческие трупы и делал
четкие зарисовки того, что он видел, при этом он обнаружил много неточностей в
анатомических описаниях Галена. Везалий подчеркивал, что следует опираться
не на авторитет Галена, а на тщательные оригинальные наблюдения. Этим он
навлек на себя критику и в конце концов был вынужден покинуть должность
профессора. Большой вклад в понимание процессов кровообращения внес
английский врач Уильям Гарвей (1578-1657), получивший образование в
Падуанском университете, где ранее преподавал Везалий. Раньше врачи
безоговорочно принимали теорию Галена о том, что кровь образуется в печени из
пищи и поступает в органы тела, где полностью используется. Полагали, что в
сердце нет мышечной ткани, и что оно лишь пассивно расширяется под
действием втекающей в него крови. Гарвей, основываясь на прямых
наблюдениях, доказал, что кровь используется многократно, вновь и вновь
проходя один и тот же путь. Гарвей заключил, что артерии соединены с венами
очень тонкими сосудами, замыкающими круг кровообращения, хотя он и не мог
их видеть.
Создание микроскопа открыло новые возможности для изучения
биологических проблем. Одними их первых микроскоп использовали Р. Гук
(1635-1703), М. Мальпиги (1628-1694), А. ван Левенгук (1632-1723) и Я.
Сваммердам (1637-1680), которые исследовали строение растительных и
животных тканей. Д. Рэй (1627-1705) и К. Линней (1707-1778) создали систему
классификации растений и животных, ввели биноминальную номенклатуру (с
использованием двух наименований – родового и видового), которая позволила
дать каждой форме растений и животных определенной научное название. Эту
номенклатуру впервые последовательно применил Линней в 10-м издании своей
"Системы природы" (1758).
Большую роль в развитии физиологии сыграли Р. Декарт (1596-1650), Ч.
Белл (1774-1842) и Ф. Мажанди (1783-1855), внесшие значительный вклад в
понимание функций головного мозга и спинномозговых нервов. И. Мюллер
(1801-1858) изучал свойства нервов и капилляров; написанный им учебник
физиологии возбудил большой интерес к этой области и послужил стимулом для
многочисленных исследований. К. Бернар (1813-1878) – один из активных
пропагандистов экспериментальной физиологии – обогатил наши знания о
функциях печени, сердца, головного мозга и плаценты. Д. Хантер (1728-1793) и
Ж. Кювье (1769-1832) одними их первых стали изучать сходные образования у
различных животных, положив начало развитию сравнительной анатомии. Р.
Оуэн (1804-1892) ввел представление о гомологии и аналогии. Кювье был также
одним из первых исследователей ископаемых форм, его считают основателем
палеонтологии. Несмотря на это, Кювье твердо верил в неизменность видов и вел
ожесточенные споры с Ламарком, который в 1809 г. выдвинул теорию эволюции,
основанную на представлении о передаче по наследству приобретенных
признаков.
В последние сто лет биология развивалась поистине поразительными
темпами. За это время сформировались такие ее разделы как цитология, генетика,
теория эволюции, биохимия, биофизика, другие области. Открытия в области
химии и физики и непрерывное совершенствование физических и химических
методов исследования создали возможность по-новому подойти к изучению
многих биологических проблем.
Некоторые основные обобщения биологических наук
Одно из основных обобщений биологии состоит в том, что все явления
жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с
помощью этих законов. Вплоть до начала XX века большинство людей, в том
числе и большая часть биологов, были убеждены, что жизненные процессы в
самой своей основе чем-то отличаются от процессов, происходящих в неживых
системах. Позднее в результате успехов в понимании химических и физических
явлений стало ясно, что и множество проявлений жизни, хотя они гораздо более
сложны, можно объяснить в понятиях физики и химии, не привлекая для этого
таинственную "жизненную силу". Свойства живых клеток и организмов,
казавшиеся в свое время столь загадочными, становятся вполне понятными.
Многие сложные процессы, свойственные живым системам, уже можно при
надлежащих условиях воспроизвести в пробирке.
Другое важнейшее обобщение биологии – клеточная теория. В ее
современной форме эта теория утверждает, что все живые организмы –
животные, растения и бактерии – состоят из клеток и из продуктов их
жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших
ранее клеток. Все клетки в основном сходны по химическому составу и обмену
веществ; активность организма как целого слагается из активности и
взаимодействия отдельных клеток. Клетки впервые описал Р. Гук, который
рассматривал кусочек пробки под одним из весьма несовершенных микроскопов
XVII века. То, что он при этом увидел, были на самом деле стенки отмерших
клеток. Лишь спустя почти двести лет биологи поняли, что главную роль играет
не стенка клетки, а ее внутреннее содержание. Подобно многим другим
основополагающим концепциям, клеточная теория не есть плод мысли и
исследований одного ученого. Авторами этой теории обычно считают ботаника
М. Шлейдена и зоолога Т. Шванна, которые в 1838 г. впервые констатировали,
что растения и животные представляют собой скопление клеток, расположенных
в определенном порядке. Как это случалось и во многих других областях науки,
Шлейден и Шванн, не будучи первыми авторами, провозгласившими некий
принцип, тем не менее, сформулировали его столь ясно и убедительно, что идея
приобрела популярность и, в конце концов, была принята большинством
биологов того времени.
По современным представлениям, клетка – это элементарная живая
система, основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений.
Клетки существуют как самостоятельные организмы (например, простейшие,
бактерии) и в составе многоклеточных организмов, в которых имеются половые
клетки, служащие для размножения, и клетки тела (соматические), различные по
строению и функциям (например, нервные, костные, мышечные, секреторные).
Размеры клеток варьируются в пределах от 0,1-0,25 мкм (некоторые бактерии) до
155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Живой организм состоит из миллиардов самых
разнообразных клеток. Их форма колеблется от совсем простой до самой
причудливой, напоминающей паука, снежинку, звездочку и все что угодно. В
каждой клетке различают две основных части: ядро и цитоплазму. Клетки
растений, как правило, покрыты твердой оболочкой. Структурными элементами
ядра клетки являются хромосомы, содержащие молекулы ДНК, в которых
заключена наследственная информация организма. В хромосомах в линейном
порядке расположены гены. Ген – единица наследственного материала,
ответственная за формирование какого-либо элементарного признака.
Совокупность всех генов организма составляет его генетическую конституцию –
генотип.
По-видимому, нет таких случаев, на которые не распространялось бы
третье обобщение: все живое происходит только от живого. По существу, это
логическое следствие клеточной теории, которое впервые четко сформулировал
Р. Вирхов: "Все живые клетки возникают из предсуществующих живых клеток".
Иными словами, самопроизвольное образование клетки из неживой материи
невозможно. Представление о том, что даже такие довольно крупные организмы,
как черви, лягушки и крысы, могут возникнуть путем самопроизвольного
зарождения, оставалось широко распространенным вплоть до конца XVII века,
пока оно не было, наконец, опровергнуто классическими экспериментами
итальянцем Ф. Реди в 1680 г.
В последние годы стало ясно, что, хотя в настоящее время
самопроизвольного зарождения жизни не происходит, оно все-таки, вероятно,
произошло миллиарды лет назад, когда жизнь впервые появилась на нашей
планете. И если в наше время самозарождение живых организмов в высшей
степени маловероятно, то в ту первоначальную эпоху, в совершенно иных
условиях среды оно, по-видимому, действительно происходило. Теория
происхождения первых живых существ из неживой материи была выдвинута
Порлюгером, Дж. Холдейном, Р. Бейтнером, но особенно детально она
разработана отечественным биохимиком академиком А. И. Опариным в его
книге "Возникновение жизни" (1936).
Живые организмы и составляющие их клетки – это преобразователи,
которые превращают химическую энергию пищи – энергию, первоначально
уловленную зелеными растениями из солнечного света, – в электрическую,
механическую или какую-либо иную форму, в которой она может быть
использована живыми организмами. Каждая живая клетка обладает весьма
эффективными и сложными механизмами для преобразования энергии. Лучистая
энергия солнечного света – главный источник энергии для всех форм жизни на
Земле. Первое из важнейших преобразований энергии на нашей планете
осуществляют зеленые растения. Они превращают лучистую энергию Солнца в
химическую. Последняя запасается в форме связей, соединяющих атомы в
определенных молекулах, например, в глюкозе. Этот первый этап
преобразования энергии называется фотосинтезом. Химическая энергия
используется затем для синтеза углеводов и других веществ из двуокиси
углерода (СО2) и воды (Н2О). Второй важнейший этап в цепи преобразований
энергии на нашей планете совершается во всех клетках, как растительных, так и
животных, при дыхании. В процессе дыхания химическая энергия углеводов и
других молекул в результате окисления этих молекул преобразуется в
биологически полезную энергию. Использование клетками таких пищевых
веществ, как глюкоза, происходит путем ряда реакций с образованием
аденозинтрифосфата (АТФ). На третьем этапе в цепи преобразования
химическая энергия, полученная из пищевых веществ и связанная в форме АТФ,
используется клетками для совершения разнообразных видов работы. АТФ
служит источником энергии, необходимой для передачи нервных импульсов, для
мышечного сокращения, для синтеза сложных макромолекул из более простых
составных частей и для множества других жизненных функций. При
осуществлении всех этих биологических функций энергия в конце концов
рассеивается в окружающую среду в бесполезной для организма форме – в форме
тепла.
Представление об эволюции живых организмов – одно из важнейших
обобщений биологической науки. Все многочисленные формы растений и
животных, существующие ныне, произошли от существовавших ранее более
простых организмов путем постепенных изменений, накапливавшихся в
последовательных поколениях, – такова сущность этой великой объединяющей
концепции биологии. Элементы этой идеи в неявной форме содержались в
произведениях некоторых греческих философов, от Фалеса до Аристотеля,
живших до нашей эры. Мысли об эволюции органического мира высказывали
многие философы и естествоиспытатели в период с XIV по XIX века. Однако
лишь после того, как Ч. Дарвин опубликовал в 1859 г свою книгу
"Происхождение видов путем естественного отбора", теория эволюции
привлекла к себе всеобщее внимание. В этой книге Дарвин привел массу
подробных фактических данных и убедительных доводов в пользу того, что
органическая эволюция действительно имеет место.
Для того чтобы объяснить, каким образом может происходить эволюция,
Дарвин выдвинул теорию естественного отбора. Согласно этой теории, любая
группа животных или растений имеет тенденцию к изменчивости. Организмов
каждого вида рождается больше, чем может найти себе пищу и выжить. Между
множеством рождающихся особей происходит борьба за существование. Те
особи, которые обладают признаками, дающими им какое-либо преимущество в
этой борьбе, имеют больше шансов выжить, чем особи, лишенные таких
признаков. Выжившие организмы передают эти выгодные признаки своему
потомству, так что благоприятные изменения передаются последующим
поколениям. Ядро теории Дарвина составляет концепция борьбы за
существование и "выживания наиболее приспособленных", передающих
выгодные признаки своему потомству. Эта концепция занимала центральное
место в биологической теории на протяжении последующих ста лет. С
некоторыми поправками, внесенными в нее позднейшими открытиями в области
генетики и эволюции, ее принимает и большинство современных биологов.
Современная биология - комплекс наук о живой природе
В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о
живой природе. Его структуру можно рассматривать с разных точек зрения:
– по объектам исследования биология подразделяется на вирусологию,
бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию;
– по свойствам, проявлениям живого в биологии выделяются: морфология,
изучающая строение живых организмов; физиология, изучающая процессы
функционирования
организмов;
молекулярная
биология,
изучающая
микроструктуру живых тканей и клеток; экология, рассматривающая образ
жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой; генетика,
исследующая законы наследственности и изменчивости.
– по уровню организации исследуемых живых объектов выделяются:
анатомия, изучающая макроскопическое строение животных; гистология,
изучающая строение тканей; цитология – наука о строении живых клеток.
Эта многоплановость комплекса биологических наук обусловлена
чрезвычайным многообразием живого мира. К настоящему времени биологами
обнаружено и описано более 1,5 млн. видов животных, около полумиллиона
видов растений, несколько сот тысяч видов грибов, более 3 тыс. видов бактерий.
Причем мир живой природы исследован далеко не полностью. Число
неописанных видов оценивается примерно в 1 миллион.
Категория "живого"
В развитии биологии выделяют три основных этапа:
1) систематики (К. Линней);
2) эволюционный (Ч. Дарвин);
3) биологии микромира (Г. Мендель).
Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих
основ биологического мышления, со сменой биологических парадигм. Благодаря
развитию современной биологии микромира, познанию молекулярных структур
живого отчетливее стало просматриваться единство природы, органического и
неорганического мира, специфика живого. Важнейшим инструментом
дальнейшего познания этого мира служит категория "живого", являющаяся
ключевой, исходной для всей системы биологических наук. Так что же такое
жизнь, живая природа?
Интуитивно мы все понимаем, что есть живое и что – мертвое. Однако при
попытке определить сущность живого возникают трудности. Так, один из
авторов предложил следующее "глубокомысленное" определение: живой
организм – это тело, слагаемое из живых объектов; неживое тело – слагаемое из
неживых объектов. Но кроме подобных, явно бессодержательных, имеются и
другие, научные определения. Однако и они на поверку оказываются
неполными и потому уязвимыми. Широко известно, например, определение,
данное Ф. Энгельсом, что жизнь – это способ существования белковых тел,
существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с
окружающей их внешней природой. Но ведь и живая мышь, и горящая свеча с
физико-химической точки зрения находятся в одинаковом состоянии обмена
веществ с внешней средой, равно потребляют кислород и выделяют углекислый
газ, но в одном случае – в результате дыхания, а в другом – в процессе горения.
Этот простой пример показывает, что обмениваться веществами с окружающей
средой могут и мертвые объекты. Таким образом, обмен веществ является хотя и
необходимым, но недостаточным критерием определения жизни, впрочем, как и
наличие белков. Можно сделать вывод, что дать точное определение жизни
весьма непросто. Это люди поняли очень давно. Так, французский
философ-просветитель Д. Дидро писал: "Я могу понять, что такое агрегат, ткань,
состоящая из крохотных чувствительных телец, но живой организм!.. Но целое,
система, представляющая собой единый организм, индивидуум, сознающий себя
как единое целое, выше моего понимания! Не понимаю, не могу понять, что это
такое!"
Современная биология при описании живого идет по пути перечисления
основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только
совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.
С учетом современного уровня знаний одно из наиболее полных
определений жизни дал российский ученый Волькенштейн: "Существующие на
Земле живые тела представляют собой разноуровневые открытые
саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, имеющие в своем
составе биополимеры (белки и нуклеиновые кислоты) и фосфорорганические
соединения". Здесь подчеркивается значение нуклеиновых кислот,
обеспечивающих преемственность признаков и свойств. Хотя, например, под это
определение подходит жизнь компьютерных вирусов при замене белков и
нуклеиновых кислот (биологический носитель) на электромагнитную материю
(электромагнитный носитель). Интересно, что в Интернете открыт специальный
сайт, где каждый может дать собственное определение жизни.
Таким образом, вопрос об отличии живого и не живого до сих пор остается
дискуссионным. С принципиальной точки зрения отличия живого и неживого
заключаются в наличии комплекса признаков и их более качественном
состоянии. Один из самых ярких примеров – игра Каспарова с
суперкомпьютером, где качеству мышления противостоит скорость и объем
расчетов. Каспаров проиграл, но компьютер не стал от этого живым.
Для наиболее общего описания свойств биологических систем достаточно
адекватными оказались принципы кибернетики, т.е. управления и связи (Н.
Винер). Очень важно для общего понимания общих свойств живых систем уметь
анализировать коммуникационные цепи и контуры управления для различных
уровней биологической организации. Своеобразие живых систем, показатель
более высокого уровня их организации по сравнению с неживыми – это
постоянное "принятие решений", адаптация к изменениям микроокружения,
"перенормировка вероятностей" и выбор наиболее целесообразного способа
поведения. При этом характерен именно информационный аспект жизненных
процессов, т.к. организмы способны сортировать и оценивать информацию,
исходящую как извне, так и из внутренней среды организма, по ее значимости
для процессов самовоспроизведения и сохранения жизнеспособности.
Резюме:
1. Живая материя – всего лишь структурная часть материи вообще, так как
имеется множество общих свойств.
2. Вместе с тем живая материя принципиально отличается от неживой по
комплексу признаков.
3. При этом отличия скорее качественные, более сложно организованные,
активно возбуждаемые живой природой.
4. Хотя все люди безошибочно, но часто не осознанно, отличают живое от
неживого, эта проблема еще не решена окончательно с научной и
морально-философской точки зрения.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое биология?
2)
Расскажите об основных биологических науках.
3)
Что вы знаете о современной биологии?
Лекция 17. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых
систем
Вопросы для рассмотрения: Концепция Чарльза Дарвина. Изменчивость.
Наследственность. Естественный отбор. Формы естественного отбора.
Механизмы эволюции. Принцип А. Пуанкаре (закон дивергенции).
Синтетическая
теория
эволюции.
Понятие
микроэволюции.
Макроэволюционные закономерности. Свойства материальных систем.
В 1858 году Ч. Дарвин и А. Р. Уоллес высказали мысль, что существующие
виды не были созданы независимо друг от друга и не являются неизменными, но
каждый вид, постепенно изменяясь, со временем может дать начало новому виду.
То, что виды не постоянны, а изменяются или эволюционируют, не было новой
точкой зрения. Однако новой была гипотеза, что естественный отбор –
необходимый процесс, управляющий этими изменениями и контролирующий их.
Концепция Дарвина построена на признании объективно существующих
процессов в качестве факторов и причин развития живого. Он объяснил
объективно существующую целесообразность в строении и функционировании
организмов, их взаимную приспособленность друг к другу. В основе
дарвиновской триады лежат изменчивость, наследственность и естественный
отбор.
Изменчивость
Первым звеном дарвиновской триады является одно из важнейших свойств
живой природы – изменчивость, т.е. разнообразие признаков и свойств у особей
и групп особей любой степени родства. Двух одинаковых особей в природе не
найдешь, даже в потомстве одной пары родителей особи всегда будут
отличаться. Дарвин обращает внимание на большое разнообразие сортов
растений и пород животных, предками которых является один вид или
ограниченное число диких видов. Различия между отдельными сортами или
породами одного вида бывают более значительными, чем между некоторыми
дикими видами, родами или даже семействами. Показав широкий размах
изменчивости домашних форм, Дарвин приводит неопровержимые
доказательства изменения видов под влиянием условий существования. При
этом он установил, что наследственная изменчивость – основа эволюционного
процесса.
Под групповой изменчивостью Дарвин понимал сходное изменение всех
особей популяции в одном направлении вследствие влияния определенных
условий. Например, изменение роста при изменении количества и качества
пищи, толщины кожи, густоты шерстного покрова – от изменения климата и т.п.
Неопределенная индивидуальная изменчивость – это проявление
разнообразных незначительных отличий у особей одного и того же вида, сорта,
породы, которыми, существуя в сходных условиях, одна особь отличается от
других. Действительно, в повседневной жизни мы часто наблюдаем сходство в
отдельных чертах у себя и своих родителей, у домашних животных и их
потомков. Многочисленны подобные примеры и в растительном мире. Таким
образом, всем живым организмам присуща индивидуальная наследственная
изменчивость. Вследствие этого наблюдается естественное неравенство
организмов. Другими словами – особи не тождественны друг другу.
Изменчивость – это любые проявления неопределенности, стохастичности
(случайности). Они составляют естественное содержание всех процессов
микромира, но имеют место и на макроуровне. Изменчивость лежит в основе
функционирования всех механизмов нашего мира на любом уровне его
организации. Мир так устроен, что случайность и неопределенность – его
объективные характеристики. Изменчивость же создает то поле возможностей,
из которых возникает многообразие организационных форм. Но она также
служит и причиной разрушения. Такова диалектика самоорганизации
(синергетики). Одни и те же факторы изменчивости стимулируют как созидание,
так и разрушение.
Наследственность
Следующим свойством живых систем после изменчивости является
наследственность – свойство родителей передавать свои признаки потомкам,
следующему поколению. Это свойство не абсолютно: дети никогда не бывают
точными копиями родителей, но кошка приносит на свет всегда только котят, а
из семян пшеницы вырастает только пшеница. В процессе размножения от
поколения к поколению передаются не признаки, а код наследственной
информации, определяющий лишь возможность развития будущих признаков в
определённом диапазоне. Наследуется не признак, а норма реакции
развивающейся особи на действие внешней среды.
Уже в XIX веке ученые начали понимать, что передачу признаков по
наследству осуществляют какие-то частицы, имеющиеся в клетках, которые
потом получили название генов. Установлено, что возможность возникновения
всех наследственных признаков организма – от простейших клеток до человека –
"записана", закодирована в виде последовательности нуклеотидов ДНК,
передающейся от клетки к клетке из поколения в поколение с момента
возникновения жизни на Земле. Наследственность и ее противоположность
изменчивость – два необходимых условия жизни.
Естественный отбор
Естественный отбор – единственный направленный эволюционный
фактор, необходимый процесс, который управляет изменениями и контролирует
их. В основе дарвиновской теории лежит факт весьма интенсивного размножения
организмов. Если бы для размножения не было преград, то увеличение
численности любого вида живых существ шло в геометрической прогрессии.
Даже медленно размножающиеся организмы очень быстро заняли бы
поверхность земного шара. Но этому размножению противостоят
многочисленные препятствия, приводящие к огромной смертности, в
особенности среди личинок и молоди. Во многих случаях смертность
определяется врагами и паразитами, размножающимися параллельно
увеличению численности тех организмов, которые служат им пищей. Таким
образом, не только при наличии перенаселения, но и без него размножению
любого вида организмов противостоят всевозможные препятствия. Таковыми
являются: неблагоприятные влияния физических факторов, истребление врагами
и паразитами, болезни, голод и т.д.
Организм встречает в этих факторах сопротивление не только увеличению
своей численности, но и своему существованию. Только путем преодоления
этого сопротивления данный вид может сохранить для себя и своего потомства
место в фауне и флоре данной территории. Эту форму активности организма в
обеспечении своей жизни и жизни своего потомства Дарвин назвал борьбой за
существование. Здесь идет речь об активности организмов, направленной на
поддержание своей жизни и на оставление потомства. Она выражается в
конкуренции и пассивных формах соревнования. Главным остается результат. В
некоторых случаях выживаемость вида обеспечивается массовостью потомков
(рыба луна выметывает более 300 млн. икринок, из которых выживает несколько
особей). В других случаях проявляется забота о потомстве, что приводит к
большей выживаемости. Три основные формы борьбы за существование:
· межвидовая;
· внутривидовая;
· борьба с неблагоприятными условиями среды.
Примеры межвидовой борьбы многочисленны. С экологической точки
зрения, она представлена хищниками, паразитами и конкуренцией. И волки, и
лисы охотятся за зайцами. Между волками и зайцами, а также между лисами и
зайцами идет напряженная борьба за существование. Отсутствие добычи
обрекает хищников на голод и гибель. В то же время между хищниками –
волками и лисами – тоже существует конкуренция за пищу. Это не означает, что
они непосредственно вступают в борьбу друг с другом, но успех одного означает
неуспех другого.
Травоядные животные смогут выжить и оставить потомство только в том
случае, если они сумеют избежать хищников и будут обеспечены пищей. Но
растительностью питаются разные виды животных – что досталось одному, не
досталось другому. Существование трав, в свою очередь, зависит не только от
поедания их животными, но и от других условий: опыления цветков,
конкуренции с другими растениями за свет, влагу и т.д. Беспрепятственное
размножение микроорганизмов сдерживают, помимо прочих факторов,
антибиотики, выделяемые грибами, и фитонциды, образуемые земными
растениями. К межвидовой борьбе относится и взаимодействие организмов в
форме паразитизма, при которой организм хозяина становится менее
конкурентоспособным.
Внутривидовая борьба означает конкуренцию между особями одного вида,
у которых потребность в пище, территории и других условиях существования
одинаковая. Дарвин считал внутривидовую борьбу самой напряженной.
Выживают лишь наиболее приспособленные к данным условиям особи. Они
образуют новую популяцию, что в целом способствует выживанию вида. В
борьбе за существование выживают и оставляют потомство индивиды,
обладающие таким комплексом признаков и свойств, которые позволяют
наиболее успешно конкурировать с другими.
В природе происходят процессы избирательного уничтожения одних
особей и избирательного выживания других – явление, названное Дарвином
естественным отбором. Естественный отбор – это сохранение благоприятных
индивидуальных различий и изменений и уничтожение вредных. Особи,
успешно противостоящие неблагоприятным факторам и лучше использующие
ресурсы внешней среды, с большей вероятностью могут оставить потомство.
Этот процесс, действующий на протяжении десятков и сотен поколений, –
главная движущая сила эволюции.
В настоящее время учение о естественном отборе пополнено новыми
фактами, развито множество новых подходов. Понятие "естественный отбор"
относится к фундаментальным понятиям не только эволюционного учения, но и
всей биологии. С точки зрения биологии, выживает сильнейший, наиболее
приспособленный. Внутривидовой отбор отбирает те признаки, те особенности,
которые, возникнув в результате действия случайных факторов, затем
передаются в будущее за счет действия механизма наследственности.
Внутривидовая борьба порождает отбор в живом мире – это фильтр, принцип
отбора. Принципами отбора являются все законы сохранения, законы физики и
химии. К числу принципов отбора относится и второй закон термодинамики, не
выводимый из законов сохранения. В экономике принципами отбора являются
условия баланса и т.д.
Различают три главные формы отбора:
· движущий;
· стабилизирующий;
· деструктивный.
При движущем, или центробежном, отборе большую вероятность оставить
потомство имеют особи, изменившиеся по каким-нибудь признакам по
сравнению со средней для данного вида нормой. Отбирается один тип
отклонения от нормы. Так появляются на свет более устойчивые к антибиотикам
бактерии, более быстрые зайцы, засухо- и морозоустойчивые растения. Это путь
возникновения новых видов, лучше приспособившихся к условиям внешней
среды, чем виды-родители.
Стабилизирующий, или центростремительный, естественный отбор
сохраняет в популяции среднее значение признаков (норму) и не пропускает в
следующее поколение наиболее отклонившихся от этой нормы особей. Это путь
сохранения видов неизменными.
При деструктивном (деструкция – нарушение нормальной структуры
чего-либо), или разрывающем, отборе отбирается не один, а несколько признаков
отклонения от нормы (два или больше). Это путь дробления предкового вида на
дочерние группировки, каждая из которых может стать новым видом. При этом
единый прежде вид распадается на группировки (расы, формы), отличающиеся
морфологически, по времени размножения или же по предпочитаемой пище.
Человек применяет деструктивный отбор, выводя мясные и молочные породы
рогатого скота, разные породы собак, сорта культурных растений и т.п.
Выделяют еще семейный, или групповой, отбор, когда преимущество в
размножении получают не отдельные особи, а вся группа в целом. Так возникают
приспособительные черты группового поведения муравейника, пчелиной семьи,
табуна копытных или стаи обезьян.
Отбор бывает не только естественным, но и искусственным.
Искусственный отбор – это способ, с помощью которого наряду с гибридизацией
человек создает высокопродуктивные породы животных, сорта культурных
растений. Темпы эволюции, управляемой человеком, гораздо быстрее, чем в
природе. Это объясняется тем, что искусственный отбор гораздо эффективнее
естественного: человек сохраняет только те организмы, которые ему нужны, а в
природе большинство полезных мутаций лишь несколько увеличивает
вероятность выживания и размножения.
Термин "искусственный отбор" не отождествляется с естественным.
Высшие формы искусственного отбора явно отличны от естественного. Человек
выбирает подходящие ему особи для размножения. Очень часто в природном
отношении это уроды, например, болонка, которая в естественных условиях
обречена на гибель.
Механизмы эволюции
Механизмы эволюции базируются на адаптациях (приспособление
организмов к окружающей среде) и катастрофических явлениях.
Главная особенность катастрофических механизмов –неопределенность
будущего, которая является следствием того, что будущее состояние системы
при переходе ее характеристик через пороговое состояние определяется, прежде
всего, случайностью, а она присутствует везде. Система как бы забывает свое
прошлое. В этой точке происходит разветвление путей эволюции, и предсказать,
по какой ветви пойдет развитие дальше, нельзя. Обратного хода эволюции уже
нет (разбитая чашка, даже склеенная, есть разбитая чашка). Пороговые
механизмы свойственны не только неживой природе, но и процессам,
протекающим в мире живой природы и обществе.
Учеными, например, установлено, что на Земле более или менее регулярно
происходит повышение солнечной активности, в результате которого резко
меняются условия жизни на Земле, появляются мутанты (повышение фоновой
радиации после Чернобыльской катастрофы также привело к резкому
возрастанию числа мутантов). Повышение солнечной активности стимулирует
быстрое вымирание старых видов растений и животных и появление новых.
Поэтому катастрофические состояния биосферы – столь же естественные
элементы эволюционного процесса, как адаптация и внутривидовая борьба.
Принцип А. Пуанкаре. Закон дивергенции
Реальные процессы развития дают целую гамму различных механизмов.
Законы физики, химии и другие принципы отбора устанавливают определенные
границы изменения состояния системы, определяют так называемые каналы,
внутри которых и будут протекать эволюционные процессы. Однако множество
случайных факторов стараются вывести системы за эти границы. Поток внутри
канала следует механизму адаптационного типа, границы которого определены
законами развития.
Смысл принципа А. Пуанкаре состоит в том, что если эволюционный поток
выходит на перекресток – пересечение нескольких каналов эволюции, –
возникает несколько вариантов дальнейшего развития эволюционного процесса.
Характер развития качественно меняется и этих вариантов столько, сколько
каналов эволюции выходит на перекресток. Выбор канала непредсказуем и
неопределен. Какова будет новая организация системы – предсказать
невозможно в принципе, так как выбор канала зависит от тех случайных
факторов, которые неизбежно присутствуют в момент выхода системы на
перекресток каналов эволюции.
Изложенная интерпретация характера эволюции делает наглядным один из
общих законов самоорганизации материи – закон дивергенции, суть которого в
следующем: процесс развития характеризуется непрерывным усложнением и
ростом разнообразия организационных форм материи.
Дивергенция в переводе с позднелатинского означает расхождение. Здесь
имеется в виду расхождение признаков и свойств у первоначально близких групп
организмов в процессе эволюции. Это результат обитания в разных условиях и
неодинаково направленного естественного отбора. Закон дивергенции
характерен для всех трех форм развития материального мира: он действует в
мире неживой природы, эволюции живых существ и обществе. С ростом
сложности системы возрастает вероятность увеличения числа возможных путей
дальнейшего развития, т.е. дивергенции. С увеличением сложности системы
количество состояний, в которых могут происходить катастрофы, быстро
возрастает, как и вероятность увеличения числа возможных путей дальнейшего
развития. Это означает, что процесс самоорганизации ведет к непрерывному
увеличению числа организационных форм, так как вероятность появления двух
развивающихся систем в одном и том же канале эволюции практически равна
нулю.
Синтетическая теория эволюции
В ходе развития биологических наук классическое эволюционное учение
Дарвина было значительно дополнено и уточнено. Ключевые положения этого
учения получили обоснование с молекулярно-генетической точки зрения. В
результате возникла современная синтетическая теория эволюции (принято
использовать сокращение СТЭ).
Современная молекулярная биология установила, что изменчивость
проявляется на генетическом, молекулярном уровне в виде так называемых
мутаций и происходит непредсказуемо под воздействием внутренних и внешних
случайных факторов. Мутационный процесс обусловливает разнообразие особей
в популяции. Будучи по своей природе принципиально случайным, он не может
задавать направление эволюции. Фактором, определяющим направленность
эволюции, служит естественный отбор. Без естественного отбора случайные
мутации постепенно приводили бы к размытию совокупности внутренних
(генотип) и внешних (фенотип) признаков вида. Эволюция есть единый
направленный процесс исторического изменения живых организмов. Но в СТЭ
различают два ее уровня: микроэволюцию (на популяционно-видовом уровне) и
макро-эволюцию (на надвидовом уровне).
Современное
толкование
"микроэволюции"
дал
Н.
В.
Тимофеев-Ресовский: микроэволюция – это эволюционные процессы,
происходящие за относительно короткие промежутки времени на ограниченных
территориях, протекающие в популяциях и завершающиеся видообразованием.
В макроэволюции проявляются самые общие закономерности и
направления исторического развития как всей совокупности живого, так и
отдельных надвидовых групп. В СТЭ признано, что элементарной единицей
эволюции является популяция, а не вид (как считалось в классическом
эволюционном учение). Изменения, происходящие в рамках микроэволюции,
доступны непосредственному наблюдению. Несколько сложнее дело обстоит с
наблюдениями макроэволюционных изменений. Ранее ход макроэволюции
изучался только путем его реконструирования, воссоздания. Но благодаря
успехам молекулярной генетики появилась возможность непосредственного
изучения результатов макроэволюции при использовании "молекулярных
документов" эволюции: объектом непосредственного исследования стали
макромолекулы, изъятые как из ныне живущих, так и из ископаемых форм.
Образование видов происходит в процессе микроэволюции двумя путями.
Первый (наиболее распространенный) – разделение исходного вида на два и
более новых. Второй – гибридизация, то есть объединение двух разных
генотипов и образование их гибрида (менее распространен из-за трудностей
преодоления генетической несовместимости между видами). Процессы
первичного обмена генетической информацией протекают внутри популяций –
многочисленной совокупности особей одного вида. В пределах популяции и
протекают процессы микроэволюции, составляющие основу эволюционного
процесса в целом. Важными факторами микроэволюции являются мутации,
естественный отбор, популяционные волны и изоляция.
О мутациях и естественном отборе мы уже говорили. Популяционные
волны (или волны жизни) представляют собой колебания численности особей в
популяциях под воздействием множества меняющихся условий (климатических
условий, урожайности кормов и т.д.). В периоды сильного уменьшения
численности популяции резко изменяется концентрация редко встречающихся
мутаций и генотипов, что повышает их роль в отборе и эволюции. Изоляция
проявляется в резком ограничении скрещивания особей разных популяций.
Эволюционная суть изоляции состоит в разрыве единого генофонда вида на
несколько изолированных. Она усиливает генетические различия изолированных
популяций (что может со временем привести к образованию новых видов) и
является обязательным условием эволюционного процесса.
К макроэволюционным закономерностям относятся следующие:
1. Прогрессивная направленность эволюции в целом, которая проявляется
в появлении организмов со все более высоким уровнем организации и все
большей способностью приспосабливаться к изменяющимся условиям
окружающей среды. При этом макроэволюционный процесс носит
многоуровневый характер. В ходе эволюции образовались организмы разного
уровня сложности – от простейших одноклеточных, простых многоклеточных
(водорослей, кишечнополостных и т.д.) до млекопитающих. Все эти уровни (не
следует путать с видами!) представлены в живом мире и продолжают
эволюционировать. Высший уровень сложности связан с появлением и
эволюцией мыслящего живого существа – человека.
2. Неравномерность темпов эволюционного процесса определяется
сложным сочетанием внутренних (молекулярно-генетических) особенностей
организмов и внешних изменяющихся условий окружающей среды. Так,
крупное, качественно новое изменение в строении и функциях организма
(фенотипе) является новым фактором эволюции, рождающим новые формы
отбора. Такие изменения могут дать подавляющее преимущество в борьбе за
существование и быстро привести к появлению новой крупной группы
организмов. Например, появление разумного поведения у высших животных
явилось существенным в их эволюции и привело к появлению человека. Затем
темпы эволюции этой группы могут и не быть столь же высокими.
3. Неверно было бы думать, что все ранее существовавшие виды живого (а
теперь ископаемые формы) должны вместе составлять некую единую
последовательность, протянувшуюся от прошлого к настоящему. Многие виды в
процессе эволюции исчезают (представляя собой тупиковые ветви
эволюционного дерева). Исчезнувшие в процессе эволюции отдельные виды
впоследствии никогда не восстанавливаются в прежней форме. В этом существо
принципа необратимости эволюции, который сформулировал еще Дарвин: "Вид,
раз исчезнувший, никогда не может появиться вновь, если бы даже снова
повторились
совершенно
тождественные
условия
жизни".
С
молекулярно-генетической точки зрения современной биологии это объясняется
невозможностью повторения состава генофонда исчезнувшего вида. Вот почему
важно максимальное сохранение существующих на Земле видов. Невыполнение
этой задачи означает постепенную и уже невосполнимую утрату генофонда
видов, возникших в ходе длительного эволюционного развития.
Эволюцию живой системы (например, популяции) можно рассматривать
как самоорганизацию в ней. Самоорганизующаяся система нелинейна:
размножение само по себе обеспечило бы нелинейный (экспоненциальный) рост
численности. Ограниченный ресурс питания в совокупности с нелинейностью
роста дает конкуренцию. Конкуренция приводит к естественному отбору –
обратной связи между мутацией и ее целесообразностью. Отбор вместе с
механизмом наследственности – репликацией (схема "все или ничего") приводит
к возникновению самых эффективных форм, то есть совершенствованию. Это
общая схема эволюции.
Эволюционная концепция в биологии успешно прошла испытание
временем, воплотилась в современную теорию эволюции и является
фундаментом всех биологических наук.
Основные свойства развития
На основе рассмотренных выше положений можно выделить некоторые
выводы о свойствах развития в целом, так как живые существа являются
наиболее сложным природным образованием и в их свойствах отражаются и
общие свойства, и всеобщие черты развития и движения материальных систем.
Эти основные свойства:
1. Развитие – это всегда сторона проявления движения. Дарвин называл
свою теорию "теорией развития путем изменения", подчеркивая универсальный
характер развития. Развитие как переход из одной стадии в другую, от одного
качества – к другому слагается из стадии разрушения и стадии возникновения,
созидания. Импульс к развитию содержится внутри самой системы.
2. Развитие проявляется в одновременном возникновении новой формы
устойчивости и соответствующей ей изменчивости. Одно предполагает другое.
Изменчивость представляет собой результат взаимодействия внутренних
свойств объекта (организма) и свойств окружающей среды. С чем большей
энергией сохраняется данное состояние объекта, с тем большей энергией и
быстротой происходят его изменения, которые по мере своего оформления
приобретают устойчивость, но уже иного характера.
3. Развитие отличается ритмичностью, т.е. имеет свою структуру,
связанную с природой объекта. Наличие внутренней логики, последовательности
стадий процесса определяет путь развития не только прогрессивных, но и
регрессивных изменений системы.
4. Развитие связывается с ненаправленной изменчивостью, т.е. именно она
служит основой для развития направленной тенденции как необходимости.
Развитие есть переход случайных явлений, свойств в необходимые.
5. Развитию сложноорганизованной системы способствует сочетание
нескольких факторов: времени, изоляции, постоянства окружающей среды,
числа компонентов, уровня дифференциации системы.
Дарвин подчеркивал, что сам естественный отбор только сохраняет
полезные свойства в данных условиях среды. Важными компонентами являются:
а) продолжительность времени, за которое осуществляется естественный
отбор, так как она увеличивает шансы благоприятных изменений;
б) изоляция организмов друг от друга;
в) численность подвергающихся изменению особей.
6. Чем разнообразнее качества взаимосвязанных объектов, тем богаче
спектр слагаемых изменений, тем более содержательным и результативным
является объединяющий их процесс развития. Но диапазон этих связей имеет
предел, за которым утрачивается специфика данного конкретного вида развития.
7. Сложный процесс развития гасит слабые качественные изменения,
которые, исчезая, усиливают общую тенденцию развития.
8. Возникновение направленности движения как условия развития связано
с пространственно-временными свойствами объектов. Развитие объекта
происходит именно в тот отрезок времени, в котором существует данный объект.
И наоборот: пространство и время несут на себе печать природы объекта и его
специфики.
9. Интенсивность роста как проявление развития является функцией
времени: чем короче период развития системы, тем оно интенсивнее (например,
грибы растут очень быстро, так как время их жизни ограниченно).
10. Развитие характеризуется не только приобретением системой более
совершенных свойств, но и наличием условий для их реализации.
11. Для биологической организации является характерным отмеченный
Дарвином "принцип экономии": сокращение тех частей, которые стали
излишними при изменившихся условиях среды, но при этом другая часть
получает соответственно ускоренное развитие. Выражение "Природа щедра на
разнообразие, но крайне скупа на нововведения" подтверждает то, что
биологическое развитие, как и другие формы развития систем материального
мира, характеризуется наличием взаимосвязанных стадий, подчиняющихся
закону сохранения и превращения энергии. Если одно звено или стадия в
процессе эволюции интенсивно развивается, то связанное с ним звено замедляет
темп своего развития. Данное свойство реализуется лишь благодаря целостности
и является следствием организации.
12. Организация и дезорганизация – диалектически связанные
противоположности,
позволяющие
системе
эволюционировать.
Совершенствование системы связывают с повышением ее организованности,
упорядоченности, т.е. с ростом ее информационного содержания.
13. Свойства самого процесса развития находятся между собой в
системном единстве.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое изменчивость?
2)
Что такое наследственность?
3)
Что такое естественный отбор?
4)
Назовите формы естественного отбора.
5)
Расскажите о механизмах эволюции.
6)
Что вы знаете о законе дивергенции?
7)
Дайте определение понятию «макроэволюция».
8)
Назовите свойства материальных систем.
Лекция 18. Экосистемы (многообразие живых организмов − основа
организации и устойчивости биосферы)
Вопросы для рассмотрения: Элементы экосистем. Биотическая
структура экосистем. Биоразнообразие как основа устойчивости живых систем.
Виды природных экосистем. Энергетические потоки в экосистемах, правило
10%. Экологические факторы. Формы биотических отношений.
Экосистема или экологическая система - природный комплекс
(биокосная система), образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их
обитания (косной, например атмосфера, или биокосной — почва, водоём и т. п.),
связанными между собой обменом веществ и энергии.
Для экосистемы характерны три основных отличительных признака:
- осуществление полного цикла трансформации вещества, от создания
органического вещества до его разложения на неорганические составляющие
- экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и
неживых компонентов
- относительная устойчивость, обусловленная структурой абиотических и
биотических компонентов
Биогеоценоз — система, включающая сообщество живых организмов и
тесно связанную с ним совокупность абиотических факторов среды в пределах
определенной территории, связанные между собой круговоротом веществ и
потоком энергии. Представляет собой устойчивую саморегулирующуюся
экологическую систему, в которой органические компоненты (животные,
растения) неразрывно связаны с неорганическими (вода, почва).
1.
Биоценоз - исторически сложившаяся совокупность растений,
животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма (биотоп) и
характеризующихся определёнными отношениями как между собой, так и с
абиотическими факторами окружающей среды.
2.
Биотоп - — относительно однородный по абиотическим факторам
среды участок суши или водоёма, заселённый живыми организмами (занятое
одним биоценозом).
3.
Устойчивость живых систем
Одним из свойств биогеоценозов является способность к саморегуляции,
то есть к поддержанию своего состава на определенном стабильном уровне. Это
достигается благодаря устойчивому круговороту веществ и энергии.
Устойчивость же самого круговорота обеспечивается несколькими
механизмами:
-достаточность жизненного пространства, то есть такой объем или
площадь, которые обеспечивают один организм всеми необходимыми ему
ресурсами;
- богатство видового состава. Чем он богаче, тем устойчивее цепи питания
и, следовательно, круговорот веществ;
- многообразие взаимодействия видов, которые также поддерживают
прочность трофических отношений;
- средообразующие свойства видов, то есть участие видов в синтезе или
окислении веществ.
Все виды, населяющие экосистему связаны между собой трофическими
связями. Перенос вещества и энергии в экосистеме происходит по трофическим
цепям. Чем шире биоразнообразие в экосистеме, тем она устойчивее. Движущей
силой потоков веществ и энергии в биосфере являются излучение солнца и
деятельность продуцентов.
Организм, состоящий в трофической цепи находится в ней на
определенном трофическом уровне. Трофический уровень — это совокупность
организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. К
одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою
энергию от Солнца через одинаковое число ступеней. Зеленые растения
занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные
животные — второй (уровень первичных консументов), первичные хищники,
поедающие травоядных, — третий (уровень вторичных консументов), а
вторичные хищники — четвертый (уровень третичных консументов).
Органическое вещество перерабатывается в неорганическое и возвращается
обратно к продуцентам, благодаря работе редуцентов. Таким образом, поток
вещества в стабильной природной экосистеме, в отличие от потока энергии,
является замкнутым. Плотоядные консументы называются хищниками.
Трофическую структуру обычно изображают в виде экологических
пирамид. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень —
уровень продуцентов, а следующие этажи пирамиды образованы последующими
уровнями — консументами различных порядков. Различают три способа
построения экологических пирамид:
- Пирамида чисел (численностей) отражает численность отдельных
организмов на каждом трофическом уровне;
- Пирамида биомасс — соотношение масс организмов разных
трофических уровней. Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов
больше, чем каждого последующего звена;
- Пирамида энергии отражает величину потока энергии, скорость
прохождения массы пищи через пищевую цепь.
Максимальная величина энергии, передающейся на следующий
трофический уровень невелика. Согласно «Правилу 10%» с одного трофического
уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем
около 10 % поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды
энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения, на
движение и т.д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом
звене пищевой цепи около 90% всей энергии, которая расходуется на
поддержание их жизнедеятельности. Потеря энергии при переходах в экосистеме
от нижнего трофического уровня к верхнему обусловлена вторым началом
термодинамики.
Экологический фактор - любое условие среды, способное оказывать
прямое или косвенное влияние на живой организм
Биотические факторы — всё множество факторов среды, связанных с
деятельностью живых организмов. К ним относятся фитогенные (растения),
зоогенные (животные), микробиогенные (микроорганизмы) факторы.
Антропогенные факторы — всё множество факторов, связанных с
деятельностью человека. К ним относятся физические (использование атомной
энергии, перемещение в поездах и самолётах, влияние шума и вибрации и др.),
химические (использование минеральных удобрений и ядохимикатов,
загрязнение оболочек Земли отходами промышленности и транспорта;
биологические (продукты питания; организмы, для которых человек может быть
средой обитания или источником питания), социальные (связанные с
отношениями людей и жизнью в обществе) факторы.
Абиотические факторы — всё множество факторов, связанных с
процессами в неживой природе. К ним относятся климатические (температурный
режим, влажность, давление), эдафогенные (механический состав,
воздухопроницаемость, плотность почвы), орографические (рельеф, высота над
уровнем моря), химические (газовый состав воздуха, солевой состав воды,
концентрация,
кислотность),
физические
(шум,
магнитные
поля,
теплопроводность, радиоактивность, космическое излучение)
Среди взаимоотношений живых организмов, обитающих в одном биотопе
выделяют ряд форм:
- Мутуализм — в естественных условиях популяции не могут
существовать друг без друга (пример: симбиоз гриба и водоросли в лишайнике);
- Протокооперация — форма симбиоза, при которой совместное
существование выгодно, но не обязательно для сожителей. (например,
взаимоотношения краба и актинии: актиния защищает краба и использует его в
качестве средства передвижения);
- Комменсализм — одна популяция извлекает пользу от
взаимоотношения, а другая не получает ни пользы ни вреда.
- Нейтрализм — обе популяции никак не влияют друг на друга.
- Аменсализм, антибиоз — одна популяция отрицательно влияет на
другую, но сама не испытывает отрицательного влияния;
- Паразитизм — симбиоз организмов, при котором один (паразит)
использует другой (хозяин) в качестве источника питания или/и среды обитания,
возлагая при этом (частично или полностью) на хозяина регуляцию своих
отношений с внешней средой.
- Хищничество — явление, при котором один организм питается органами
и тканями другого, при этом не наблюдается симбиотических отношений.
- Конкуренция — обе популяции отрицательно влияют друг на друга.
Симбиоз - это взаимодействие и сосуществование представителей разных
биологических видов.
Организмы способны существовать в определенном диапазоне значений
того или иного фактора среды (например, температуры). Способность организма
выдерживать воздействие факторов среды называется экологической
толерантностью. Пределы толерантности - диапазон экологического
фактора между минимальным и максимальным значениями, в пределах которого
возможна выживаемость организма. Некоторые арктические рыбы способны
существовать при температуре, близкой к точке замерзания воды, но погибает
при температуре, превышающей 6°С. Разница между этими значениями
температур определяет (предел толерантности данного организма). Организмы с
широким диапазоном толерантности в отношении всех экологических факторов
наиболее распространены.
Экологическая ниша — место, занимаемое видом (точнее — его
популяцией) в сообществе (биоценозе), комплекс его биоценотических связей и
требований к абиотическим факторам среды.
Среду обитания можно определить как:
- комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в
тесной взаимосвязи
- совокупность условий, способных оказывать прямое или косвенное
влияние на организмы.
Вопросы для самопроверки:
1)
Назовите элементы экосистем.
2)
Что вы знаете о биотической структуре систем?
3)
Назовите виды природных экосистем.
4)
Расскажите об энергетических потоках в экосистемах.
5)
Назовите экологические факторы.
Лекция 19. Генетика и эволюция
Вопросы для рассмотрения: Понятие генетики. Законы Менделя.
История развития генетики. Механизм наследственности. Формы изменчивости.
Мутации. Генетические закономерности в эволюции популяций. Формы
естественного отбора.
Генетика (от греч. genesis – происхождение) – это наука о законах
наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.
Основы современной генетики были заложены Г. Менделем (1822-1884) –
монахом-августинцем, жившим в городе Брюнне (ныне Брно).
Законы Менделя
Примерно в 1856 г. Мендель начал проводить опыты с различными
сортами гороха, чтобы выяснить, какие индивидуальные признаки организма
передаются по наследству. Доминирование одного признака над другим – это
обычное, но не универсальное явление. В некоторых случаях встречается
неполное доминирование. Бывают такие случаи, когда в потомстве проявляются
признаки обоих родителей. Такая ситуации называется кодоминированием.
Например, у людей с группой крови АВ одинаково выражены признаки и
особенности группы как А, так и В, унаследованные ими от обоих родителей.
В 1866 г. Мендель открыл законы дискретной наследственности,
выражающие распределение в потомстве наследственных факторов, названных
впоследствии генами. Для объяснения результатов своих экспериментов
Мендель предложил гипотезу: альтернативные признаки определяются
факторами – генами, которые передаются по наследству. Каждый фактор может
находиться в одной из альтернативных форм, ответственных за то или иное
проявление признака. Эксперименты Менделя определяли наследование
альтернативных проявлений одного и того же признака. Что происходит, когда
одновременно рассматривают два альтернативных признака?
Мендель сформулировал следующие законы:
1. Закон единообразия гибридов первого поколения.
2. Закон независимого расщепления гибридов второго поколения, согласно
которому гены, определяющие различные признаки, наследуются независимо
друг от друга (впоследствии оказалось, что этот закон справедлив только в
отношении генов, находящихся в разных хромосомах). Мендель заранее
предусмотрел две возможности:
• признаки, наследуемые от одного родителя, передаются совместно;
• признаки передаются потомству независимо один от другого.
Законы наследования, открытые Менделем, лежат в основе передачи
наследственных признаков всего живого (растений, животных и человека). Они
позволили сформулировать хромосомную теорию наследственности, согласно
которой преемственность свойств в ряду поколений определяется
преемственностью их хромосом, находящихся в ядре клеток и заключающих в
себе всю генетическую информацию.
История развития генетики
В 1909 г. В. Иогансон (1857-1927) ввел важное разграничение между
фенотипом и генотипом. Фенотип – это совокупность всех внешних
наблюдаемых нами признаков организма: морфологических, физиологических,
биохимических, гистологических, анатомических, поведенческих и т.п.
Генотипом называется передающаяся по наследству генетическая основа всех
этих признаков (генетическая конституция особи). Генотип – это совокупность
всех генов одного организма. Генотип – это не механическая сумма генов, это
система взаимодействующих генов. На протяжении жизни организма его
фенотип может изменяться, однако генотип остается неизменным.
В 1902 г. два исследователя – У. С. Саттон в США и Т. Боверн в Германии –
независимо друг от друга высказали предположение, что гены находятся в
хромосомах. Эта концепция получила название хромосомной теории
наследственности. Две хромосомы, образующие одну пару, называются
гомологическими, принадлежащие к разным парам – негомогенными. По
современным данным науки, хромосомы ядерного вещества представляют собой
гигантские полимерные молекулы, состоящие из нитей нуклеиновых кислот и
небольшого количества белка. Каждая пара хромосом имеет определенный набор
генов, контролирующих появление того или иного признака. Гены являются
носителями наследственности. Их существование, расположение в хромосомах
определяются посредством изучения распределения признаков в потомстве от
скрещивания особей с альтернативными проявлениями этих признаков.
В 1910-х годах Т. Х. Морган (1866-1945) создал научную школу генетиков.
Работы Моргана и его школы (Г. Дж. Меллер, А. Г. Стертевант и др.) обосновали
хромосомную теорию наследственности. Установление закономерности
расположения генов в хромосомах способствовало выяснению цитологических
механизмов законов Менделя и разработке теоретических основ теории
естественного отбора. Изучение явлений наследственности на клеточном уровне
позволило установить взаимосвязь между менделевскими законами
наследования и распределением хромосом в процессе клеточного деления и
созревания половых клеток. Это был фактически второй этап развития генетики.
В 1933 г. Морган был удостоен Нобелевской премии за эти разработки.
В 1920-е и 1930-е годы важную роль в развитии генетики сыграли работы
Н. И. Вавилова, Н. К. Кольцова, А.С. Серебровского и других ученых.
Становление этой науки в нашей стране пережило сложный период. Долгое
время генетика отвергалась официальной наукой. "Менделизм-морганизм" был
провозглашен лжеучением, последователи его преследовались. Затем наступило
время, когда генетику наконец-то признали, приняв основные положения одного
из самых удивительных учений, продвигающих вперед человеческую
цивилизацию.
В 1940-х – начале 1950-х годов была выяснена химическая природа гена.
Гены представляют собой участки молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты –
высокополимерного природного соединения, содержащегося в ядрах клеток
живых организмов. ДНК – носитель генетической информации. Расшифровка
структуры ДНК и механизма ее самоудвоения позволила установить, что все
разнообразие живого мира кодируется на нитях ДНК, посредством чего
записывается информация о последовательности аминокислот в белке. Всего
известно 20 аминокислот, различные вариации из которых и определяют все
разнообразие белков в живой материи.
Одним из наиболее важных открытий было установление в 1953 г. Д.
Уотсоном и Ф. Криком модели пространственной структуры ДНК – двойной
спирали: молекулы ДНК имеют двухнитчатую структуру и обе параллельно
идущие нити свернуты спиралью. Это открытие было тщательно проверено,
подтверждено (молекулы ДНК ученые сумели увидеть в мощные электронные
микроскопы с увеличением в 150-200 тысяч раз в отличие от хромосом, строение
которых можно рассмотреть в обычный микроскоп) и позволило объяснить
многие свойства ДНК и биологические функции. В 1962 г. за эти исследования
им была присуждена Нобелевская премия.
Генетика включает ряд отраслей, в том числе по объектам исследования:
генетика микроорганизмов, генетика растений, генетика животных, генетика
человека. Показав, что наследственность и изменчивость основываются на
преемственности и видоизменении сложных внутриклеточных структур,
генетика внесла важный вклад в познание картины мира и доказательство
взаимосвязи физико-химических и биологических форм организации материи.
Генетика имеет большое значение для медицины, тесно связана с эволюционным
учением, цитологией, молекулярной биологией, селекцией. С развитием новых
методов и техники исследований стало возможным расшифровать генетический
код, выделить этапы биосинтеза белков, экспериментально изучать
макроэволюцию, создать генную инженерию.
Механизм наследственности
Наследственность, с точки зрения генетики, проявляется в точной передаче
специфического для каждого организма типа его развития, преемственности
признаков и свойств от родителей к потомству. Клетки организма не несут в себе
"готовые" признаки, а лишь задатки их развития. Признак, обусловленный
некоторым геном, может у организма и не развиться: всё зависит от условий
внешней среды.
У организмов одного вида одинаковые гены расположены в строго
определённых участках – локусах – гомологических хромосом. В половых
клетках при гаплоидном наборе хромосом за развитие определённого признака
ответственен один ген. В оплодотворённой (или соматической) клетке при
диплоидном наборе имеются уже два гена, отвечающие за один признак
(аллельные гены). Их обозначают АА, ВВ и т.д. Гены взаимодействуют и
оказывают влияние друг на друга, поэтому генотип определяется как система
взаимодействующих генов (аллельных и неаллельных). Несколько генов могут
действовать на один признак и обратно: один ген может влиять на многие
признаки. Так, у человека нарушение гена, ответственного за формирование
соединительной ткани, приводит к ненормальному развитию пальцев,
сопровождающемуся ещё и нарушением в строении хрусталика и развитием
порока сердца.
За счёт мутации одного гена может быть блокирован любой этап
биосинтеза белков, поскольку синтезируется иной фермент, прерывающий цепь
установившихся метаболических превращений. Выяснено, что широта
фенотипического проявления гена зависит от времени его вступления в процессе
онтогенеза (индивидуального развития организма): на ранних этапах
изменённый ген может привести к уродству и даже смерти особи, а на поздних –
служить элементарным материалом естественного отбора.
Формы изменчивости
С генетических позиций разрешена принципиальная трудность теории
Дарвина: почему накапливаются признаки, если мутации "разбавляются" в
каждом последующем поколении. Объяснение исходит из того, что гены –
недробящиеся единицы наследственности (их можно назвать "квантами"
наследования), поэтому распыления признаков не происходит: они лишь
распределяются и могут проявиться фенотипически в подходящих условиях в
каком-то из последующих поколений.
Естественный отбор подхватывает только полезные признаки. Иначе
"штамповались" бы идентичные организмы, ведущие к застою (стагнации) и в
конечном итоге к прекращению жизни. В 1970-е годы появилась гипотеза
"молчащих генов", то есть не участвующих непосредственно в развитии и росте
конкретного организма. Информационные "возможности" ядерного вещества
клетки неисчерпаемы. Подсчитано, что у человека в полинуклеотидах ДНК
может быть зашифрована информация для синтеза 5 млн. белков. Работающая
часть ДНК находится под строгим контролем естественного отбора. Но 99% ДНК
человека составляют "молчащие" гены! Накопление мутаций в молчащих
участках не контролируется естественным отбором и может проявиться через
многие поколения. Недаром у генетиков в ходу афоризм: "Первая птица вылетела
из яйца динозавра"... Молчащие участки ДНК нельзя считать балластом: они
потенциально разрешают или запрещают определённые комбинации
аминокислот, что даёт основания к их функциональному проявлению на уровне
целостного организма.
Как понимает генетика изменчивость? В свете современных научных
данных можно утверждать, что основную роль в наследственной изменчивости
играют мутации. Мутации, с генетической точки зрения, – изменения структуры
генов или структуры и числа хромосом в кареотипе данной особи. Непрерывный
мутационный процесс (мутагенез) создаёт многие варианты генов и составляет
богатый резерв наследственного изменения. Согласно современной
синтетической теории эволюции, требованиям элементарного эволюционного
материала удовлетворяют мутации различного рода. По уровню возникновения
различают:
1) точечные мутации, возникающие в ходе замены одного или нескольких
нуклеотидов в гене, влекущие за собою изменения в строении белков, а значит, –
и в процессе биосинтеза;
2) хромосомные мутации, связанные со структурными перестройками
(утратой и удвоением участков хромосомы, присоединением оторвавшегося
участка к негомологичной хромосоме и др.);
3) геномные мутации, вызванные изменением отдельных хромосом или их
наборов – кариотипов.
По характеру проявления мутации могут быть:
– доминантными – вредные мутации этого типа могут привести к гибели
организма;
– рецессивными – большинство из них в гетерозиготном организме
фенотипически не проявляется.
Мутации, появившиеся в половых клетках, "работают" в следующих
поколениях. Мутации в соматических клетках влияют на развитие данного
организма, но не передаются по наследству. Правда, при бесполом размножении
соматические мутации передаются потомству, что используется, например, при
выведении новых сортов плодовых культур.
Общие свойства мутационной изменчивости:
– мутации отличаются внезапностью и скачкообразностью возникновения;
– передаются из поколения в поколение;
– ненаправленны, случайны и потому непредсказуемы;
– в результате действия внешней среды мутировать может любой локус,
изменяя как малые, так и жизненно важные признаки. Поэтому различают
мутации вредные, полезные, доминантные, рецессивные;
– одни и те же мутации могут возникать повторно, возвращая ген в
исходное состояние ("обратные мутации").
Чтобы мутации действительно служили материалом эволюции,
необходимы следующие условия:
– достаточная частота возникновения мутаций;
– чёткость в проявлении мутантных признаков разного содержания;
– биологическая значимость этих признаков;
– генетические различия между природными рангами живого.
С генетических позиций расшифрованы также комбинативная и
модификационная изменчивость. Комбинативная изменчивость обусловлена
перегруппировкой наследственной информации при размножении организмов.
Главными механизмами здесь являются: кроссинговер (обмен при мейозе
участками между гомологичными хромосомами), нерасхождение гомологичных
хромосом или хроматид при делении, а также огромное число комбинаций генов
и хромосом при оплодотворении (у человека число комбинаций генов составляет
1023 вариантов). Половой процесс не только обеспечивает широкий набор
задатков, комбинирующийся из генетической информации обоих родителей. Он
способствует широкому распространению внутри вида любого гена, имеющего
приспособительное значение. Объясняется это свойством наследования
признаков, сцепленных с полом. Так, в кариотипе человека 46 хромосом, пол
ребёнка определяется в момент оплодотворения Y-хромосомой отца (женская
гамета – XX, мужская – XY). Мальчик получает Х-хромосому от матери, но эта
хромосома содержит не только ген пола, но и другие гены. В их числе – ген,
определяющий свёртываемость крови (Н-ген). Его рецессивный аллель (h)
вызывает наследственную болезнь крови – гемофилию. В этой же хромосоме
находятся гены, обусловливающие слепоту к зелёному и красному цвету
(дальтонизм), форму и объём зубов, синтез ряда ферментов и др. При сцеплении
с полом за счёт комбинативной изменчивости может проявиться и рецессивный
ген, даже содержащийся в генотипе в единственном числе. Это возможно при
попадании его в гетерогаметный организм (XY), где он способен проявиться
фенотипически, то есть во внешних признаках – биохимических,
гистологических, анатомических и др.
Нарушение генного баланса (например, наличие 3-х хромосом вместо 2-х
из-за нерасхождения гомологичных хромосом) также может иметь серьёзные
последствия. Доказано, что присутствие у человека трех хромосом 21-й пары
вызывает болезнь Дауна. Нерасхождение половых хромосом (XXY, XXYY, XXX
и др.) ведёт к аномалиям в строении тела. Обратим внимание, что кариотип
(набор хромосом некоторой группы организмов) стал критерием вида. На уровне
их исследования были обнаружены виды-двойники – внешне похожие, но с
разными кариотипами.
Модафикационная (фенотипическая) изменчивость обусловлена влиянием
на проявления генов окружающей среды. На развитие признака существенно
влияют регуляторные системы организма, его внутренняя среда, факторы
внешней среды. Все они могут изменить фенотип – морфологические и
физиологические свойства особи. В широких пределах, к примеру, варьируются
такие признаки, как размеры листьев, жировые запасы организма или волосяной
покров тела и др.
Генетические закономерности в эволюции популяций
Их изучает популяционная генетика. Популяция в качестве элементарной
единицы эволюции должна удовлетворять определённым требованиям:
1) численность её должна быть велика, чтобы обеспечить скрещивание
особей с разными генотипами;
2) физически существовать в природе достаточно долго (много
поколений);
3) должен отсутствовать отбор по отношению к определённым генам;
4) не должно возникать новых мутаций;
5) не должна происходить миграция особей из соседних родственных
популяций с иными генотипами.
Тогда из поколения в поколение при свободном скрещивании
относительные частоты генов не меняются (закон Харда-Вайнберга). В природе
таких идеальных условий для популяций нет. Действует непрерывно
естественный отбор, и происходят мутации. Реально, равновесие генов в
популяции нарушается. Накапливается большое количество внешне не
проявляющихся (рецессивных) наследственных изменений.
Впервые генетическое разнообразие природных популяций растений и
животных установил С. С. Четвериков (1926). Хромосомы с рецессивными
генами при делении клеток и в процессе размножения постепенно
распространяются среди популяций. С достижением высокой концентрации
мутаций становится вероятным вариант скрещивания, при котором эти мутации
проявляются фенотипически и попадают под прямой контроль естественного
отбора. Таким образом, богатый резерв наследственной изменчивости
мобилизуется через естественный отбор с изменением условий существования
популяций. Каждая популяция как бы таит в своих недрах возможности для
быстрого изменения в соответствии с направлением естественного отбора.
Генетика позволила конкретизировать роль эволюционных факторов и
виды естественного отбора. Согласно постулатам синтетической теории
эволюции эти факторы должны удовлетворять определённым требованиям:
1) быть поставщиками элементарного эволюционного материала;
2) создавать различные внутрипопуляционные барьеры, расчленяющие
исходную популяцию на две или несколько ветвей;
3) вызывать адаптивные изменения – обязательное условие осуществления
эволюционного процесса.
Мутационный процесс как первый фактор не способен оказывать
направляющее действие на эволюцию без второго эволюционного фактора –
"волн жизни". Эволюционная их роль двояка: они приводят к изменению частот
генов в популяции, что приводит к снижению наследственной изменчивости, а
также к уменьшению разнообразия генотипов, содержащихся в популяции. Тем
самым изменяется направленность и интенсивность действия отбора. Значение
третьего эволюционного фактора – изоляции – состоит в том, что она нарушает
свободное скрещивание и закрепляет возникающие различия в наборах и
численностях генотипов изолированных ветвей популяции. Помимо
пространственно-географической изоляции действует и биологическая (или
репродукционная), насчитывающая 5 форм: поведенческую; экологическую;
сезонную или временную; морфологическую; генетическую. Они могут взаимно
комбинироваться, и в итоге возможна трансформация отдельных ветвей
первичной популяции в самостоятельные виды.
Четвёртым и главным элементарным эволюционным фактором является
естественный отбор. Генетическую сущность его можно представить как
"неслучайное сохранение в популяции определённых генотипов и избирательное
их участие в передаче генов следующему поколению". Ещё раз подчеркнём,
естественный отбор действует не на отдельный фенотипический признак (то есть
отдельный ген), а на сам фенотип, который сформировался в результате
взаимодействия с конкретным генотипом, имеющим определённую норму
реакции.
Степень воздействия естественного отбора на популяцию называется
"интенсивностью давления". Он может быть направлен на отдельные особи
(индивидуальный отбор) или их группировки (групповой отбор). В разных
условиях среды действуют разные формы отбора:
– движущий, прямой отбор действует, когда под влиянием среды
возникают полезные наследственные изменения. В этом случае "давление
отбора" будет направлено в определённую сторону, что приведёт к постепенному
изменению фенотипа, смене нормы реакции в полезном направлении. В
популяции возникают новые генотипы с селективными свойствами, создающие
новую направленность ("вектор") отбора. Под контролем движущего отбора
генофонд популяции изменяется как единое целое. Движущая форма отбора
играет основную эволюционную роль в развитии полезных приспособлений;
– в случае стабилизирующего отбора как бы охраняется от давления любой
фенотипической изменчивости определённый фенотип, ставший устойчивым,
оптимальным в данных условиях. Он действует у видов, живущих в
относительно постоянных условиях долгое время. При этом сохраняются
мутации, ведущие к меньшей изменчивости данного признака, его норма
реакции сужается. Под действием стабилизирующего отбора в случае
территориального барьера на основе исходной популяции могут возникнуть
виды-двойники (аллотропическое видообразование);
– роль дизруптивного отбора сводится к возникновению внутри популяции
разных форм. В условиях устойчивого различия условий внешней среды
аллотропические популяции за счёт дизруптивного отбора приобретают
фенотипические и генотипические различия приспособительного значения.
Снижение вероятности скрещивания между ними усиливает их расхождение
вплоть до образования новых видов.
Все виды отбора в природе связаны друг с другом. Движущий отбор
преобразует виды в меняющихся условиях окружающей среды.
Стабилизирующий – закрепляет полезные формы в достаточно постоянных
условиях среды. Дизруптивный – формирует из первоначально однородной
популяции разные виды в случае их строгой изоляции.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое генетика?
2)
Назовите законы Менделя.
3)
Расскажите о механизме наследственности.
4)
Назовите формы изменчивости.
5)
Что вы знаете о мутациях?
6)
Расскажите о генетических закономерностях в эволюции популяций.
Лекция 20. Человек: физиология, здоровье, эмоции, творчество,
работоспособность
Вопросы для рассмотрения: Понятие физиологии человека. Развитие
концепций современной физиологии. Система крови. Система кровообращения.
Лимфатическая система. Дыхательная система. Пищеварительная система.
Обмен веществ в энергии. Физиология выделения. Гормоны. Нервная система.
Функции мозга. Анализаторы (органы чувств). Высшая нервная деятельность.
Понятие эмоций. Функции и виды эмоций. Теории эмоций. Эмоции и
адаптационный процесс. Творчество. Структура мыслительного процесса
решения проблемы. «Мозговой штурм». Здоровье человека. Понятие здоровья
индивида. Польза физических упражнений. Понятие работоспособности.
Особенности психического утомления.
Физиология человека (от греч. physis – природа) – наука о
жизнедеятельности здорового человека и функциях его составных частей:
клеток, тканей, органов и систем. Основоположником физиологии как
самостоятельной отрасли знаний в XVII веке стал английский ученый У. Гарвей,
который в результате многолетних наблюдений и экспериментов создал учение о
кровообращении.
Развитие концепций современной физиологии
Элементарной структурной и функциональной единицей всего живого на
Земле является клетка. Выдающимся достижением в физиологии клетки является
обоснование в конце 1950-х годов мембранной теории биоэлектрических
потенциалов (А. Ходжкин, Э. Хаксли, Б. Катц). Согласно этой теории
биоэлектрические потенциалы обусловлены неодинаковой концентрацией ионов
К+, Na+, Cl- внутри и вне клетки и различной проницаемостью для них
поверхностной мембраны.
Нобелевской премии удостоены физиологи Д. Экклс, Э. Хаксли, А.
Ходжкин за изучение ионных механизмов двух основных физиологических
процессов – возбуждения и торможения. Экклс первым осуществил
внутриклеточное отведение электрических потенциалов в клетках нервной
системы, определил электрофизиологические характеристики возбуждающих и
тормозящих потенциалов, открыл один из видов торможения.
Параллельно шли исследования структурной и функциональной
организации клетки. Г. Паладе принадлежит открытие и описание рибосом. Р.
Дюв открыл новый класс субклеточных частиц, названных им лизосомами,
выяснил их природу и развил концепцию об их функции, определил участие
лизосом в физиологических и патологических процессах в клетке. А. Клод
показал, что с митохондриями (энергетическими "станциями" клетки) связана
активность основных ферментов окисления. А. Сент-Дьердьи обнаружил в
мышце актин и показал, что актомиозиновые нити (миозин был открыт
российским биохимиком В. А. Энгелъгардтом) укорачиваются под влиянием
АТФ. В результате этих открытий и дальнейших исследований выявилось
единство принципа функционирования, химической динамики и энергетики
обладающих подвижностью различных клеток организма.
Как известно, нервы и мышцы (нервная и мышечная ткани) относятся к
возбудимым образованиям. Это значит, что в ответ на раздражение в них
возникают различные электрические потенциалы. Одним из достижений
физиологии XX века считается открытие медиаторов (нейротрансмиттеров) и
создание учения о химическом механизме передачи нервного импульса в
синапсах. Основы этого учения были заложены австрийским физиологом О.
Леви и английским физиологом Г. Дейлом, удостоенными Нобелевской премии.
В 1970 г. Нобелевской премии были удостоены сразу несколько ученых,
исследования которых ознаменовали новый этап в развитии учения о
медиаторах. Так, У. Эйлер, изучая процесс передачи нервных импульсов в
симпатической нервной системе, установил, что медиатором в этом процессе
служит вещество норадреналин. Б. Катцу принадлежит открытие механизма
выделения другого медиатора – ацетилхолина – в нервно-мышечной передаче
возбуждения. В настоящее время описано уже несколько десятков медиаторов,
оказывающих как возбуждающее, так и тормозящее влияние.
Изучая сложную структуру смешанных нервов, Д. Эрлангер и Г. Гассер
установили в них наличие 3 типов волокон и доказали их функциональные
различия. Они сформулировали закон прямо пропорциональной зависимости
скорости проведения импульса от диаметра нервного волокна.
Развивая учение И. М. Сеченова о рефлексах, И. П. Павлов разработал
учение об условных рефлексах. Это позволило ему не только получить
подтверждения концепции о зависимости всех функций организма от
окружающей среды, но и создать новое учение – физиологию высшей нервной
деятельности человека и животных. Павлов развил основные представления о
типах нервной системы, создал учение об анализаторах, заложил основы
экспериментальной патологии высшей нервной деятельности. Павлову,
единственному из русских физиологов, за вклад в изучение физиологии человека
была присуждена Нобелевская премия.
Нейрофизиолог Ч. Шеррингтон установил однонаправленность
возбуждения в рефлекторной дуге (морфологической основе рефлекса), наличие
синаптической задержки, описал антагонистические рефлексы. Он
сформулировал общие принципы деятельности нервной системы, показал, что
при осуществлении любого рефлекса нервная система функционирует как
единое целое. За разработку нейронного механизма рефлексов – самых
элементарных актов поведения – он также удостоен Нобелевской премии.
В России исследования по физиологии центральной нервной системы
развивались по нескольким направлениям. Существенное значение имела
концепция А. А. Ухтомского о доминанте, одном из принципов деятельности
нервной системы. Эта концепция предполагает способность возбужденного
очага в любом отделе центральной нервной системы "притягивать" на себя
возбуждения, которые вне существования такого доминирующего центра
проявляют иной эффект. П. К. Анохин, развивая рефлекторную теорию, создал
учение о функциональных системах. Функциональная система раскрывает схему
приспособительной деятельности организма.
Немецкий электрофизиолог Г. Бергер впервые зарегистрировал методом
электроэнцефалографии биоэлектрическую активность мозга человека, детально
изучил форму и ритмы электрических колебаний и ввел метод
электроэнцефалографии в клиническую практику. Американский нейрофизиолог
Г. Уолтер открыл медленные электрические колебания электроэнцефалограммы,
характерные для очагов патологии, и волны, сопровождающие эмоциональные
реакции. Нобелевская премия была вручена В. Гессу за открытие
функциональной организации промежуточного мозга и его связи с
деятельностью внутренних органов.
Совершенствование методических подходов в физиологии позволили Д.
Хъюбелу и Т. Бизелу создать концепцию, касающуюся принципов переработки
информации в нейронных структурах мозга (в частности, в зрительной системе),
изучить структуру признаков зрительного изображения. Г. Бекеши на созданных
им моделях наблюдал колебания основной мембраны внутреннего уха и измерил
ее механические параметры. Он сформулировал теорию амплитудно-частотного
анализа звуков в органе слуха, предложил метод его исследования.
Перейдем к основным концепциям в физиологии висцеральных систем
(т.е. функций внутренних органов). Значительная часть исследований в области
физиологии пищеварения в XX веке осуществлялась под влиянием работ И. П.
Павлова. Отечественный ученый А. М. Уголев открыл новый тип пищеварения –
пристеночное (мембранное), что позволило обосновать трехзвенную систему
деятельности пищеварительной системы: полостное пищеварение – мембранное
пищеварение – всасывание. Изучение регуляции водно-солевого обмена и
функций почек в России осуществлялось главным образом под руководством Л.
А. Орбели, обосновавшего положение о том, что ведущей функцией почки
является гомеостатическая.
Ф. Бантингу, Д. Маклеоду и Ч. Весту присуждена Нобелевская премия за
открытие инсулина. Они не только выделили гормон поджелудочной железы –
инсулин,– но и разработали метод лечения этим гормоном сахарного диабета.
Американскому физиологу У. Кеннону принадлежит открытие роли адреналина
как
симпатического
передатчика
и
создание
концепции
о
симпатико-адреналовой системе. Исследуя вопрос о влиянии нервной системы
на образование и выделение гормонов эндокринными железами, Кеннон пришел
к заключению, что секреция в кровь увеличенных количеств адреналина
происходит при эмоциональных состояниях и приводит к возникновению
характерных для подобных состояний многих функций организма. Канадский
физиолог и патолог Г. Селъе известен благодаря выдвинутой им теории
неспецифического реагирования организма, сформулированной в виде
концепции стресса. Он ввел понятая адаптационного синдрома, адаптивных
гормонов (гормонов передней доли гипофиза и коры надпочечников), болезней
адаптации и адаптационной энергии. Селье заложил также основы
психофизиологии стресса.
Система крови
Кровь, лимфа и тканевая жидкость – это внутренняя среда организма,
обладающая динамическим постоянством констант – гомеостазом. Гомеостаз –
условие независимого существования организма человека. В 1939 г. Ланг ввел
понятие "система крови" – это органы кроветворения, кроверазрушения,
периферическая кровь, нейрогуморальный аппарат регуляции.
Эритроциты образуются в красном костном мозге. В нем же
осуществляется разрушение эритроцитов, синтез гемоглобина. Разрушение
эритроцитов, дифференцировка лимфоцитов происходит и в селезенке.
Функции системы крови следующие:
1. поддержание гомеостаза;
2. транспортная (перенос газов крови, питательных веществ, продуктов их
метаболизма);
3. терморегуляторная;
4. защитная (участие в иммунных реакциях);
5. экскреторная (выделительная) и другие.
Объем крови в организме человека составляет 4-6 литров (или 6-8% от
массы тела). Всего 40-45% крови движется по сосудам; при нагрузках на
организм кровь выходит из кровяных депо (селезенка, печень, легкие), и ее обмен
увеличивается. На каждые 100 частей крови приходится 45% форменных
элементов, а 55% – это жидкая часть крови – плазма. Цвет крови различается:
артериальная кровь алая, венозная – темно-вишневая. Вязкость крови составляет
5 единиц и зависит от содержания в крови форменных элементов и белков.
Плотность крови находится в пределах 1,050-1,060. Важнейшим показателем
крови является кислотно-щелочное равновесие: рН крови 7,36-7,4 единицы, т.е.
активная реакция крови слабощелочная. рН крови поддерживается буферными
системами, важнейшей из которых является гемоглобиновая. Плазма крови на
90-92% состоит из воды, а 8-10% – это ее сухой остаток. В состав плазмы входят
белки, глюкоза, минеральные вещества, жиры, небелковые азотсодержащие
вещества и другие. Плазма, из которой извлечен белок фибриноген называется
сывороткой крови. Сыворотка используется для определения групповой
принадлежности крови.
Форменные элементы крови (клетки) разделяются на эритроциты,
лейкоциты, тромбоциты. Эритроциты – красные кровяные клетки – это
безъядерные высокоспециализированные клетки. Их количество составляет 4÷5 ∙
1012 в литре крови. Их основная функция – транспортная: перенос кислорода и
углекислого газа за счет содержимого эритроцитов – гемоглобина. Лейкоциты –
белые кровяные клетки, имеющие ядро и обладающие амебоидным движением.
Их содержание колеблется от 4 ∙ 109 до 9 ∙ 109 штук в литре крови. Лейкоциты
разделяются на 2 фракции – зернистые и незернистые. Процентное соотношение
зернистых и незернистых лейкоцитов называется лейкоцитарной формулой.
Основная функция этих клеток крови – защитная – участие в поддержании
иммунитета. Тромбоциты – красные кровяные пластины – выполняют также
защитную функцию, участвуя в механизмах свертывания крови. Их количество в
крови здорового человека колеблется от 250 ∙ 109 до 400 ∙ 109 штук в литре крови.
Различают процесс свертывания в мелких сосудах, например, капиллярах, и в
крупных – артериях, венах. Процесс свертывания крови называется гемостазом.
В организме человека существуют во взаимодействии 2 системы:
свертывающая и противосвертывающая. Противосвертывающая включает целый
ряд химических веществ, например, гепарин, ингибирующих все или
выборочные фазы свертывания крови. В результате взаимодействия этих систем
кровь пребывает в жидко-агрегатном состоянии.
В 1901 г. астрийский ученый К. Ландштейнер, смешивая эритроциты с
сывороткой крови, обнаружил, что при одних сочетаниях сыворотки и
эритроцитов наблюдается агглютинация (склеивание эритроцитов), а при других
– нет. Это происходит в результате взаимодействия присутствующих в
эритроцитах факторов – агглютиногенов – и содержащихся в плазме антител
(агглютининов). Главные агглютиногены эритроцитов – А и В, а агглютинины
плазмы — α и β. Ландштейнер установил, что в крови одних людей совсем нет
агглютиногенов (I группа, или 0), в крови других – только агглютиноген А (II
группа, А), у третьих – только агглютиноген В (III группа, В), а четвертая
содержит оба агглютиногена. В то же время в крови разных людей существуют
либо один, либо два, либо ни одного агглютинина. Никогда не встречается в
крови одного человека в норме одноименные агглютиноген и агглютинин. Таким
образом, было описано 4 группы крови. Своеобразным агглютиногегом является
также резус-фактор, открытый в 1940 г. 85% людей имеют этот агглютиноген в
крови, а 15% – не имеют. Резус-фактор имеет большое значение в медицинской
практике. Изучение крови на резус-фактор теперь обязательно проводят вместе с
обычным определением группы крови во избежание резус-конфликта.
Система кровообращения
Система кровообращения у человека – это сердце и замкнутая система
кровеносных сосудов, включающая артерии, вены, капилляры. Кровь движется
по сосудам главным образом за счет работы сердца. Сокращаясь, сердце
выбрасывает порцию крови (70 мл) в артерии, при расслаблении сердца в него
вливается кровь из вен. Масса сердца колеблется в пределах 200–400 г, по объему
оно сопоставимо с кулаком. Сердце сокращается ритмично. Частота
сердцебиений составляет 75 раз в минуту. Объем крови, перекачиваемой сердцем
за 1 минуту, составляет 6 л, но может достигать и 30 л/мин, если человек
находится в состоянии возбуждения или выполняет большую физическую
нагрузку.
Сердце человека состоит из 2 половин – правой и левой. В каждой из них
имеются 2 камеры – предсердие и желудочек. Следовательно, сердце у человека
– четырехкамерное. Из левого желудочка артериальная кровь выталкивается в
самую крупную артерию – аорту. Аорта дает начало большому кругу
кровообращения, назначение которого – питание кровью, богатой кислородом и
питательными веществами, всего тела человека. В капиллярах имеющих
микроскопическую величину (2,5–30 мкм), артериальная кровь насыщается
углекислым газом и продуктами распада и превращается в венозную. Венозная
кровь собирается вначале в мелкие, а затем в крупные вены и наконец по 2
полным венам возвращается в правое предсердие. Правым предсердием
заканчивается большой круг кровообращения. Малый (легочный) круг
кровообращения начинается из правого желудочка сердца легочным стволом,
затем кровь направляется в легкие. В легких, благодаря газообмену, венозная
кровь превращается в артериальную, а затем по четырем легочным венам
возвращается в левое предсердие, а оттуда в левый желудочек сердца. Таким
образом, благодаря сокращениям сердца кровь поступает в артерии, вены,
капилляры. Последние образуют густую сеть длиной 200 000 км.
Сердечная мышца обладает целым рядом физиологических свойств
(например, автоматией), исследовать которые можно с помощью различных
физиологических методов, самым традиционным из которых является
электрокардиография. Методика представляет собой снятие электрических
потенциалов сердца с поверхности тела. Регистрация электрокардиограммы
производится в стандартных (от конечностей) и грудных отделах.
Особенности кровотока в артериях, венах, капиллярах изучает
специальный раздел физиологии – гемодинамика. Одним из методов
гемодинамики является регистрация артериального давления. В нормальных
условиях у взрослого человека максимальное (систолическое) давление
составляет 110-123, а минимальное (диастолическое) – 70-85 мм рт. ст.
Лимфатическая система
Система лимфообращения осуществляет постоянный отток межтканевой
жидкости по направлению к сердцу. Кроме того, к функциям лимфы относятся
поддержание объема и состава тканевой жидкости, всасывание и перенос
питательных веществ из пищеварительного канала в венозную систему, участие
в иммунных реакциях организма посредством доставки лимфоцитов, антител и
др.
Лимфатическая система состоит из органов иммунной системы (костного
мозга, вилочковой железы, миндалин, лимфатических узлов, селезенки,
лимфоидных узелков, расположенных в слизистой оболочке внутренних
органов, в основном, пищеварительных) и лимфатических путей.
Лимфатические пути – это лимфокапилляры, лимфатические посткапилляры,
содержащие клапаны, лимфатические сосуды (внутриорганные, внеорганные),
лимфатические стволы, объединяющиеся в лимфатические протоки (грудной и
правый лимфатические протоки), впадающие в вены.
Начальный отдел системы – замкнутые лимфокапилляры, в них и
переходит межтканевая жидкость. По мере продвижения к грудному и шейному
протокам лимфа проходит через биологические фильтры – лимфатические узлы.
В них происходит обеззараживание лимфы – освобождение ее от бактерий и
токсинов. Состав лимфы непостоянен: он изменяется под влиянием принятой
пищи. В лимфе содержится незначительное количество белков, но и с этим
незначительным количеством из крови в течение суток уходит до 200 г белка.
Возвращая его в общий кровоток, лимфа поддерживает белковое постоянство
крови.
Лимфа движется только в одном направлении – от тканей по ее главным
протокам и через них – в венозную систему, Ее движению способствуют
ритмические сокращения стенок лимфатических сосудов и отрицательное
(присасывающее) внутригрудное давление. Обратному току лимфы
препятствуют многочисленные клапаны в лимфатических сосудах.
Дыхательная система
Основная функция органов дыхания – обеспечение тканей организма
человека кислородом и освобождение их от углекислого газа. Наряду с этим
органы дыхания участвуют в голосообразовании, обонянии и других функциях.
В
дыхательной системе
выделяют
органы, которые
выполняют
воздухопроводящую (полость носа, носоглотка, гортань, трахея, бронхи) и
газообменную функции (легкие). В процессе дыхания атмосферный кислород
связывается кровью и доставляется в клетки и ткани организма.
Внутриклеточное дыхание обеспечивает освобождение энергии для процессов
жизнедеятельности. Образующийся при этом углекислый газ переносится
кровью к легким и удаляется с выдыхаемым воздухом.
Поступление воздуха в легкие (вдох) является результатом сокращения
дыхательных мышц и увеличения объема легких. Выдох происходит вследствие
расслабления дыхательных мышц. Следовательно, дыхательный цикл
складывается из вдоха и выдоха. Дыхание происходит непрерывно вследствие
нервных импульсов, поступающих из дыхательного центра, расположенного в
продолговатом мозге. Дыхательный центр обладает автоматией, но его работа
контролируется корой больших полушарий.
Эффективность внешнего дыхания может быть оценена по величине
легочной вентиляции – объему воздуха, проходящего через дыхательные пути.
Взрослый человек за один дыхательный цикл вдыхает и выдыхает в среднем
около 500 см3 воздуха. Этот объем называется дыхательным. При
дополнительном (после нормального вдоха) максимальном вдохе можно
вдохнуть еще 1500-2000 см3 воздуха. Это дополнительный объем вдоха. После
спокойного выдоха можно дополнительно выдохнуть еще около 1500-3000 см3
воздуха. Это дополнительный объем выдоха. Жизненная емкость легких равна
суммарной величине дыхательного и дополнительного объемов вдоха и выдоха
(3-5 литров). Определение жизненной емкости легких производят методом
спирометрии.
Пищеварительная система
Пищеварительная система человека состоит из пищеварительной трубки
(длиной 8-9 м) и тесно связанных с нею крупных пищеварительных желез:
печени, поджелудочной железы, слюнных желез (крупных и мелких).
Пищеварительная система начинается полостью рта и заканчивается задним
проходом. Сущность пищеварения состоит в физической и химической
переработке пищи, в результате которой становится возможным всасывание
питательных веществ через стенки пищеварительного тракта и поступление их в
кровь или лимфу. К питательным веществам относятся белки, жиры, углеводы,
вода, минеральные вещества. В пищеварительном аппарате происходят сложные
физико-химические превращения пищи: от формирования пищевого комка в
ротовой полости до всасывания и удаления не переваренных ее остатков. Эти
процессы осуществляются в результате двигательной, всасывающей и
секреторной функций аппарата пищеварения. Все эти 3 пищеварительные
функции регулируются нервным и гуморальным (посредством гормонов) путем.
Нервный центр, регулирующий функции пищеварения, а также пищевую
мотивацию, находится в гипоталамусе (промежуточный мозг), а гормоны
большей частью образуются в самом желудочно-кишечном тракте.
В ротовой полости осуществляется первичная химическая и физическая
переработка пищи. Под действием ферментов слюны происходит гидролиз
(расщепление) углеводов при рН 5,8-7,5. Слюноотделение происходит
рефлекторно. Оно усиливается, когда мы чувствуем приятные запахи, или,
например, при попадании инородных частиц в ротовую полость. Объем
слюноотделения составляет 0,5 мл в минуту в состоянии покоя (это облегчает
речедвигательную функцию) и 5 мл в минуту во время еды. Слюна также
обладает бактерицидными свойствами. Физическая обработка пищи включает
размельчение (жевание) и формирование пищевого комка. Кроме того, в ротовой
полости происходит формирование вкусовых ощущений. В этом большую роль
играет слюна, которая в данном случае выступает в роли растворителя. Известно
4 первичных вкусовых ощущения: кислое, соленое, сладкое, горькое. Они
неравномерно распределяются на поверхности языка.
После глотания пища попадает в желудок. В зависимости от состава пища
находится в желудке разное время. Хлеб и мясо перевариваются за 2-3 часа,
жиры – 7-8 часов. В желудке из жидких и твердых компонентов пищи
постепенно формируется полужидкая кашица – химус. Желудочный сок имеет
очень сложный состав, т.к. является продуктом секреции 3 типов желудочных
желез. Он содержит ферменты: пепсиногены, расщепляющие белки; липазы,
расщепляющие жиры и другие. Кроме того, в состав желудочного сока входят
хлористоводородная кислота, придающая соку кислую реакцию (0,9-1,5), и слизь
(мукополисахариды), предохраняющая стенку желудка от самопереваривания.
Почти полное освобождение желудка происходит через 2-3 часа после приема
пищи. При этом он начинает сокращаться в режиме 3 раза в минуту
(продолжительность сокращений от 2 до 20 секунд). Желудок ежедневно
выделяет 1,5 л желудочного сока.
Пищеварение в 12-перстной кишке отличается еще большей сложностью
ввиду того, что туда поступают 3 пищеварительных сока: желчь, поджелудочный
сок и собственный кишечный сок. В 12-перстнсй кишке химус подвергается
действию ферментов, гидролизирующих и жиры, и углеводы, и белки, а также
нуклеиновые кислоты; рН при этом составляет 7,5-8,5. Наиболее активны
ферменты поджелудочного сока. Желчь облегчает переваривание жиров,
превращая их в эмульсию. В 12-перстной кишке подвергаются дальнейшему
расщеплению углеводы.
В тонком кишечнике (тощая и подвздошная кишка) сочетаются 3
взаимосвязанных процесса – полостное (внеклеточное) пищеварение,
пристеночное (мембранное) и всасывание. Вместе они представляют собой
этапы пищеварительно-транспортного конвейера. Химус продвигается по тонкой
кишке со скоростью 2,5 см в минуту и переваривается в ней за 5-6 часов. Кишка
сокращается 13 раз в минуту, что способствует перемешиванию и расщеплению
пищи.
Клетки
кишечного
эпителия
покрыты
микроворсинками,
представляющими собой выросты высотой 1-2 мкм. Количество их огромно – от
50 до 200 млн. на 1 мм2 поверхности кишечника. Общая площадь кишечника за
счет этого возрастает до 400 м2. В порах между микроворсинками
адсорбированы ферменты. В кишечном соке содержится полный набор
ферментов, расщепляющих белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. Эти
ферменты осуществляют пристеночное пищеварение. Через микроворсинки
происходит и всасывание простых молекул этих веществ в кровь и в лимфу. Так,
белки всасываются в кровь в виде аминокислот, углеводы – в виде глюкозы и
других моносахаров, а жиры – в виде глицерина и жирных кислот в лимфу и
частично в кровь.
Процесс пищеварения заканчивается в толстом кишечнике. Железы
толстого кишечника секретируют слизь. В толстом кишечнике благодаря
населяющим его бактериям происходит брожение клетчатки и гниение белков.
При гниении белков образуется ряд ядовитых продуктов, которые, всасываясь в
кровь, обеззараживаются в печени. Печень выполняет барьерную (защитную)
функцию, синтезируя из ядовитых веществ безвредные для организма вещества.
В толстом кишечнике завершается активное всасывание воды и формирование
каловых масс. Микрофлора (бактерии) толстого кишечника осуществляет
биосинтез некоторых биологически активных веществ (например, витаминов
группы В и К).
Обмен веществ и энергии
Французский ученый К. Бернар установил, что живой организм и среда –
это единая система, т.е. между ними происходит непрерывный обмен
веществами и энергией. Энергия необходима организму для поддержания всех
его жизненно важных функций. Единицы измерения энергии – это калория или
джоуль. Откуда же берется в организме энергия? Она выделяется за счет
окисления сложных органических соединений, т.е. белков, жиров и углеводов.
Накопление
энергии
происходит
в
основном
за
счет
АТФ
(аденозинтрифосфорной кислоты). АТФ – это универсальный источник энергии
в организме человека. Высвобождение энергии происходит за счет гидролиза
АТФ, разрывается химическая связь концевой фосфатной группы и
высвобождается энергия. Часть этой энергии выделяется в виде теплоты. Так,
например, при сокращении мышц около 80 % энергии теряется в виде тепла и
только 20 % превращается в механическую работу.
Процессы обмена веществ в организме человека называют метаболизмом.
Их разделяются на анаболические и катаболические.
Анаболизм – это процессы биосинтеза органических веществ. Анаболизм
обеспечивает рост, развитие организма, обновление его структур и накопление
энергии. Катаболизм – это процессы расщепления сложных молекул до простых
веществ с образованием энергии в виде АТФ. Эти процессы находятся в
организме человека в состоянии равновесия или же преобладания одного над
другим. Потребность организма в пластических веществах удовлетворяется
путем потребления их с пищей. Рассмотрим отдельно особенности белкового,
углеводного и жирового обмена.
Белки – это вещества, в состав которых входят 20 аминокислот. Функции
белков – пластическая (строительная), энергетическая. Так, при сгорании 1 г
белка в организме высвобождается 4,1 ккал энергии. В сутки человек должен
потреблять не менее 85-90 г белка (это белковый оптимум).
Жиры – это эфиры высших жирных кислот и глицерина. Их функции
энергетическая, пластическая, участие в теплообмене. Так, при сгорании в
организме 1 г жира высвобождается 9,3 ккал энергии. В сутки потребность в
жирах составляет 80-100 г. Жиры могут запасаться в организме в подкожной
жировой клетчатке, в оболочках вокруг внутренних органов и т.д.
Углеводы можно условно разделить на 3 класса: моносахара (например,
глюкоза); дисахара (например, мальтоза); полисахара (например, крахмал). Это
вещества, сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде. Они выполняют
энергетическую и пластическую функции, а также входят в состав нуклеиновых
кислот и АТФ. Потребность в углеводах составляет в сутки 350-450 г. Углеводы
могут запасаться в организме человека в виде животного крахмала – гликогена –
в печени и в скелетных мышцах.
Таким образом, соотношение в пищевом рационе основных прыгательных
веществ должно составлять 1:1:4 (белков:жиров:углеводов). При составлении
пищевых рационов учитываются также энергозатраты человека за 1 сутки,
зависящие от характера выполняемой работы.
В состав пищи входят также вода, неорганические (минеральные) вещества
и витамины. Витамины – это особая группа веществ, не синтезируемых вовсе или
синтезируемых в малых количествах в организме человека. Однако эти
различные по своей химической природе вещества необходимы для нормального
обмена веществ, роста, развития человека, поддержания его здоровья. Все
витамины можно подразделить на водо- и жирорастворимые. К первой группе
относят витамин С, витамины группы В. Они содержатся в основном в продуктах
растительного
происхождения
(овощах,
фруктах).
Источником
жирорастворимых витаминов (А, Д, Е и К) является пища животного
происхождения (молоко, яйца, мясо, печень и т.д.). Некоторые витамины
синтезируются микрофлорой кишечника (витамин К, В6). При полном
отсутствии витаминов в пище возникают авитаминозы, которые могут
сопровождаться различными заболеваниями. В настоящее время мы чаще
сталкиваемся (особенно в зимнее время) с гиповитаминозами – с недостаточным
поступлением витаминов с пищей. Этот недостаток можно легко устранить
приемом поливитаминов, содержащих весь комплекс витаминов и минеральные
добавки.
Физиология выделения
К выделительным органам относят почки, кожу, потовые, сальные железы,
легкие. Органы мочевыделения – это почки, мочеточники, мочевой пузырь,
мочеиспускательный канал. Функции почек многообразны:
1. участие в регуляции водного баланса организма;
2. участие в постоянстве ионного баланса;
3. регуляция осмотического давления во внутренней среде организма;
4. поддержание кислотно-щелочного равновесия и др.
Однако основная функция почек – экскреторная – удаление вредных и
чужеродных для организма веществ путем образования и выведения мочи.
Почки находятся в брюшной полости. По форме они напоминают боб,
каждая из них весом 120-200 г, длиной 10-12 см, шириной 6 см, толщиной 3 см.
Почки располагаются по обе стороны от позвоночного столба. На вогнутом крае
почки имеется углубление – почечные ворота, через которые проходят сосуды,
нервы и мочеточник. На разрезе через почку видно, что она состоит из коркового
и мозгового вещества. Мозговое вещество (внутри) представлено 10-15
почечными пирамидками. Корковое вещество расположено снаружи и проникает
в мозговое, образуя почечные столбы. В корковом веществе находятся
структурно-функциональные элементы почки – нефроны (1 миллион в каждой
почке). Нефрон начинается почечным тельцем, состоящим из капсулы и
капиллярного клубочка. Капсула переходит в систему канальцев – извитых и
прямых. Канальцы, в свою очередь, переходят в собирательную трубочку,
которая впадает в сосочковый проток, открывающийся на вершине пирамиды в
полость малой почечной чаши. Несколько малых чаш открываются в большую
чашу, а 2-3 большие – в почечную лоханку. Почечная лоханка, суживаясь,
переходит в мочеточник.
Почки каждую минуту пропускают более 1 литра крови, а всего ими за
сутки фильтруется и очищается 1700 л крови. В нефронах происходит процесс
мочеобразования путем:
1) фильтрации (в капсуле нефрона) под давлением;
2) обратного всасывания (в канальцах);
3) секреции (в канальцах).
Образовавшаяся моча через мочеточник поступает в мочевой пузырь, где
накапливается, а затем выводится наружу. Моча выделяется в количестве 1-1,5 л
в сутки. Она содержит вредные продукты метаболизма: мочевину, мочевую
кислоту, аммиак, а также воду и неорганические вещества и пигмент урохром. В
норме у здорового человека не должны содержаться в моче глюкоза и белок. Это
может быть связано с различными заболеваниями (сахарный диабет, нефрит и
др.).
Железы внутренней секреции
Наряду с нервной регуляцией функций в организме человека существует
гормональная регуляция с помощью биологически активных веществ –
гормонов. Деятельность нервной и гормональной регуляции взаимосвязана.
Гормоны влияют на следующие процессы:
1) обмен веществ и энергии;
2) рост, развитие;
3) размножение;
4) адаптация.
Гормоны – это биологически активные вещества, вырабатываемые
специальными железами внутренней секреции, поступающие в кровь и
изменяющие функции органов – мишеней.
Гормоны обладают следующими свойствами:
1) образуются специальными клетками эндокринных желез;
2) обладают высокой биологической активностью;
3) поступают в кровь;
4) действуют на расстоянии от места образования – дистантно;
5) большинство их не обладает видовой специфичностью;
6) быстро разрушаются.
Все железы внутренней секреции делятся на центральные и
периферические. К центральным относятся гипофиз (ведущая железа внутренней
секреции), эпифиз и гипоталамус (структура промежуточного мозга).
Периферические железы делятся на гипофиззависимые и гипофизнезависимые.
К гипофиззависимым относят щитовидную железу, корковое вещество
надпочечников, половые железы. К гипофизнезависимым железам относят
паращитовидные железы, поджелудочную железу, тимус (вилочковую железу) и
мозговое вещество надпочечников. Половые железы и поджелудочная железа
являются смешанными, так как имеют и внешнесекреторную и
внутрисекреторную части. В организме человека имеются и отдельные
гормонпродуцирующие клетки, находящиеся, например, в органах
желудочно-кишечного тракта или тканях.
Гипофиз является ведущей железой внутренней секреции. Он находится на
основании мозга и имеет 3 доли: переднюю долю (аденогипофиз),
промежуточную долю, заднюю долю (нейрогипофиз). Гипофиз связан с
гипоталамусом и составляет с ним вместе единую гипоталамо-гипофизарную
систему. В передней доле (аденогипофизе) вырабатываются гормон роста и
группа так называемых тропных гормонов, оказывающих влияние на
щитовидную железу, половые железы, надпочечник. Средняя (промежуточная)
доля вырабатывает гормон, влияющий на пигментобразующую функцию кожи.
В задней доле (нейрогипофизе) образуются два гормона, влияющие на функции
почек и матки и реализующие свое действие через гипоталамус.
Внутрисекреторная функция эпифиза связана с регуляцией половых
функций организма. Разрушение эпифиза приводит к преждевременному
половому созреванию. Функция этой железы связана с регуляцией
биологических ритмов в организме человека. Щитовидная железа регулирует
различные виды обмена веществ, а также влияет на энергетический обмен.
Особенностью щитовидной железы является ее способность активно извлекать
йод из плазмы крови. Каждый надпочечник состоит из коркового и мозгового
вещества. Образование гормонов коры надпочечников находится под влиянием
гипофиза. Кортикоидные гормоны обладают широким спектром действия.
Основным их действием является влияние на углеводный обмен, обмен
минеральных веществ, они оказывают влияние на клеточный и гуморальный
иммунитет. Изменение концентрации кортикоидов особенно отчетливо
проявляется при действии стрессоров. В связи с тем, что эти гормоны повышают
резистентность организма к действию стрессоров, их еще называют гормонами
адаптации.
Образование половых гормонов происходит в мужских (яичках) или
женских (яичниках) половых железах, или гонадах. Половые гормоны влияют на
развитие и созревание половых клеток, развитие вторичных половых признаков у
мужчин и женщин, половое поведение. У женщин концентрация половых
гормонов непостоянна (женские половые циклы).
Паращитовидные железы (их всего 4) являются гипофизнезависимыми.
Гормон паращитовидной железы способствует переходу кальция из костной
ткани в кровь. Полное удаление паращитовидных желез может привести к гибели
организма. Поджелудочная железа, являясь железой со смешанной секрецией,
также является гипофизнезависимой. Ее гормоны влияют на углеводный обмен.
Инсулин – это единственный гормон, понижающий уровень глюкозы в крови за
счет увеличения способности клеточных мембран пропускать глюкозу внутрь
клетки. Мозговое вещество надпочечников вырабатывает гормоны
норадреналин и адреналин. Влияние этих гормонов многообразно. Так,
адреналин учащает и усиливает сокращение сердца, повышает в крови уровень
глюкозы, понижает секрецию и моторную деятельность желудка и кишечника,
расширяет зрачок, повышает работоспособность скелетных мышц. Тимус
(вилочковая железа) – это центральный орган иммунитета. Наряду с этим железа
продуцирует в кровь гормональные факторы. В целом вилочковая железа
рассматривается как орган интеграции иммунной и эндокринной систем
организма.
Нервная система
Нервная система обеспечивает взаимодействие организма с внешней
средой и регулирует работу всех органов и систем организма.
Она подразделяется на центральную и периферическую, а также на
соматическую и вегетативную. Соматическая нервная система обеспечивает
чувствительную и двигательную функции, а вегетативная – иннервирует все
внутренние органы и железы. Центральная нервная система состоит из спинного
и головного мозга. Структурно-функциональной единицей является нейрон.
Спинной мозг – это тяж длиной 41-45 см, расположенный внутри позвоночного
канала. Вверху он переходит в продолговатый мозг, а внизу истончается и
заканчивается мозговым конусом. От спинного мозга отходят в обе стороны
корешки, образующие вместе спинно-мозговые нервы (всего 31 пара). Задние
корешки состоят из отростков чувствительных нейронов, а передние образованы
аксонами двигательных нервных клеток. Внутреннее строение спинного мозга
хорошо видно на его поперечном разрезе. Внутри (в виде рогов) находится серое
вещество, состоящее из тел нейронов. Белое вещество – это отростки нервных
клеток, образующие проводящие пути спинного мозга: восходящие – от
спинного мозга к головному, нисходящие – от головного мозга к спинному.
Участок серого вещества с отходящей от него парой спинномозговых корешков
называется сегментом спинного мозга. Всего насчитывается 31 сегмент: 8
шейных, 12 грудных, 5 поясничных, 5 крестцовых, 1 копчиковый. Функции
спинного мозга:
1. рефлекторная (двигательные и чувствительные рефлексы). Особое
значение имеют двигательные рефлексы, рефлексы растяжения, сгибания,
разгибания, поддерживающие тонус мышц. Вегетативные рефлексы, например,
мочеиспускание, дефекация, сосудистые;
2. проводниковая – связь с головным мозгом. При повреждении спинного
мозга возникает спинальный шок, когда выпадают все спинномозговые
рефлексы. Затем они могут медленно (за 0,5 года) восстановиться.
Головной мозг состоит из 5 отделов:
1) продолговатый мозг;
2) задний мозг (мост и мозжечок);
3) средний мозг;
4) промежуточный мозг;
5) конечный, или передний (кора больших полушарий).
Продолговатый мозг имеет форму луковицы и является продолжением
спинного мозга. На его передней поверхности находятся пирамиды – в них
проходят двигательные пути от коры больших полушарий через спинной мозг к
мышцам. Сбоку от них крупные образования – оливы. По задней поверхности
проходят тонкий и клиновидные пучки – пути чувствительности (от рецепторов в
головной мозг). В толще продолговатого мозга находятся ядра 9-12-й пар
черепномозговых нервов и диффузнорассеянные нейроны ретикулярной
(сетчатой) формации. Полость внутри продолговатого мозга – IV желудочек.
Функции продолговатого мозга:
1. рефлекторная – обеспечивает рефлексы кашля, чихания,
пищеварительные, сосания, сердечно-сосудистые, дыхательные, а также
рефлексы равновесия;
2. проводниковая – обеспечивает прохождение путей от спинного мозга в
кору и обратно.
На нижней поверхности среднего мозга видны ножки мозга. Задняя часть
называется четверохолмием. Верхние холмики – первичные центры зрения, а
нижние – центры слуха. На поперечном разрезе через средний мозг видно черное
вещество. В толще среднего мозга находятся ядра 3-й и 4-й пар черепномозговых
нервов. Полость среднего мозга (водопровод) соединяет IV желудочек с III
желудочком промежуточного мозга. Над черным веществом проходят
чувствительные пути, в основании среднего мозга – двигательные пути от коры
больших полушарий. В среднем мозге находится красное ядро – скопление
нервных клеток, обеспечивающих автоматизированные движения (ходьба, бег,
плавание и др.). Функции среднего мозга:
1. средний мозг осуществляет двигательные рефлексы, в нем находятся
первичные центры слуха и зрения;
2. проводниковая функция поддерживает связь коры больших полушарий
со спинным мозгом.
Промежуточный мозг расположен между средним мозгом и корой
больших полушарий. Состоит только из серого вещества, расположенного в виде
ядер. В состав промежуточного мозга входят зрительный бугор, подбугорье, а
также эпифиз – железа внутренней секреции. Полость промежуточного мозга –
3-й желудочек, переходящий в боковые желудочки коры больших полушарий.
Его функции:
1. зрительный бугор – центр всей чувствительности, кроме обонятельной;
2. подбугорье – центр вегетативной нервной системы, регулятор всех
обменных процессов в организме человека;
3. эпифиз – железа внутренней секреции, ее гормон определяет
пигментацию кожи в зависимости от освещенности.
Конечный мозг состоит из двух полушарий, соединенных между собой при
помощи мозолистого тела. Каждое полушарие содержит серое и белое вещество.
Ближе к основанию мозга лежат базальные ядра – скопления серого вещества
(это двигательные центры). Другая часть серого вещества покрывает белое
вещество полушарий в виде коры, имеющей 6 слоев. Каждое из полушарий
делится бороздами на доли: лобную, парные височные, парные теменные,
затылочную. Кора имеет толщину от 1,3 до 1,4 мм и площадь 2200 см3. Клетки
коры – чувствительные, двигательные и вставочные. Полость конечного мозга –
боковые желудочки.
Кора большого мозга представлена серым веществом и состоит из
нескольких слоев клеток. Она образует многочисленные складки, или извилины,
которые увеличивают площадь ее поверхности. Белое вещество располагается
под корой и состоит из нервных волокон, принадлежащих нейронам коры, и
подкорковых образований. В коре большого мозга выделяют области,
ответственные за выполнение двигательных или чувствительных функций.
Двигательная область расположена впереди центральной борозды и содержит
нейтроны, отростки которых образуют двигательные проводящие пути,
контролирующие выполнение движений на противоположной стороне тела. В
нижней части двигательной коры находится речевой центр Брока. У правшей он
располагается в левом полушарии, а у левшей – в правом. Чувствительная, или
сенсорная, зона расположена позади центральной борозды. Эта область отвечает
за оценку различных чувствительных стимулов. Слуховой центр, где
анализируются различные звуковые раздражения, расположен в височной доле,
книзу от латеральной борозды. Зрительный центр лежит в затылочной доле и
отвечает за формирование зрительных образов. Центры вкуса и обоняния
располагаются в переднем отделе височной доли.
Волокна белого вещества связывают различные части головного мозга и
расположенные в них центры между собой, а также со спинным мозгом.
Функции вегетативной нервной системы – регуляция "растительных"
функций, т.е. питания, дыхания, выделения, размножения (путем иннервации
всех внутренних органов и желез). Она делится на 2 отдела:
1) симпатический;
2) парасимпатический.
Центры симпатической нервной системы расположены в грудных
сегментах спинного мозга, а центры парасимпатической – в среднем,
продолговатом мозге, а также в крестцовых сегментах спинного мозга. В
вегетативной нервной системе, таким образом, различают центры,
расположенные в спинном и головном мозге, и периферическую часть,
представленную узлами, сплетениями, нервными волокнами 2 типов, нервными
окончаниями. В окончаниях симпатических нервов выделяется химическое
вещество – норадреналин, в окончаниях парасимпатических нервов –
ацетилхолин. Эти вещества оказывают антагонистические влияния на
иннервируемые органы, но они зависят от состояния, в котором находится
организм человека (покой или активность). Например, в состоянии покоя
преобладают влияния парасимпатической нервной системы на сердце, в
результате оно сокращается медленнее и меньше крови выбрасывает в систолу.
Напротив, в состоянии функциональной активности преобладают влияния
симпатической нервной системы. Сердце сокращается чаще, сильнее. Это
помогает человеку справиться с соответствующей нагрузкой.
Анализаторы (органы чувств)
Термин "анализатор" был введен в науку И. П. Павловым. Он обозначал
систему чувствительных образований, воспринимающих и анализирующих
различные внутренние и внешние раздражители. Анализатор состоит из 3
отделов:
1) периферического (рецепторного);
2) проводникового;
3) центрального (коркового).
Функции анализаторов:
1) восприятие внешних и внутренних раздражителей (сигналов);
2) передача информации в кору больших полушарий (через проводящие
пути и центры нервной системы);
3) опознание сигнала (в коре больших полушарий в виде конкретных
образов: зрительных, слуховых и т.д.).
С помощью глаз мы получаем до 90% всей информации. Зрительная
система воспринимает и анализирует световые раздражители. Свет – это
электромагнитное излучение с различными длинами волн. Посредством органа
зрения мы определяем форму, величину предметов, степень освещенности, цвета
и т.д. Воспринимающий аппарат глаза расположен в глазном яблоке, стенка
которого состоит из 3 оболочек: фиброзной (впереди образует роговицу, сзади –
склеру), сосудистой и внутренней (сетчатки). Производная сосудистой оболочки
– радужка, в центре которой находится отверстие – зрачок. Сзади от радужки
расположен хрусталик, который может изменять свою кривизну. Сетчатка
(внутренняя оболочка глазного яблока) состоит из нескольких слоев клеток.
Основные клетки сетчатки – это фоторецепторы (палочки – их 130 млн.,
колбочки – 7 млн.). Колбочки возбуждаются при ярком свете, воспринимают
цвета; палочки – при сумеречном свете. Вспомогательный аппарат глаза – это
глазные мышцы, веки, ресницы, слезный аппарат.
В глазу имеются светопреломляющая и световоспринимающая системы.
Светопреломляющая система представлена роговицей, хрусталиком и
стекловидным телом, заполняющим изнутри глазное яблоко. Назначение
светопреломляющей систе­мы – построить правильное изображение предмета на
сетчатке. Световоспринимающая система – это сетчатка. Назначение этой
системы – восприятие света. При действии света происходит распад
содержащихся в фоторецепторах сетчатки пигментов (родопсина и йодопсина).
Это приводит к возбуждению рецепторов, в них возникает нервный импульс,
который по зрительной проводящей системе поступает в затылочную долю коры
больших полушарий. В коре и происходит опознание образа, т.е. высший анализ
и синтез зрительных раздражителей.
Орган слуха воспринимает и анализирует звуковые колебания. Звук – это
колебательные движения упругих тел, распространяющиеся в различных средах
в виде волн, обладающих двумя переменными параметрами – частотой и
амплитудой. Слуховая система состоит из 3-х частей:
1) звукоулавливающая;
2) звукопередающая;
3) звуковоспринимающая.
Звукоулавливающая система представлена наружным ухом (ушная
раковина и наружный слуховой проход). Барабанная перепонка отделяет
наружное ухо от среднего. Среднее ухо (звукопередающая система)
представлена тремя последовательно соединенными слуховыми косточками –
молоточком, наковальней, стремечком. Среднее ухо на стенке, обращенной к
внутреннему уху, имеет два отверстия – круглое и овальное окно.
Звуковоспринимающая система представлена внутренним ухом.
Внутреннее ухо расположено в пирамиде височной кости и представлено
лабиринтом. Лабиринт состоит из 3 отделов: преддверия, полукружных каналов
и улитки. Преддверие и полукружные каналы – это орган равновесия
(вестибулярный аппарат), а улитка – орган слуха. Улитка представляет собой
перепончатый спирально извитой какал, делающий 2,5 оборота вокруг стержня и
заканчивающийся слепо. Внутри улитки проходят 2 мембраны, разделяющие ее
на 3 лестницы (верхнюю, среднюю, нижнюю). В средней лестнице улитки
находится звуковоспринимающий аппарат, или кортиев орган; он представлен
двумя мембранами: основной и покровной, а также лежащими между ними
рецепторными (волосковыми) клетками.
При попадании в ухо звуковой волны приходит в движение барабанная
перепонка, а затем цепь слуховых косточек среднего уха; последняя слуховая
косточка – стремечко – вдавливает мембрану овального окна, что приводит в
движение жидкости, заполняющие лестницу улитки. Далее начинают колебаться
определенный участок основной мембраны (соответственно частоте и силе
звука) и находящиеся на ней рецепторные клетки. Они возбуждаются, возникает
потенциал действия (нервный импульс), передающийся через слуховую
проводящую систему в височную кору больших полушарий, где и происходит
опознание слуховых раздражителей по всем параметрам, т.е. опознание
слуховых образов.
Высшая нервная деятельность
Особый раздел физиологии изучает материальные основы психической
деятельности человека. Он появился благодаря работам И. П. Павлова,
создавшего учение о безусловных и условных рефлексах как двух различных
формах поведения человека. Безусловные рефлексы – видовые генетические,
закрепленные, стереотипные формы поведения человека. Возникают сразу, не
нуждаются в выработке (например, врожденные пищевые и оборонительные
рефлексы). Условные рефлексы – индивидуально приобретенные в процессе
жизни и обучения приспособительные реакции, возникающие на основе
образования временной связи между условным раздражителем и
безусловнорефлекторным актом. Условный рефлекс образуется благодаря
многократному сочетанию условного раздражителя со стимулом, вызывающим
безусловный рефлекс.
Правила образования условных рефлексов:
1. условный сигнал опережает по времени безусловное подкрепление;
2. по силе он не должен быть больше, чем безусловное подкрепление;
3. отсутствие посторонних раздражителей;
4. здоровая нервная система;
5. у человека – мотивация (потребность к учению, приобретению знаний,
навыков).
Значение условных рефлексов в том, что эта форма приобретенного
поведения – возможность для развития, обучения, приобретения навыков,
умений, знаний на основе индивидуального опыта.
Условные рефлексы вырабатываются в 2 стадии:
1) генерализация;
2) специализация.
В основе стадии специализации условных рефлексов лежит торможение.
Оно может быть внешним (врожденным) или внутренним (приобретенным).
Внешнее торможение может быть вызвано посторонним для данного условного
рефлекса внешним сигналом. Внешнее торможение всегда начинается с
ориентировочной реакции, не нуждается в выработке, развивается вне структур
временной связи. Различают несколько видов внутреннего торможения. Оно
нуждается в выработке, является более сложным, затрагивает структуры
временной связи, служит как для упрочения условных рефлексов, так и для их
постепенного угасания, если условный рефлекс теряет свою биологическую
значимость.
Данный раздел науки изучает такие сложные проявления психики
человека, как память, эмоции, внимание, сознание, мышление и другие. Это
высшие психические функции. Сознание – это высшая форма отражения мозгом
человека окружающего мира, т.е. это такое знание, которое может быть передано
другим людям в форме слов, математических символов и т.д.
Особенностью психических функций человека является наличие 2-й
сигнальной системы. Это особые условные рефлексы, вырабатываемые на слово
(1-я сигнальная система – это конкретные образцы окружающего мира). Слово –
это обобщающий сигнал, заменяющий конкретный предмет, явление. У человека
благодаря 2-й сигнальной системе формируется абстрактно-логическое
мышление. Предпосылки для этих функций:
1. оптимальное кровоснабжение мозга;
2. оптимальный уровень возбудимости нервных центров. При низком
уровне возбудимости сознание отсутствует (наступает сон). Поддержание
оптимального уровня возбудимости нервных центров достигается благодаря
активирующим влияниям ретикулярной (сетчатой) формации среднего мозга.
В самостоятельную группу явлений выделяют неосознаваемые
психические процессы. Сознание и подсознание – взаимосвязанные формы
психической деятельности, которые осуществляются на уровне коры и подкорки.
Возникновение реакций на уровне сознания зависит от оценки значимости
сигнала на уровне подсознания:
а) если сигнал из подкорки информации не несет, то он тормозится в коре;
б) если сигнал требует шаблонного ответа, то возникает реакция, которая
осуществляется по автоматическому типу;
в) если сигнал оценивается как значимый, то возникает активация коры, и
реакция носит осознанный характер.
Речь – это исторически сложившаяся форма общения людей с помощью
символов и знаков. Функции речи:
1. коммуникативная, т.е. средство общения;
2. понятийная (слово – понятие);
3. регуляторная – регуляция деятельности систем с помощью слова.
Этапы речевого общения:
1. воспроизведение речи, выражающееся в акустической (по слуху) и
зрительной (письменной) речи;
2. восприятие речи – понимание ее;
3. речевой ответ.
Разновидности речи:
1. устная;
2. письменная;
3. внутренняя (немая).
В выполнении речевой функции левому полушарию коры больших
полушарий головного мозга принадлежит господствующая роль. Правое
полушарие доминирует в отношении восприятия предметов, геометрических
фигур, деталей образов. Эта межполушарная асимметрия доказана
клинико-патологоанатомическими данными. В частности, Брока выявил
нарушение речи, связанное с поражением нижней лобной извилины. Вернике
показал, что существует так называемая сенсорная афазия при поражении задних
отделов верхней височной извилины. При этом страдает восприятие речи на
слух. Межполушарную асимметрию при зрительном восприятии доказали также
опыты Сперри с так называемым расщепленным мозгом. У правшей в 75%
случаев доминирует левое полушарие. Люди с доминирующим левым
полушарием тяготеют к теории, имеют большой словарный запас, им присущи
двигательная активность, целеустремленность, способность прогнозировать
события. "Правополушарный" человек (доминирует правое полушарие) тяготеет
к конкретным видам деятельности, он медлителен и неразговорчив, склонен к
созерцательности и воспоминаниям.
Внимание – это сосредоточенность, избирательная познавательная
направленность процессов, нацеленная на определенный объект, значимый в
данный момент. Физиологический механизм внимания – это, во-первых,
ориентировочный рефлекс, который заключается в установке анализаторов на
объект, а во-вторых, локальные процессы активации, основанные на изученном
Ухтомским явлении доминанты. Выявлены свойства доминирующего очага
возбуждения: суммация; высокая возбудимость; стойкость; инертность.
Различают два вида внимания: непроизвольное и произвольное. Непроизвольное
внимание в основном связано с возбуждением подкорковых образований.
Произвольное внимание обеспечивает сложные взаимосвязи коры больших
полушарий с особой структурой ствола мозга – ретикулярной (сетчатой)
формацией.
Различают следующие стадии внимания:
1. расслабление, бодрствование;
2. избирательное внимание;
3. рассеянное внимание (трудность сосредоточения).
Функцию внимания обеспечивают различные структуры головного мозга,
но главную роль играют промежуточный мозг (зрительный бугор и подбугорье)
и ассоциативные зоны коры больших полушарий.
Память – это способность мозга запоминать, хранить и воспроизводить
полученную информацию. Различают виды памяти:
1) мгновенная (иконическая) – она длится несколько секунд;
2) кратковременная (длится до двух-трех дней);
3) долговременная (от двух-трех дней до конца жизни человека).
При некоторых заболеваниях мозга человек теряет способность
запоминать события, происходящие незадолго до и во время болезни. Это
симптомы так называемой ретроградной амнезии. Полная потеря памяти
называется антероградной амнезией. Ученых издавна интересовали
физиологические механизмы различных видов памяти. Так, относительно
механизмов кратковременной памяти существует теория, что она реализуется в
виде многократной циркуляции потоков импульсов по замкнутым цепям
нейронов. Эта теория подтверждена морфологическими данными о наличии в
сетях нейронов множественных соединений, образующих круговые пути. В ходе
запоминания происходит активация этих путей и многократное возбуждение
нервных клеток. Процесс перехода кратковременной памяти в долговременную
называется консолидацией. В отличие от кратковременной долговременная
память хранит следы пережитых событий неопределенно долго. Она и является
носителем жизненного опыта и знаний, приобретенных человеком. О субстрате
долговременной памяти существуют разные мнения. Одна из теорий объясняет
происхождение долговременной памяти повышением эффективности синапсов
(контактов между нейронами) и образованием новых. Другая теория
(химическая) базируется на многочисленных опытах и наблюдениях во время
обучения. Например, показательные опыты с крысами, которые обучались
добираться к пище, балансируя на проволочном мостике. У этих крыс в нервных
клетках, ответственных за выполнение двигательного навыка, произошло
изменение состава РНК (рибонуклеиновой кислоты). Можно ли передать память
другому организму (т.е. перенести память)? Начало исследованиям в этой
области положил опыт с плоскими червями – планариями, которых кормили
особями с предварительно выработанным рефлексом. При этом у опытных
червей наблюдали ускоренную выработку рефлекса. В качестве переносчика
памяти в этих опытах также рассматривается РНК. Из мозга крыс, обученных
избегать темноты, было выделено вещество скотофобин, состоящее из 15
аминокислот. У таких крыс, оказавшихся в темноте, он вызывал реакцию
стресса. Однако концепции переноса памяти не являются общепризнанными.
Мышление – это сложнейший вид мозговой деятельности человека в
процессе приспособления к новым условиям и решения новых жизненных задач.
Процессы мышления сводятся к образованию общих представлений и понятий, а
также суждений и умозаключений. По мнению ученых, мысль является
сложнейшим обобщенным отражением действительности. Внешняя речь,
постепенно концентрируясь, становится основой глубинного процесса, который
на конечных этапах превращается в мысль.
Эмоции – особый класс субъективных психологических состояний,
отражающих в форме непосредственных переживаний приятного процесс и
результаты практической деятельности, направленной на удовлетворение
актуальных потребностей человека. Поскольку все то, что делает человек, в
конечном счете служит цели удовлетворения его разнообразных
потребностей, постольку любые проявления активности человека
сопровождаются эмоциональными переживаниями. Эмоции, утверждал
Дарвин, возникли в процессе эволюции как средство, при помощи которого
живые существа устанавливают значимость тех или иных условий для
удовлетворения актуальных для них потребностей.
Функции и виды эмоций
На мобилизационную, интегративно-защитную роль эмоций указывал
физиолог П. К. Анохин: "Производя почти моментальную интеграцию
(объединение в единое целое) всех функций организма, эмоции сами по себе и
в первую очередь могут быть абсолютным сигналом полезного или вредного
воздействия на организм, часто даже раньше, чем определены локализации
воздействий и конкретный механизм ответной реакции организма". Благодаря
вовремя возникшей эмоции организм имеет возможность эффективно
приспособиться к окружающим условиям. Он может быстро, со спасительной
скоростью, отреагировать на внешнее воздействие, не определив еще его тип,
форму, другие частные конкретные параметры, "сведя их... к общему
биологическому знаменателю: полезно или вредно для него данное
воздействие".
Эмоциональные ощущения биологически в процессе эволюции
закрепились как своеобразный способ поддержания жизненного процесса в
его оптимальных границах и предупреждают о разрушающем характере
недостатка или избытка каких-либо факторов. Чем более сложно
организовано живое существо, чем более высокую ступень на эволюционной
лестнице оно занимает, тем богаче гамма всевозможных эмоциональных
состояний, которые оно способно переживать. Количество и качество
потребностей человека в целом соответствуют числу и разнообразию
характерных для него эмоциональных переживаний и чувств, причем, чем
выше потребность по своей социальной и нравственной значимости, тем
возвышеннее связанное с ней чувство.
Эмоциональные состояния регулируют протекание психических и
органических процессов. Внешняя эмоциональная экспрессия развилась и
закрепилась в эволюции "как средство оповещения об эмоциональном
состоянии индивида во внутривидовом и межвидовом общении... У высших
животных, и особенно у человека, выразительные движения становятся тонко
дифференцированным языком, с помощью которого индивиды обмениваются
информацией как о своем состоянии, так и о том, что происходит вокруг". В
этом высказывании подчеркнута еще одна роль эмоций – коммуникативная.
Они, по сути дела, явились для человека первым "языком", которым он начал
пользоваться в общении с себе подобными. Этот язык, как показывают
многочисленные наблюдения, вполне доступен и высшим животным.
Самая старая по происхождению, простейшая и наиболее
распространенная среди живых существ форма эмоциональных переживаний
– это удовольствие, получаемое от удовлетворения органических
потребностей, и неудовольствие, связанное с невозможностью это сделать при
обострении соответствующей потребности. Практически все элементарные
органические ощущения имеют свой эмоциональный тон. О тесной связи,
которая существует между эмоциями и деятельностью организма, говорит тот
факт, что всякое эмоциональное состояние обычно сопровождается многими
физиологическими изменениями организма.
Основные эмоциональные состояния, которые испытывает человек,
делятся на собственно эмоции, чувства и аффекты. Эмоции и чувства
предвосхищают процесс, направленный на удовлетворение потребности,
имеют идеаторный характер и находятся как бы в начале его. Эмоции и
чувства выражают смысл ситуации для человека с точки зрения актуальной в
данный момент потребности, значения для ее удовлетворения предстоящего
действия или деятельности. Эмоции могут вызываться как реальными, так и
воображаемыми ситуациями. Они, как и чувства, воспринимаются человеком
как его собственные внутренние переживания, коммуницируются, т.е.
передаются другим людям, сопереживаются.
Чувства – высший продукт культурно-эмоционального развития
человека. Они связаны с определенными, входящими в сферу культуры
предметами, видами деятельности и людьми, окружающими человека.
Предметом чувственного отношения человека могут стать исторические и
социальные события, многое другое. В отличие от эмоций, которые обычно
возникают в ответ на воздействие отдельных свойств окружающей среды,
чувства соотносятся с восприятием и оценкой сложных предметов, событий,
людей, ситуаций. Они достаточно развиты лишь у человека – у животных их
нет. Чувства выполняют в жизни и деятельности человека, в его общении с
окружающими людьми мотивирующую роль. В отношении окружающего его
мира человек стремится действовать так, чтобы подкрепить и усилить свои
положительные чувства. Они всегда связаны с работой сознания, могут
произвольно регулироваться. Проявление сильного и устойчивого
положительного чувства к чему-либо или к кому-нибудь называется страстью.
Устойчивые чувства умеренной или слабой силы, действующие в течение
длительного времени, именуются настроениями.
Аффекты – это особо выраженные эмоциональные состояния,
сопровождаемые видимыми изменениями в поведении человека, который их
испытывает. Аффект не предшествует поведению, а как бы сдвинут на его
конец. Развитие аффекта подчиняется следующему закону: чем более
сильным является исходный мотивационный стимул поведения, и чем больше
усилий пришлось затратить на то, чтобы его реализовать, чем меньше итог,
полученный в результате всего этого, тем сильнее возникающий аффект. В
отличие от эмоций и чувств аффекты протекают бурно, быстро,
сопровождаются резко выраженными органическими изменениями и
двигательными реакциями. Аффекты, как правило, препятствуют нормальной
организации поведения, его разумности. Они способны оставлять сильные и
устойчивые следы в долговременной памяти. В отличие от аффектов работа
эмоций и чувств связана по преимуществу с кратковременной и оперативной
памятью. Эмоциональная напряженность, возникающая в результате
аффектогенных ситуаций, может накапливаться и, если ей вовремя не дать
выхода, привести к сильной и бурной эмоциональной разрядке, которая,
снимая возникшее напряжение, часто сопровождается чувством усталости,
подавленности, депрессией.
Одним из наиболее распространенных в наши дни видов аффектов
является стресс. Он представляет собой состояние чрезмерно сильного и
длительного психологического напряжения, которое возникает у человека,
когда его нервная система получает эмоциональную перегрузку. Стресс
дезорганизует деятельность человека, нарушает нормальный ход его
поведения. Стрессы, особенно если они часты и длительны, оказывают
отрицательное влияние не только на психологическое состояние, но и на
физическое здоровье человека. Они представляют собой главные "факторы
риска" при появлении и обострении таких заболеваний, как
сердечно-сосудистые и заболевания желудочно-кишечного тракта.
Страсть – еще один вид сложных, качественно своеобразных и
встречающихся только у человека эмоциональных состояний. Страсть
представляет собой сплав эмоций, мотивов и чувств, сконцентрированных
вокруг определенного вида деятельности или предмета (человека). Как писал
С. Л. Рубинштейн: "Страсть всегда выражается в сосредоточенности,
собранности помыслов и сил, их направленности на единую цель... Страсть
означает порыв, увлечение, ориентацию всех устремлений и сил личности в
едином направлении, сосредоточение их на единой цели".
Каждый из описанных видов эмоций внутри себя имеет подвиды, а они,
в свою очередь, могут оцениваться по разным параметрам – например, по
следующим: интенсивности, продолжительности, глубине, осознанности,
генетическому происхождению, условиям возникновения и исчезновения,
действию на организм, динамике развития, направленности (на себя, на
других, на мир, на прошлое, настоящее или будущее), по способу их
выражения во внешнем поведении (экспрессии) и по нейрофизиологической
основе. В целом же, какими бы разными не казались, все они неотделимы от
личности. "То, что радует человека, что его интересует, повергает в уныние,
волнует, что представляется ему смешным, более всего характеризует его
сущность, его характер, индивидуальность". "Всю систему чувств, – писал
Вундт – можно определить как многообразие трех измерений, в котором
каждое измерение имеет два противоположных направления, исключающих
друг друга". Рубинштейн считал, что в эмоциональных проявлениях личности
можно выделить три сферы: ее органическую жизнь, ее интересы
материального порядка и ее духовные, нравственные потребности. Он
обозначил
их
как
органическую
(аффективно-эмоциональную)
чувствительность, предметные чувства и обобщенные мировоззренческие
чувства. К аффективно-эмоциональной чувствительности относятся
элементарные удовольствия и неудовольствия, преимущественно связанные с
удовлетворением органических потребностей. Предметные чувства связаны с
обладанием предметами и занятиями отдельными видами деятельности. Эти
чувства соответственно их предметам подразделяются на материальные,
интеллектуальные и эстетические. Они проявляются в восхищении одними
предметами, людьми и видами деятельности и в отвращении к другим.
Мировоззренческие чувства связаны с моралью и отношениями человека к
людям, событиям, нравственным категориям и ценностям.
Теории эмоций
Широкую известность в психологии получила теория, объясняющая
происхождение эмоций, их связь с органическими процессами, предложенная
почти в одно и то же время американским психологом У. Джемсом и датским
ученым К. Ланге. В историю науки она и вошла под двойным названием как
теория Джемса-Ланге. Согласно этой теории, первопричинами возникновения
эмоциональных состояний являются изменения физиологического характера,
происходящие в организме. Возникнув под влиянием внешних или
внутренних стимулов, они затем отражаются в голове человека через систему
обратных нервных связей и порождают ощущение определенного
эмоционального тона. Сначала должны произойти соответствующие
органические изменения в ответ на воздействия стимулов, и только затем как
их субъективно отраженное следствие возникает эмоция.
Разница, которая впоследствии обнаружилась во взглядах Джемса и
Ланге, была небольшой. Джемс полагал, что телесные изменения
непосредственно следуют за восприятием возбуждающих факторов –
стимулов, а эмоция есть не что иное, как наше ощущение уже произошедших
органических перемен. Ланге же считал, что сенсорные стимулы возникают
непосредственно в рецепторах кровеносных сосудов, что эти сосуды в первую
очередь реагируют на внешние воздействия, а эмоции проявляются затем как
отражение произошедших в них изменений.
Концепция происхождения эмоций Джемса-Ланге наряду с одобрением
встретила ряд возражений. Наиболее серьезные замечания в ее адрес были
высказаны У. Кенноном, который одним из первых обратил внимание на то
обстоятельство, что телесные реакции, возникающие при различных эмоциях,
очень похожи друг на друга и как таковые недостаточны для того, чтобы
удовлетворительно объяснить качественное многообразие существующих у
человека эмоций. Кроме того, внутренние органические структуры, в
частности кровеносные сосуды, с изменениями которых Ланге связывал
возникновение эмоциональных переживаний, малочувствительны и очень
медленно приходят в состояние возбуждения. Что же касается эмоций, то они
появляются как субъективные состояния почти мгновенно при возникновении
эмоциогенной ситуации, по крайней мере, гораздо быстрее, чем на нее своими
изменениями реагирует организм.
Самым сильным из возражений Кеннона против теории Джемса-Ланге
явилось следующее: искусственно вызываемые у человека специальными
средствами органические изменения, те самые, существованию которых
Джемс и Ланге приписывали возникновение эмоциональных реакций, далеко
не всегда на деле сопровождаются эмоциональными переживаниями. Нo даже
в том случае, когда в условиях искусственной органической стимуляции
подобные эмоциям переживания все же возникают, субъективно они
воспринимаются совершенно иначе, чем те, которые появляются в
естественных условиях. Искусственно вызываемые висцеральные (т.е.
относящиеся к внутренним органам) изменения, характерные для некоторых
эмоций, не влекут за собой непосредственно эмоцию как таковую. Так,
инъекция адреналина лишь повышает специфическую восприимчивость,
увеличивающую вероятность возникновения эмоции, а не вызывает ее
непосредственно. Между ощущением органических реакций и переживанием
эмоций не существует параллелизма. В результате Кеннон предложил
альтернативную теорию происхождения эмоций. Он считал, что
эмоциональные переживания и соответствующие им органические изменения
порождаются одновременно и возникают из единого источника. Таким
источником – эмоциогенным центром – является таламус, играющий важную
роль в регулировании основных органических процессов и передающий
импульсы с периферических и внутренних рецепторов в кору головного мозга
и обратно. Возникновение эмоционального переживания есть результат
одновременного возбуждения симпатической нервной системы и коры
головного мозга.
Высказанные Кенноном положения были развиты далее П. Бардом. Он
показал, что в действительности как телесные изменения, так и связанные с
ними эмоциональные переживания возникают почти одновременно.
Собственно с эмоциями из всех структур головного мозга более всего связан
не сам таламус, а гипоталамус и центральная часть лимбической системы. В
экспериментах, выполненных на животных, удалось показать, что
электрическими воздействиями на эти структуры в определенной степени
можно управлять эмоциональными состояниями, такими, например, как страх
и гнев. В результате этих доработок концепция Кеннона получила новое,
современное название теории эмоций Кеннона-Барда.
Поскольку между нейрональными и гуморальными факторами
существует сложное взаимодействие, постольку трудно ответить однозначно
на вопрос о том, что чему в действительности предшествует: эмоции
органическим изменениям или же органические изменения эмоциям. В
эмоциональных переживаниях, длящихся в течение достаточного периода
времени, скорее всего, сочетается и то и другое.
Идею о том, что эмоцию следует рассматривать не как психическое
состояние, а прежде всего как ответ организма на ситуацию, можно найти уже
у Дарвина. Впрочем, такая позиция является естественной для того, кто
исходит из исследования лишь поведенческих реакций животного. Согласно
Дарвину большая часть эмоциональных реакций объясняется либо тем, что
они полезны (выражение гнева пугает врага), либо просто тем, что они
являются рудиментами движений, которые были целесообразны на
предыдущей стадии эволюции. Так, если руки становятся влажными при
страхе, то это значит, что некогда у общих обезьяноподобных предков эта
реакция при опасности облегчала схватывание за ветви деревьев. Эмоция
возникает лишь тогда, когда осуществление инстинктных действий,
привычных или произвольных форм поведения наталкивается на препятствие.
Драться, спасаться – сами по себе эти акты не влекут за собой эмоции, если
они осуществляются в обычных условиях, но как только возникает
затруднение, человек, стремясь адаптироваться к условиям жизни,
испытывает эмоцию. "Психологически эмоция – это адаптация или
напряжение привычек и идеала, а органические телесные изменения, строго
говоря, являются проявлением борьбы за адаптацию".
Эта конфликтная теория эмоций значительно ближе к самым
современным представлениям. Она была воспроизведена, в частности,
Клапаредом (1928). "Эмоции возникают лишь тогда, когда по той или иной
причине затрудняется адаптация. Если человек может убежать, он не
испытывает эмоции страха". Была сформулирована идея: эмоции – это
реакция организма на ситуацию. Эмоция возникает непосредственно из
восприятия ситуации. Эмоция не сводится к внутреннему переживанию или к
физиологическим нарушениям, и тем самым вопрос о первичности одной из
ее сторон не является больше проблемой. Эмоция – это реакция всей личности
(включая организм) на те ситуации, к которым она не может адаптироваться, и
она имеет преимущественно функциональное значение.
Следует также иметь в виду, что у человека в динамике эмоциональных
процессов и состояний не меньшую роль, чем органические и физические
воздействия, играют когнитивные факторы. В связи с этим в последние годы
были предложены новые концепции эмоций у человека, выводящие эти
факторы на первый план. Одной из первых явилась теория когнитивного
диссонанса Л. Фестингера. Согласно этой теории, положительное
эмоциональное переживание возникает у человека тогда, когда его ожидания
подтверждаются, представления воплощаются в жизнь, а планы выполняются,
т.е. тогда, когда реальные результаты деятельности соответствуют
намеченным или ожидаемым, согласуются, находятся в консонансе.
Отрицательные эмоции возникают и усиливаются в тех условиях, когда
между ожидаемыми и реальными результатами деятельности имеется
несоответствие – диссонанс. Субъективно состояние когнитивного
диссонанса переживается человеком как дискомфорт, и он стремится во что
бы то ни стало как можно скорее избавиться от него. Выход из состояния
когнитивного диссонанса может быть двояким: или изменить ожидания и
планы таким образом, чтобы они соответствовали реально полученному
результату, или попытаться получить новый результат, который
согласовывался бы с прежними ожиданиями. В современной социальной
психологии теория когнитивного диссонанса Л. Фестингера используется для
того, чтобы объяснить поступки человека, его действия в различных
социальных ситуациях. Эмоции же рассматриваются в качестве основного
мотива соответствующих действий и поступков. Лежащим в их основе
когнитивным факторам придается в детерминации поведения человека
гораздо большая роль, чем органическим изменениям.
Концепция эмоций, предложенная С. Шехтером, получила название
когнитивно-физиологической. Согласно этой теории, на возникшее
эмоциональное состояние помимо воспринимаемых стимулов и порождаемых
ими телесных изменений оказывают воздействие прошлый опыт человека и
оценка им наличной ситуации с точки зрения актуальных для него интересов и
потребностей. Косвенным подтверждением справедливости когнитивной
теории эмоций является влияние на переживания человека словесных
инструкций, а также той дополнительной эмоциогенной информации, которая
предназначена для изменения оценки человеком возникшей ситуации. В
одном из экспериментов, направленном на доказательство высказанных
положений когнитивной теории эмоций, людям давали в качестве "лекарства"
физиологически нейтральный раствор в сопровождении различных
инструкций. В одном случае им говорилось о том, что данное "лекарство"
должно будет вызвать у них состояние эйфории, в другом – состояние гнева.
После принятия соответствующего "лекарства" испытуемых через некоторое
время, когда оно по инструкции должно было начать "действовать",
спрашивали, что они ощущают. Оказалось, что те эмоциональные
переживания, о которых они рассказывали, соответствовали ожидаемым по
данной им инструкции. Было показано также, что характер и интенсивность
эмоциональных переживаний человеком ситуации зависят от того, как ее
переживают другие, рядом находящиеся люди. Это значит, что
эмоциональные состояния могут передаваться от человека к человеку, причем
у человека в отличие от животных качество коммуницируемых
эмоциональных переживаний зависит от его личного отношения к тому, кому
он сопереживает.
Эмоции и адаптационный процесс
Является ли эмоция нарушением поведения или, напротив, это
организующая реакция? Дарвин, Кеннон, Линер считали в целом, что эмоция
является полезной и что она представляет собой адаптивный процесс
благодаря осуществляемой ею энергетической мобилизации в ответ на
требования среды. Напротив, большинство других психологов рассматривали
эмоцию как дезорганизацию, нарушение деятельности. Они подчеркивали,
что эмоция – это главным образом дезорганизующая сила. Именно это резкое
нарушение адекватного действия, любого поиска адаптации, эта
дезорганизация, распространение возбуждения на весь организм, которые
кажутся нам феноменом, совершенно отличным от других регуляций, и
характеризуют эмоцию. Так, эмоция вызывает нарушения памяти, навыков и
вообще замену трудных действий более легкими. Эмоция соответствует
такому снижению уровня адаптации, которое наступает, когда мотивация
является слишком сильной по сравнению с реальными возможностями
субъекта. Эмоция – это страх, гнев, горе, иногда радость, особенно чрезмерная
радость. Возьмем пример с учащимся, сдающим устный экзамен и имеющим
избыточную мотивацию по сравнению с его возможностями. При слабом
уровне дезорганизации эмоция может выражаться в виде не свойственных ему
и излишних негативных реакций: влажные руки, общее напряжение,
затрудненное пищеварение, возбужденность. Эти органические расстройства,
если они не слишком сильны, могут сочетаться с высокой успешностью на
экзамене. При более значительном уровне дезорганизации человек теряется,
приходит в замешательство, нарушения охватывают саму психическую
деятельность: возникает неясность мыслей, провалы памяти, вербальные
затруднения. Вегетативные проявления могут стать еще более сильными:
слезы, покраснение или побледнение, а иногда даже обморок.
Между мотивацией и эмоцией имеются сходство и различие. Чтобы
произошла адаптация к возникающим перед нами задачам, необходима
достаточная мотивация. Однако, если мотивация слишком сильна, мы
лишаемся части наших возможностей, и адаптация становится менее
адекватной действительности. Тогда в деятельности появляются признаки
эмоций, и иногда адаптивное поведение нарушается, полностью замещаясь
эмоциональными реакциями. Существует оптимум мотивации, за пределами
которого возникает эмоциональное поведение. Понятие оптимума мотивации
связано с адекватностью или неадекватностью реакций ситуации. Эта связь
соответствует отношению между интенсивностью мотивации и реальными
возможностями субъекта в конкретной ситуации. Как говорил Хоудж,
"эмоциональные реакции обратно пропорциональны способности высших
мозговых центров противостоять данной ситуации". Эмоциональные
вспышки возникают тогда, когда обычный контроль "Я" становится
недостаточным а) из-за чрезмерного усиления возбуждения или б) из-за
предшествующей блокады состояния разрядки.
С усилением мотивации повышается качество исполнения, но до
определенного предела: если она слишком велика, исполнение ухудшается.
Это можно наблюдать и в повседневной жизни. Учащиеся теряются на
экзамене, военным хорошо известно, что войска лучше маневрируют на
учениях, чем в бою. В каждом случае имеется оптимум мотивации, при
котором научение является наиболее быстрым. Однако результаты
свидетельствуют также о том, что этот оптимум зависит и от трудности
задачи, о чем говорит закон Йеркса-Додсона: "С увеличением трудности
задачи интенсивность наказания, определяющая оптимальную скорость
изучения, должна приближаться к пороговой величине". Это означает, что в
случае трудной задачи оптимум достигается при слабой мотивации, тогда как
при легкой задаче он соответствует сильной мотивации. Очевидно, что при
легкой задаче избыточная мотивация не вызывает нарушений поведения, но
такая возможность возникает при трудных задачах.
Эмоция возникает часто потому, что субъект не может или не умеет дать
адекватный ответ на стимуляцию. В целях квалификации разнообразных
ситуаций сгруппируем их по трем рубрикам: новизна, необычность,
внезапность. Ситуации являются новыми, когда мы совсем не подготовлены к
встрече с ними. Возникающее возбуждение может разрядиться лишь в виде
эмоциональных реакций. Хороший пловец, услышав призыв о помощи, не
испытывает или почти не испытывает эмоции, он плывет, но зритель, не
умеющий плавать и остающийся пассивным на берегу, волнуется. Это
правило объясняет, с одной стороны, почему чем младше ребенок, тем больше
эмоций он испытывает. С самого рождения он непрестанно сталкивается с
ситуациями, на которые у него еще нет приобретенной системы ответов. Если
привычные
представления
нарушаются,
ребенок
оказывается
неподготовленным к необычным ситуациям. Последние могут даже сильнее
взволновать его, чем совершенно новые стимуляции, вызывающие лишь
любопытство. Эти случаи хорошо согласуются с теорией Хебба, который
объясняет происхождение эмоций нарушением последовательности фаз
реакции. Очевидно, с возрастом и накоплением опыта ребенок реже
сталкивается с новыми и необычными ситуациями.
Удивление – важная причина эмоций. Гасто показал, что реакция
удивления представляет собой первичную эмоциональную реакцию, которая
соответствует просто возбуждению ретикулярной формации. Психологи
постепенно приходили к мысли, что существуют различные уровни активации
поведения и что эмоция – это просто реакция, соответствующая очень
сильной активации. Последние открытия в области нейрофизиологии
подтвердили и развили эти точки зрения. Действительно, раздражая в
восходящем порядке ретикулярную формацию у животного, можно
проследить сменяющие друг друга различные состояния – от глубокого сна и
промежуточных состояний внимания до состояний ярости или страха. С этой
физиологической, в сущности, точки зрения нет больше необходимости
рассматривать эмоцию как особый феномен. Эмоциональные реакции
являются только одним из крайних значений континуума, в котором можно
различить все уровни активации.
Бывает, что ситуация, как таковая, не вызвала бы у нас никаких эмоций,
если бы только один или несколько из окружающих нас людей не испытывали
эмоцию. Страх заразителен, как и радость. Следует различать два типа
заражения эмоциями. Один из них соответствует тем случаям, когда одна и та
же ситуация вызывает у одного, а затем у нескольких индивидов одинаковую
реакцию страха, гнева или радости. Наличие группы вызывает усиление
аффективных состояний и эмоциональных реакций.
Другой тип более специфичен. Он соответствует тем случаям, когда
эмоция овладевает нами, хотя сама ситуация нас не затрагивает. Бурная ссора
двух людей может привлечь наше внимание или оставить нас равнодушными,
но может и привести к тому, что мы сами будем охвачены гневом. В этом
случае мы отождествляем себя с одним из ссорящихся. Так же заразителен
может быть смех. Мы можем засмеяться, потому что смеются вокруг нас, но
лишь если мы отождествляем себя с тем, кто смеется. В противном случае мы
остаемся равнодушными или даже раздраженными.
Существуют как кратковременные, так и хронические источники
эмоций. При повторении стимуляции, вызывающей обычно эмоциональные
реакции, в ситуации, к которой невозможна адаптация, развиваются
состояния тревожности и даже невротические состояния. Именно повторение
в определенном ритме состояний тревожности лежит в основе невроза. В
жизни часто бывают более или менее постоянные причины избыточной
мотивации. Источник их часто социального происхождения: женщина боится
оказаться покинутой; рабочий опасается увольнения; солдат боится быть
убитым; эти внутренние страхи, которые не находят внешнего проявления,
поддерживают более или менее выраженное состояние тревожности.
Такое состояние может возникнуть также из-за неразрешенного
внутреннего конфликта, например, подавления сексуального влечения. Самое
возобновление побуждения вызывает повторное возникновение конфликта.
Это напряжение влечет за собой более или менее диффузные состояния
тревожности, а если оно очень сильное, то и невротические состояния. Г. И.
Косицкий различает четыре фазы эмоционального напряжения. Первая фаза
характеризуется мобилизацией физиологических функций, так сказать, в
разумных пределах. Если действия человека уже начинают противоречить
здравому смыслу, то это значит, что наступила вторая фаза эмоционального
напряжения. Третья фаза характеризуется угнетением физиологических
функций: человек впадает в состояние эмоционального шока. Наконец,
четвертая фаза – это уже невроз, который может привести к обострению
различного рода заболеваний.
Нередко вместе с эмоцией возникает желание посмотреть, какой эффект
она производит на окружающих. Эта социализация эмоциональных
проявлений возникает по двум направлениям:
а) использование органических проявлений эмоций для воздействия на
другого: слезы, которые должны разжалобить; проявления страха, взывающие
о помощи;
б) перестройка поведения, ведущая к преобразованию эмоциональных
реакций в реакции, относительно адекватные ситуации.
Плач ребенка, топание ногами, катание по полу в состоянии гнева – вот
примеры первого рода; удары по препятствию, будь то физическая преграда
или человек, – пример адаптации низкого уровня, выражающейся в
агрессивности по отношению к трудности.
Человек, будучи не в состоянии управлять некоторыми своими
реакциями, в известной мере направляет их на то, чтобы извлечь из самого
факта дезорганизации поведения какую-то социальную пользу. Ребенок очень
быстро обнаруживает, что его эмоциональные реакции, связанные с
физическим нездоровьем, обладают большой силой воздействия на
окружающих вследствие заразительности эмоций. И эта почти рефлекторная
реакция становится средством воздействия на окружающих. Так, ребенок 5
лет говорит: "Я буду плакать до тех пор, пока ты мне это не дашь".
Эмоции вызывают в организме множество характерных реакций. Эти
реакции можно сгруппировать в три категории:
а) вегетативные реакции;
б) мышечные реакции;
в) импрессивные реакции.
Вегетативные проявления эмоций весьма разнообразны: изменение
сопротивления кожи, частоты сердечных сокращений, кровяного давления,
сужения и расширения сосудов, изменение скорости амплитуды и ритма
дыхания, температуры кожи, потоотделения, диаметра зрачка, секреции
слюны. Наблюдаются расстройства пищеварительной системы, сокращение и
расслабление сфинктера, изменяется электрическая активность мозга,
химический и гормональный состав крови, мочи, слюны, основной обмен.
Лишь немногие изменения вегетативных функций могут рассматриваться как
характерные проявления эмоций.
Источником некоторых эмоций, в том числе радости, может быть легкое
щекотание. Возникающее состояние проприоцептивного возбуждения
выражается в безудержном смехе, который может перейти в рыдания, если это
возбуждение является чрезмерным, и спазматические реакции разрядки
становятся болезненными. Такой тип эмоции лежит в основе большинства игр
детей (а иногда и взрослых). Принцип их состоит в том, чтобы создать
умеренно напряженную ситуацию, порождающую, как правило, чувство
легкого страха. Когда он снимается, это вызывает приятную эмоциональную
разрядку. В таких играх дети пугают себя, чтобы посмеяться затем над своим
страхом. Смех возникает из-за несоответствия действительного хода событий
тому, что обычно ожидают. Это высказывание можно интерпретировать
следующим образом: реакция на что-то необычное, не вызывающее страха и
не влекущее за собой активных действий, выражается в смехе.
Итак, эмоции вызывают в организме множество характерных реакций.
Например, под влиянием страха или быстрой ходьбы ускоряется деятельность
сердца, а при боязни или счете в уме нарушается нормальный ритм дыхания.
Основываясь только на показателях активации, невозможно обнаружить
собственно эмоцию, поскольку она определяется лишь отношением к
ситуации. Возбуждение симпатической системы ускоряет деятельность
сердца, вызывает расширение зрачка, сосудов кожи и сужение сосудов
внутренних органов, секрецию потовых желез и надпочечников, торможение
слюноотделения, оргазм и т. п. Возбуждение парасимпатической системы
замедляет деятельность сердца, вызывает сужение сосудов кожи и
расширение сосудов внутренних органов, слюноотделение, секрецию
инсулина, эрекцию половых органов и т.п. Наше равновесие, "мудрость
нашего тела" зависит от равновесия эти двух систем. Очевидно, при эмоциях
равновесие нарушается. Вегетативные нарушения при эмоциях проявляются
возбуждением симпатической системы, следствием которого является
увеличение содержания адреналина в крови, что, в свою очередь, усиливает
возбуждение симпатической системы. Действие симпатической системы еще
более усиливается, если парасимпатическая система не оказывает
тормозящего влияния на секрецию адреналина.
Когда мы говорим, что человек, только что переживший состояние
эмоционального шока, "окаменел", мы хотим тем самым подчеркнуть, что его
мышцы находятся в состоянии гипертонуса. Эмоция начинается с
гипертонуса, внешним проявлением которого является преобразование
неиспользованной по назначению энергии в спазматические движения: смех,
слезы, беспорядочные действия. При чрезмерной активности наблюдается тем
большее увеличение мышечного напряжения, чем сильнее стремление
субъекта подавать вызываемые стимуляцией движения: это напряжение еще
более усиливается под влиянием социальных и моральных запретов.
Напряжен юноша, не решающийся обнять нравящуюся ему девушку;
напряжен ребенок, не желающий подчиниться какому-то требованию;
напряжен человек, испытывающий страх и не осмеливающийся убежать.
Дети, воспитывавшиеся в большой строгости, сильнее скованны в движениях
по сравнению с детьми, которым предоставлялась известная свобода.
Лица, страдающие от различных конфликтов и даже с невротическими
отклонениями, характеризуются, как правило, большей скованностью
движений, чем другие. Психоаналитики заметили: наибольшее напряжение и
скованность наблюдаются у пациентов в момент припоминания ими
конфликтных ситуаций. Многие психотерапевтические приемы связаны со
снятием этой напряженности. Аутогенная тренировка Шульца заключается в
том, чтобы научиться расслабляться, в результате чего уменьшаются
раздражительность, тревожность и связанные с ними нарушения.
Чаще всего эмоция осознается самим субъектом как проявление
каких-то нарушений в его организме, другие же судят о ней по внешним
проявлениям этих нарушений, среди которых особую роль играет мимика.
Изучая проявления эмоций, Дарвин нашел доказательства "утилитарной"
роли эмоций. Поза разъяренной собаки устрашающе действует на ее
противника. Широко раскрытые глаза при испуге позволяют лучше различить
опасность, и это выражение лица стало передаваться по наследству.
Существует механистическая концепция эмоций, согласно которой
выражение наших эмоций зависит от строения лицевых мышц и особенностей
их иннервации. Все проявления наших эмоций зависят от лицевого нерва и
двух его ответвлений: височно-лицевого и шейно-лицевого. Возбуждение
этого нерва и определяет многообразие выражений человеческого лица,
состоящего из большого числа мускулов, сокращающихся уже при самых
минимальных энергетических затратах.
Эмоциональные проявления складываются из спонтанных реакций и
произвольных мимических реакций, образующих своеобразный язык эмоций.
Лицевой нерв получает импульсы по двум различным путям. Один путь идет
непосредственно от коры головного мозга, через него осуществляется
сознательная регуляция мимических реакций, другой проходит через таламус
и базальные ядра, которые представляют собой центры спонтанных
эмоциональных реакций. Структура иннервации лица наводит на мысль, что в
основе всякого выразительного движения лежит спонтанная реакция,
видоизменяемая под влиянием усвоенных в результате социального опыта
произвольных мимических реакций.
Томпсон, применяя кинематографическую съемку, подтвердил
идентичность спонтанных выразительных движений у слепых и зрячих:
улыбка, смех, слезы – отметив, однако, несколько большую интенсивность
реакций у слепых. Однако с возрастом мимика зрячих становилась более
выразительной и генерализованной, в то время как у слепорожденных она не
только не совершенствовалась, но даже регрессировала. Эти результаты
свидетельствуют о двойной регуляции мимики, а также о том, что
выразительные движения развиваются путем социального подражания.
Общество поощряет выражение одних эмоций и порицает другие.
Западные цивилизации мирятся со слезами женщин, мальчикам же внушается,
что мужчине не подобает плакать. Однако такой обычай существует не везде.
Например, раньше юноши из племени маори плакали так же часто, как и
женщины. Некоторые проявления радости и гнева зависят от социальной
среды, и воспитание направлено на то, чтобы подавить неодобряемые
проявления эмоций. Общество создает настоящий язык мимики,
обогащающий спонтанные выразительные движения и делающий их более
многообразными. Язык мимики может быть универсальным или, напротив,
весьма специфичным, и тогда его интерпретация возможна лишь при знании
данной этнической или социальной группы. Например, на Западе плевок
свидетельствует о презрении, а в арабских странах он означает благословение.
Даже в разных семьях способы выражения эмоций могут быть различными и
часто непонятными непосвященному. Чтобы понять поведение народа, нужно
знать не только его разговорный язык, но также и язык его тела.
По выразительным движениям и особенно по выражению лица человека
мы судим о характере испытываемых им эмоций. Дунлап разрезал пополам
(по горизонтали) две фотографии лица одного и того же испытуемого,
полученные в лабораторных ситуациях, вызывающих смех, удивление,
страдание и т.п., и склеивал верхнюю и нижнюю половины, соответствующие
разным ситуациям. Составленные таким образом фотографии предъявлялись
судьям для идентификации; оказалось, что выражение эмоции определяет
главным образом рот. Если рот выражает удивление, отвращение, страдание
или радость, то кажется, что и все лицо принимает соответствующее
выражение. В любом проявлении эмоции имеется элемент неопределенности,
исключающий возможность ее однозначной интерпретации. Выражение лица
всегда несколько двусмысленно, и поэтому естественно, что любые
дополнительные признаки облегчают идентификацию эмоций. Одним из
таких признаков может быть знание ситуации. Дополнительными
признаками, облегчающими идентификацию эмоций, могут служить также
поза и особенно движения рук и звуковые выражения эмоций. Роль рук в
эмоциональных реакциях особенно велика. По движениям рук эмоция
распознается так же хорошо, как и по выражению лица. Аналогичные
результаты получены и при идентификации эмоции по голосу.
Идентификация эмоции является результатом анализа всех воспринимаемых
признаков, и это подтверждается фактором улучшения идентификации
эмоций вследствие научения.
Эмоция сопровождается столь сильным осознаваемым аффективным
переживанием, что на первый взгляд именно оно может показаться
сущностью эмоции. Сейчас уже отошли в прошлое споры о том, являются ли
эти осознаваемые реакции причиной или следствием органических реакций. В
результате анализа удалось обнаружить преобладание таких компонентов:
а) описание обстоятельств возникновения эмоций;
б) восприятие органических реакций: сердцебиение, ощущение
усталости и легкости, сухость в горле, потливость и т.п.;
в) осознавание нарушений психической деятельности: неспособность
сосредоточиться, ухудшение памяти, невозможность найти убедительные
аргументы в споре и т.п.;
г) чувства: страдание, радость, стыд, презрение и т.п.
Легко заметить, что по сравнению с характеристикой эмоциогенных
ситуаций и возникающих при этом органических и психических нарушений
чувствам и аффективным переживаниям вообще в этих рассказах отводится
весьма незначительное место. По-видимому, эмоция характеризуется для
субъекта установлением связи между ситуацией и вызываемыми ею
нарушениями. Сильная эмоциогенная ситуация является, если можно так
выразиться, агрессией против организма. Мобилизация энергетических
ресурсов организма в этом случае столь велика, что исключает возможность
их использования в адаптивных реакциях, возбуждение приводит к
"биологическому травматизму", характеризующемуся, в частности,
нарушениями функционирования органов, иннервируемых симпатической и
парасимпатической системой. У субъекта, постоянно находящегося в
ситуации напряжения или конфликта, часто возникают эмоциональные
реакции. Не всегда проявляясь вовне, они могут тем не менее приводить к
вегетативным нарушениям функционирования желудка, кишечника, сердца
или регуляции кровяного давления и т.п.
Но эмоции не всегда вызывают нарушения, напротив, они способны
мобилизовать человека, компенсировать недостаточность информации,
возможностей человека по решению проблемы. Можно привести немало
примеров компенсаторного значения эмоций. Так, ярость помогает человеку
бороться даже в тех условиях, где у него на успех "один шанс из тысячи".
Человек в состоянии чрезвычайного эмоционального возбуждения способен
на гигантские мышечные усилия, на необычные для него формы
деятельности. Творческий процесс вообще невозможен без эмоций.
Творчество
Творчество как процесс создания чего-то нового, часто предполагает,
что человек может испытывать недостаточность информации, знаний, умений
для достижения цели и решения той или иной проблемы, а именно поэтому
ему необходимо сделать рывок в неизведанное, создать новые знания, умения,
новые объекты и произведения. Эмоции, вдохновение, воображение
помогают сделать этот "рывок в творчество ". Огромную роль эмоций в
творческом процессе признавал и В. И. Вернадский, он писал: "Говорят:
одним разумом можно все постигнуть. Не верьте!.. Одна нить – разум, другая
– чувство, и всегда они друг с другом соприкасаются в творчестве".
Американский психолог Л. Кюби утверждал, что неспособность сознания
быть творческим связана с тем, что оно логично и ограничено строго
упорядоченными символами и понятиями, которые исключают возможность
создания новых порядков и сочетаний, т.е. подавляют фантазию и
воображение. Там же, где воображение свободно от оков логики за счет
эмоций, имеет место творчество. Научное и техническое творчество
проявляется в поиске и нахождении принципиально нового решения научной
или технической проблемы, причем структура мыслительного процесса
решения проблемы сложна, но неизменно успеху, "озарению", нахождению
нового решения способствует эмоциональная увлеченность проблемой, вера в
успех, эмоциональная положительная стимуляция.
Выделяют 4 стадии решения проблемы: подготовка; созревание
решения; вдохновение; проверка найденного решения.
Структура мыслительного процесса решения проблемы:
1. Мотивация (желание решить проблему);
2. Анализ проблемы (выделение "что дано", "что требуется найти",
какие недостающие или избыточные данные и т. д.);
3. Поиск решения:
3.1. поиск решения на основе одного известного алгоритма
(репродуктивное мышление);
3.2. поиск решения на основе выбора оптимального варианта из
множества известных алгоритмов;
3.3. решение на основе комбинации отдельных звеньев из различных
алгоритмов;
3.4. поиск принципиально нового решения (творческое мышление):
3.4.1. на основе углубленных логических рассуждений (анализ,
сравнение, синтез, классификация, умозаключение и т.п.);
3.4.2. на основе использования аналогий;
3.4.3. на основе использования эвристических приемов;
3.4.4. на основе использования эмпирического метода проб и ошибок.
В случае неудачи:
3.5. отчаяние, уход на другую деятельность ("период инкубационного
отдыха" – "созревание идей"), озарение, вдохновение, инсайт, мгновенное
осознание решения некоторой проблемы (интуитивное мышление).
Факторы, способствующие "озарению":
а) высокая увлеченность проблемой;
б) вера в успех, в возможность решения проблемы;
в) высокая информированность в проблеме, накопленный опыт;
г) высокая ассоциативная деятельность мозга (во сне, при высокой
температуре, лихорадке, при эмоционально положительной стимуляции).
4. Логическое обоснование найденной идеи решения, логическое
доказательство правильности решения.
5. Реализация решения.
6. Проверка найденного решения.
7. Коррекция (в случае необходимости возврат к этапу 2.
Мыслительная деятельность реализуется как на уровне сознания, так и
на уровне бессознательного, характеризуется сложными переходами и
взаимодействиями
этих
уровней.
В
результате
успешного
(целенаправленного) действия получается результат, соответствующий
предварительно поставленной цели, и результат, который не был
предусмотрен в сознательной цели, он является по отношению к ней
побочным (побочный продукт действия). Проблема осознанного и
неосознанного конкретизировалась в проблему взаимоотношения прямого
(осознаваемого) и побочного (неосознаваемого) продуктов действия.
Побочный продукт действия также отражается субъектом, это отражение
может участвовать в последующей регуляции действий, но оно не
представлено в форме сознания. Побочный продукт "складывается под
влиянием тех конкретных свойств вещей и явлений, которые включены в
действие, но не существенны с точки зрения цели".
Исследуя решение творческих задач, наблюдаем следующую
закономерность: вначале используются первичные, автоматизированные
способы решения (что соответствует низшим уровням), причем первичные
способы действия реализуются до тех пор, пока становится ясно, что данным
способом задачу не решить. На следующем этапе происходит осмысление
неудач (средний уровень), осознается причина этих неудач, а именно то, что
средства не соответствуют задаче, формируется критическое отношение к
собственным средствам и способам действия, в результате к условиям задачи
применяется более широкий круг средств (3-й этап, средний уровень),
происходит выработка программ "поисковой доминанты", потом на низшем
(неосознанном) уровне происходит интуитивное решение, "решение в
принципе", и затем на последних этапах (высший уровень) происходит
логическое обоснование, вербализация и формализация решения. Механизм
творческого процесса (таков же механизм развития): сознательное =>
бессознательное => и вновь осознание.
Для усиления творческих мыслительных возможностей используют и
"экзотические" приемы: введение человека в особое суггестивное состояние
психики (активация бессознательного), внушение в состоянии гипноза
воплощения в другую личность, в известного ученого, например, Леонардо да
Винчи, что резко повышает творчество у обычного человека. Для активации
мышления
можно
применять
специальные
формы
организации
мыслительного процесса, например, "мозговой штурм", или брейнсторминг –
метод предложен А. Осборном (США), предназначен для продуцирования
идей и решений при работе в группе. Основные правила проведения
"мозгового штурма":
1. Группа состоит из 7-10 человек, желательно различной
профессиональной направленности (для уменьшения стереотипизации
подходов), в группе имеется лишь несколько человек, сведущих в
рассматриваемой проблеме.
2. "Запрет критики" – чужую идею нельзя прерывать, критиковать,
можно лишь похвалить, развить чужую идею или предложить свою идею.
3. Участники должны быть в состоянии релаксации, т.е. состоянии
психической и мышечной расслабленности, комфорта. Кресла должны быть
расположены по кругу.
4. Все высказываемые идеи фиксируются (на магнитофоне, в
стенографических записях) без указания авторства.
5. Собранные в результате брейнсторминга идеи передаются группе
экспертов – специалистов, занимающихся данной проблемой, для отбора
наиболее ценных идей. Как правило, таких идей оказывается примерно 10%.
Участников в состав "жюри-экспертов" не включают.
Эффективность "мозговых штурмов" высока. Так, в одной из
американских фирм на 300 заседаниях "мозгового штурма" предложили 15
тысяч идей, из которых 1,5 тыс. идей были незамедлительно реализованы.
"Мозговой штурм", который ведет группа, постепенно накапливающая опыт
решения различных задач, положен в основу так называемой синектики,
предложенной американским ученым У. Гордоном. При "синектическом
штурме" предусмотрено обязательное выполнение четырех специальных
приемов, основанных на аналогии: прямой (подумайте, как решаются задачи,
похожие на данную); личной, или эмпатии (попробуйте войти в образ данного
в задаче объекта и рассуждать с этой точки зрения); символической (дайте в
двух словах образное определение сути задачи); фантастической (представьте,
как бы эту задачу решили сказочные волшебники).
Еще один способ активации поиска – метод фокальных объектов. Он
состоит в том, что признаки нескольких случайно выбранных объектов
переносят на рассматриваемый (фокальный, находящийся в фокусе внимания)
объект, в результате чего получаются необычные сочетания, позволяющие
преодолевать психологическую инерцию и косность. Так, если случайным
объектом взят "тигр", а фокальным "карандаш", то получаются сочетания типа
"полосатый карандаш", "клыкастый карандаш" и т.д. Рассматривая эти
сочетания и развивая их, иногда удается прийти к оригинальным идеям.
Метод морфологического анализа заключается в том, что вначале
выделяют главные характеристики объекта-оси, а затем по каждой из них
записывают всевозможные варианты-элементы. Так, рассматривая проблему
запуска автомобильного двигателя в зимних условиях, можно взять в качестве
осей источники энергии для подогрева, способы передачи энергии от
источника к двигателю, способы управления этой передачей и т.д.
Элементами же для оси "источники энергии" могут быть аккумулятор,
химический генератор тепла, работающий двигатель другой машины, горячая
вода, пар и т.д. Имея запись по всем осям и комбинируя сочетания разных
элементов, можно получить большое число всевозможных вариантов. В поле
зрения при этом могут попасть и неожиданные сочетания, которые едва ли
пришли бы в голову.
Способствует интенсификации поиска и метод контрольных вопросов,
который предусматривает применение для этой цели списка наводящих
вопросов, например: "А если сделать наоборот? А если изменить форму
объекта? А если взять другой материал? А если уменьшить или увеличить
объект?" и т.д. Все рассмотренные методы активизации творческих
мыслительных
возможностей
предусматривают
целенаправленную
стимуляцию ассоциативных образов (воображения). Научное творчество и
особенно творчество в искусстве опирается на воображение, которое, в свою
очередь, неразрывно связано с эмоциями и чувствами человека. Воображение
– психический процесс, заключающийся в создании новых образов
(представлений) путем переработки материала восприятий и представлений,
полученных в предшествующем опыте. Воображение как своеобразная форма
отражения действительности осуществляет мыслительный отход за пределы
непосредственно
воспринимаемого,
способствует
предвосхищению
будущего, "оживляет" то, что было ранее. Воображение может быть
пассивным (сновидения, грезы) и активным, которое, в свою очередь,
разделяют на воссоздающее (создание образа предмета по его описанию) и
творческое (создание новых образов, требующих отбора материалов в
соответствии с замыслом). Мечта – вид творческого воображения, связанного
с осознанием желаемого будущего.
Этапы творческого воображения: возникновение творческой идеи;
"вынашивание" замысла; реализация замысла. Синтез, реализуемый в
процессах воображения, осуществляется в различных формах:
· агглютинация – "склеивание" различных, в повседневной жизни
несоединимых, качеств, частей;
· гиперболизация – увеличение или уменьшение предмета, а также
изменение отдельных частей;
· схематизация – отдельные представления сливаются, различия
сглаживаются, а черты сходства выступают четко;
· типизация – выделение существенного, повторяющегося в
однородных образах;
· заострение – подчеркивание каких-либо отдельных признаков.
У людей "среднего ума" интеллект и творческие способности обычно
тесно связаны друг с другом. У человека с нормальным интеллектом обычно
имеются и нормальные творческие способности. Начиная с определенного
уровня пути интеллекта и творчества расходятся. Этот уровень лежит в
области IQ (коэффициента интеллекта), равного 120. Коэффициент
интеллекта можно измерить тестами. В настоящее время для оценки
интеллекта чаще всего используют тест Стенфорд – Бине и шкалы Векслера.
При IQ выше 120 корреляция между творческой и интеллектуальной
деятельностью исчезает, поскольку творческое мышление имеет свои
отличительные черты и не тождественно интеллекту. Оно:
– пластично, т.е. творческие люди предлагают множество решений в тех
случаях, когда обычный человек может найти лишь одно или два;
– подвижно, т.е. для творческого мышления не составляет труда
перейти от одного аспекта проблемы к другому, не ограничиваясь
одной-единственной точкой зрения;
– оригинально, порождает неожиданные, непривычные решения.
Креативность как показатель творческих возможностей человека
понимается многогранно: "креативность – это продуцирование чего-то нового
(идеи, объекта, новой формы старых элементов и т.п.)", это "трансляция,
перевод знаний и идей в новую форму", "пересечение двух идей
одновременно", "креативность – это самовыражение личности, способность
думать в неисследованных областях без влияния обычаев, свойственных для
прошлой практики". Известный психолог Гилфорд отмечает, что наиболее
важными сторонами креативности являются факторы открытия (способность
развивать информацию сверх того, что дает стимуляция) и факторы
дивергентного мышления (способность выходить в различные направления
над пространством решаемой проблемы, отойти от системы привычных
методов решения). У всех ли есть креативность? Одни ученые считают, что
креативность проявляется только у особых людей в редкие моменты времени,
другие считают, что креативные процессы поддаются тренировке и
расширению, но большинство, что креативный процесс тренировать нельзя,
так как он возникает только в результате сочетания проблем,
индивидуальностей, навыков и специального окружения.
Творцом, так же как и интеллектуалом, не рождаются. Все зависит от
того, какие возможности предоставит окружение для реализации того
потенциала, который в различной степени присущ каждому из нас. Как
отмечает Фергюсон, "творческие способности не создаются, а
высвобождаются". Поэтому игровые и проблемные методы обучения
способствуют "высвобождению" творческих возможностей учащихся,
повышению интеллектуального уровня и профессиональных умений.
Мысль о необходимости разработки эффективных методов решения
творческих задач высказывалась давно, по крайне мере, со времени
дневнегреческого математика Паппа, в сочинениях которого впервые
встречается слово "эвристика". Однако лишь в середине XX века стало
очевидно, что создание таких методов не только желательно, но и
необходимо. Появление методов активизации перебора вариантов –
знаменательная веха в истории человечества. Впервые была доказана на
практике возможность – пусть в ограниченных пределах – управлять
творческим процессом. Осборн, Цвикки, Гордон показали, что способность
решать творческие задачи можно и нужно развивать посредством обучения.
Был подорван миф об "озарении", не поддающемся управлению и
воспроизведению.
Современное естествознание рассматривает человека как целостный
природный и социокультурный феномен. Можно выделить некоторую часть
социоприродных измерений человека и проанализировать их как
интегральную, нераздельную совокупность. В качестве такой совокупности
может быть выделена триада измерений, включающая космопланетарное
измерение (биосферно-ноосферное, погруженное в космическую среду),
эволюционно-экологическое и, наконец, измерение, выражающее состояние
человеческого здоровья преимущественно на популяционном уровне. Данная
триада в целом отражает фундаментальные неразрывные взаимосвязи
человека и окружающего его космопланетарного мира. Совокупность
социоприродных измерений человека определяется, в частности,
следующими закономерностями организованности живого вещества.
Во-первых, это взаимодействие живого вещества с потоком солнечной
радиации и перевод энергии последнего в связанную энергию отдельных
форм живого вещества, выступающих как трансформаторы космической
энергии; во-вторых, действие двух биогеохимических законов (законов
Вернадского-Бауэра)
о
максимизации
живыми
организмами
биогеохимической энергии в биосфере; в-третьих, проявление принципа Реди
(запрета в отношении абиогенеза), согласно которому все виды земных
организмов происходят от других. Функции здоровья популяций,
рассчитанные в соответствующих коэффициентах (человеко-часах),
параметры их взаимодействия и лимитирования применительно к данным
экологическим свойствам среды могут служить показателями потенциала
экологического здоровья человека.
Здоровье человека во многом связано с эволюционно-экологическими
основами его психофизической деятельности. Исследования показали, что в
современной популяции людей формируются новые варианты гено- и
фенотипов человека. Морфотипы, которые в прежнее время развивались в
соответствии с относительно постоянными природно-экологическими и
социальными условиями, теряют свои преимущества. Ритмы жизни,
урбанизация, миграция, современные биосферно-ноосферные экологические
изменения в целом предъявляют к людям новые требования. Формируются
генофенотипические свойства, которые наиболее адекватно отвечают
современным психофизиологическим, социальным потребностям жизни.
Более ста лет назад выдающийся французский биолог и медик К. Бернар
выдвинул идею единства здоровья и болезни и, по существу, обосновал
учение о гомеостазе. К мысли о гомеостазе он пришел на основе опыта
медицины и собственных экспериментальных наблюдений. В лекциях о
жизни животных и растений в 1878 г. Бернар обобщил этот свод данных.
Утверждая единство здоровья и болезни, великий естествоиспытатель писал:
"Физиология болезней, конечно, заключает в себе процессы, которые могут
быть присущи им специально, но их законы абсолютно тождественны с
законами, управляющими функциями жизни в здоровом состоянии".
Таким образом, учение о гомеостазе основано на убеждении в единстве
здоровья и болезни. Поддержание внутренней среды как условие свободы
жизни – таков принятый большинством в качестве истины принцип общей
патологии: "Компенсаторно-приспособительные реакции, обеспечивающие
гомеостаз, не являются какими-то особыми реакциями организма, а
представляют
собой
разнообразные
комбинации
его
функций,
развертывающиеся на той же, что и в норме, материальной основе, но
протекающие, как правило, с большей, чем обычно, интенсивностью и
нередко сопровождающиеся появлением своеобразных тканевых изменений".
И. В. Давыдовский рассматривал здоровье и болезнь как два
качественно различных феномена, которые могут сосуществовать в
индивидууме. В частности, он высказал правильное утверждение: сам
организм (его центральная нервная система) может быть организатором
патологических процессов. Это утверждение он обосновывал результатами
большого количества экспериментов. Но один момент следует уточнить:
организация (самоорганизация) патологического процесса есть организация
адаптивной программы в экстремальных, аварийных условиях среды, а
"патология" есть организованный вариант жизни (выживания) на основе
видовой программы приспособления вида. Идеи такого рода присутствуют в
работах Н. П. Бехтеревой, Г. Н. Кржижановского и других ученых.
В чем же основное противоречие и единство феноменов здоровья и
болезни? Во-первых, человеческий организм, как и все отдельности живого
вещества,
теленомичен
(целенаправлен).
Каждый
индивид
социально-биологически теленомичен по двум программам бессмертия: в
продолжении рода и в социально-культурной активности. В экстремальных
условиях возможны "отказы", минимизация психофизиологических функций,
что будет субъективно и объективно проявляться в дискомфорте, в
состояниях, которые сам индивид может причислить к категории патологии и
болезни.
Во-вторых, если индивид имеет внутреннюю психоэмоциональную
установку на здоровье (в его обычном, житейском общепринятом понимании)
как высшую ценность и цель жизни, то, как правило, он избегает трудностей,
высокого риска, напряженного поиска борьбы. Восприятие состояний
здоровья и болезни у таких людей будет иным, нежели у тех, кто расценивает
свою жизнь как путь достижения высших социальных целей, а само здоровье в
таком движении жизни – как средство. Людям с такой установкой
свойственны пассионарность (пассионарность – характеристика поведения,
эффект избытка биохимической энергии живого вещества, порождающий
жертвенность ради иллюзорной цели, подвижничество, творческий порыв,
неистовость поиска, стремление к достижению идеала). Такое направленное
психоэмоциональное напряжение принято обозначать как реакцию Прометея,
отделяя ее от столь неоправданно распространенной на любые болезненные
состояния реакции стресса у человека. Реакция Прометея характеризуется
изменением
порогов
сенсорных
систем
вследствие
изменения
психоэмоциональной установки таким образом, что раздражители, ранее
болезненные, патогенные, оказываются нейтральными, их действие
затормаживается. Примеры таких реакций многочисленны. Описаны явления,
когда реакция Прометея охватывала всю жизнь человека – такова была жизнь
М. В. Ломоносова, И. Канта, В. И. Вернадского.
Есть интересные примеры внушенной (наяву или под гипнозом)
физической или психоэмоциональной пониженной чувствительности и,
наоборот, внушенных (самовнушенных) патологических состояний. Это лишь
отдельно взятые явления. В целом же изменение уровней чувствительности,
реактивности организма постоянно имеет место у каждого человека на
протяжении его жизни. В экстремальных условиях (в случае перегрузки,
травмы, инфекции, интоксикации и др.) видовая аварийная программа
реализуется в том, что существенно (иногда до возможного минимума)
сокращается внешняя работа и все резервы направляются на развитие новых
внутренних функционально-морфологических механизмов сохранения
жизнеспособности, выживания, выздоровления. Организм перестраивает
свою жизнедеятельность в максимально закрытом режиме. Вся эта
перестройка на основе видовой аварийно-адаптивной программы для данного
индивида, по существу, есть необходимое его вовлечение в процесс
эволюционно-видового выживания (адаптации вида).
Естественно, что относительно обычной здоровой жизнедеятельности
такая перестройка оценивается как нечто внешнее, как болезнь. Ясно, что это
– новое качество жизнедеятельности индивида на основе видовой адаптивной
программы, которое Давыдовский называл адаптацией через болезнь. Здесь
термин "болезнь" относится к индивиду, к его жизнедеятельности в обычных
условиях среды, а понятие адаптации отражает масштабную закономерность
видового гомеостаза. В работах отечественных клиницистов, патологов были
намечены пути решения проблем общей патологии, сформулированы основы
видения проблем гомеостаза, феноменов здоровой и нарушенной жизни,
предприняты попытки обосновать понимание здоровья и болезни как
диалектического единства и противоположности. При анализе специфики
здоровья в указанном отношении следует четко разграничивать здоровье
отдельного человека и здоровье популяции.
Здоровье индивида – динамический процесс сохранения и развития его
социально-природных, биологических, физиологических и психических
функций, социально-трудовой, социокультурной, творческой активности при
максимальной продолжительности жизненного цикла. Здоровье популяции
представляет собой процесс долговременного социально-природного,
социально-исторического и социокультурного развития жизнеспособности и
трудоспособности человеческого коллектива в ряду поколений. Это развитие
предполагает совершенствование психофизиологических, социокультурных и
творческих возможностей людей.
Здоровье популяции и индивида является необходимой предпосылкой
интеллектуального здоровья человека, полноценной реализации его
творческих возможностей. И наоборот, когда социально-исторические
условия препятствуют полноценному развитию интеллектуального здоровья,
в высокой степени вероятны такие отрицательные следствия, как снижение
общего уровня здоровья популяции, выраженное в показателях
заболеваемости и смертности, росте хронической патологии и т.д.
Можно говорить о триаде важнейших функций популяционного
здоровья. В измеримых коэффициентах человеко-часов они определяются
так: 1 – конкретный живой труд, совокупность психофизических затрат в ходе
производственной деятельности, которые совершаются работающими
индивидами внутри данной популяции; 2 – социально-биологическое
воспроизводство последующих поколений, с которыми связано
существование института семьи; 3 – воспитание и обучение последующих
поколений, усвоение ими совокупности умений, навыков и знаний,
необходимых для успешной социально-производственной, творческой
деятельности, для полноценного воспроизводства следующих поколений.
Комплексные научно-практические меры должны быть направлены на
сбалансированное, взаимосвязанное развитие этих функций, обеспечивающее
увеличение социально-трудового потенциала населения, сохранение и
развитие здоровья людей. Фактически речь идет о разработке систем
жизнеобеспечения,
учитывающих
специфику
различных
в
природно-экологическом отношении территорий. Больше всего на свете люди
хотят иметь хорошее здоровье. Здоровье – это проблема номер один.
Что же все-таки означает здоровье? В 1947 г. Всемирная Организация
Здравоохранения, основанная по инициативе ООН, предложила краткую
формулировку термина: здоровье – это состояние полного физического,
умственного и социального благосостояния. Оказывается, каждый человек
рождается на свет с определенным запасом жизненной энергии, которой и
определяется его жизненная роль. Этот запас у людей разный. Жизненная
энергия, которую мы получили при рождении, подобна банковскому
денежному вкладу, который мы можем расходовать по своему желанию, но
который мы никогда не сможем пополнить. Только постоянный контроль над
ее расходами поможет нам разумно использовать это сокровище.
Когда организм переживает состояние стресса, все его жизненно
важные системы подвергаются перенапряжению, будь то сердце, почки,
желудок или другие органы. Они выходят из строя в зависимости от того,
какой из них наиболее уязвим у каждого конкретного человека. Например,
образ жизни значительного числа мужчин в возрасте до 60 лет, страдающих
сердечными приступами, такой, что они находятся в постоянном состоянии
стресса. "Многие полагают, что после того, как они подверглись действию
чрезвычайных раздражителей, отдых может им вернуть прежнее состояние и
силы. Это неверно. Эксперименты на животных ясно показали, что каждое
такое воздействие оставляет неизгладимый след, ибо израсходованные
адаптационные резервы не могут быть восстановлены". Попытка избежать
всех форм стресса – также не выход из положения. Исследования показали,
что и сокращение активности ведет к сокращению жизни. Расточать жизнь,
"сжигая" ее с ранних лет, столь же безрассудно, как и "ржаветь" от
бездеятельности. Успех в жизни зависит от умеренности и равновесия.
Каждый из нас имеет два возраста, принимаемых во внимание. Первый
– это наш хронологический возраст – здесь мы ничего изменить не можем. Мы
рождаемся в определенный день, и с этой поры календарь начинает терять
листок за листком. Но есть также и физиологический возраст, с которым мы
можем кое-что сделать. Какой бы ни был ваш хронологический возраст, вы
можете сделать нечто значительное со своим физиологическим возрастом
только при условии, что действительно хотите этого. Если у вас есть
определенная программа, нужно неукоснительно придерживаться ее.
Спортсмены знают, что две недели вынужденного бездействия снижают их
силы и возможность хорошо выступить на соревнованиях на 25%. А для того
чтобы восстановить прежнюю форму, потребуется уже не две недели, а шесть.
Поэтому борьба за свое здоровье не должна вестись от случая к случаю. Она
должна стать новым образом жизни.
Еще во времена Гиппократа, отца медицины, было известно, что
человеческие эмоции связаны с заболеваниями. Но только в 1818 г. Гейнрус
применил новый термин, которым стали часто пользоваться при описании
подобных феноменов – психосоматические заболевания (греч. "психе" –
душа, "сома" – тело). Мы имеем дело с "душевно-телесными" заболеваниями.
При всех заболеваниях имеется взаимосвязь между эмоциями и состоянием
организма. Почти все больные, независимо от того, знали они об этом или нет,
имели предшествующие заболеванию эмоциональные переживания. Когда
человек не справляется с критическими стрессовыми состояниями, его мозг
или организм обязательно выходят из строя. И если развивается какое-то
заболевание, оно ударяет по самым уязвимым местам нашего организма. Где
проявит себя болезнь, зависит от того, какие органы оказались "повышенно
чувствительны" в результате перенесенных детских заболеваний,
наследственной предрасположенности или состояния нервной системы.
Эмоциональные стрессы влияют на организм двумя основными путями.
Эмоции, связанные с проявлением враждебности, вызывают повышенную
реакцию организма, а страх или уныние – пониженную.
Доказано, что бактерии не начинают своей разрушительной работы в
организме человека, пока какой-то внешний, будь то физический или
химический, раздражитель не даст им такую возможность. Другими словами,
люди, которые часто болеют, обычно бывают не в состоянии противостоять
стрессу без каких-либо последствий. Если вы хотите избежать болезни,
старайтесь держать себя в отличной физической форме. Это "сорвет все
планы" микробов. Неплохо также стараться избегать состояния, ведущего к
эмоциональному перенапряжению. Доктор А. Мейджи писал: "Если на
человеческий организм внезапно воздействовать кратковременным или
длительным шумом, он отвечает той же реакцией, что и при эмоциях гнева
или страха". Думайте всегда о хорошем. Соломон, один из мудрейших людей,
когда-то живших на Земле, говорил: "Веселое сердце благотворно, как
врачевание, а унылый дух сушит кости".
Твердо решитесь подняться над всеми трудностями жизни и она будет
долгой, здоровой и счастливой. Сотрудничайте с природой в ее стремлении
восстановить нарушенный баланс и гармонию в системах организма.
Наконец, изучайте все, что можно, о природных средствах лечения. Свежий
воздух, солнечный свет, умеренность, отдых, физические упражнения, вода и
правильное питание – необходимые факторы здоровья и долголетия.
Деятельность – закон всего нашего существования, бездеятельность –
причина болезней. Среди физически пассивных людей инфаркт миокарда
встречается вдвое чаще, чем среди людей физически активных. Неоценима
польза человеческому организму от физических упражнений, которые:
1) улучшают кровообращение;
2) предупреждают от преждевременных сердечных заболеваний;
3) увеличивают доставку кислорода организму;
4) способствуют пищеварению;
5) успокаивают нервы и уравновешивают эмоции;
6) повышают сопротивляемость организма к заболеваниям;
7) снимают усталость;
8) укрепляют мышцы, кости и связки;
9) придают фигуре стройность;
10) обостряют умственные способности;
11) усиливают самообладание, развивают ловкость;
12) помогают противостоять неожиданным стрессам, будь то
физические или эмоциональные;
13) улучшают функции желез;
14) развивают силу, уверенность и волю;
15) содействуют правильной оценке окружающей действительности;
16) способствуют крепкому сну.
Бывает, что человек чувствует себя хорошо, все органы и системы
работают, казалось бы, нормально, но достаточно легкого сквозняка – и он
уже во власти недуга: на несколько дней слег в постель с высокой
температурой. Выходит, что даже при нормальных качественных показателях
организм может быть чрезвычайно уязвимым, а значит, не абсолютно
здоровым. И совершенно справедливо предлагал академик Амосов ввести
новый медицинский термин "количество здоровья" для обозначения меры
резервов организма. Есть скрытые резервы сердца, почек, печени.
Выявляются они с помощью различных нагрузочных проб. Здоровье – это
количество резервов в организме, это максимальная производительность
органов при сохранении качественных пределов их функций.
Сегодня вместо 100 лет мы живем в среднем 70, т.е. наша жизнь
укорочена на 30 лет. Одного ученого спросили: "Как удлинить жизнь?" Он
ответил: "Прежде всего – не укорачивать ее". Секрет долголетия кроется в
пяти условиях жизни: закаленное тело, здоровые нервы и хороший характер,
правильное питание, климат, ежедневный труд.
Правильный образ жизни И. И. Мечников называл ортобиозом ("орто" –
прямой, правильный; "био" – связанный с жизнью). Рассмотрим восемь
важнейших условий ортобиоза, какими они представляются с точки зрения
современной науки. Прежде всего, следует снова назвать труд – важнейшее
условие физиологического благополучия. Органы-тунеядцы быстро чахнут.
Следующим условием ортобиоза является нормальный сон. Дирижером
симфонии жизни, старящимся в первую очередь, является мозг. Средством же
восстановления его сил, даваемым самой природой, служит состояние сна.
Понятно, что правильное использование этого блага необходимо. Еще одно
условие – доброе настроение, положительные эмоции. Их обеспечивают
доброжелательное отношение к другим людям, юмор, оптимизм. Надо
фиксировать внимание на хорошем и уметь радоваться ему. Положительные
эмоции уменьшают болевые ощущения. Согласно теории Мелзака и Уолла,
положительные эмоции как бы закрывают "болевой шлагбаум" в сером
веществе спинного мозга, а отрицательные, наоборот, открывают его.
Положительные эмоции – универсальный исцелитель от многих недугов.
Среди условий правильного образа жизни весьма существенным
является рациональное питание. Рациональным оно должно быть по качеству,
по количеству и по режиму. Знаменитый кардиолог Уайт говорил: "Чтобы не
болеть атеросклерозом и дольше прожить, надо не злоупотреблять двумя
вещами: желудком и будильником", т.е. есть не досыта, а спать по
потребности. Избегать алкоголя и никотина – важное условие ортобиоза.
Алкоголь – яд для всех клеток тела. Слабеют нервные процессы, особенно
тормозной, дрябнет сердечная мышца. Неблагоприятное действие оказывает
алкоголизм на потомство, повышая число детей с психохимическими и
физическими дефектами. От алкоголя тяжело страдает печень – перестает
должны образом выполнять свою барьерную, защитную роль. Кишечные яды
свободно проникают в кровь, и закономерный конец алкоголика – тяжелое
отравление этими ядами, известное под наименованием белой горячки.
Табачный яд – целый букет вредностей. Никотин – нервно-сосудистый яд. Он
бьет современного человека в самое больное место – усиливает атеросклероз.
Соблюдение режима, т.е. выполнение определенной деятельности
организма в определенное время, приводит к образованию в мозгу условных
рефлексов на время. В результате привычное время еды настраивает организм
на принятие и переваривание пищи, привычное время для работы – на
соответствующую форму деятельности. Мозгу не приходится каждый раз
"раскачиваться'', настраиваясь на новую деятельность – само время готовит
его к данной работе. В силу этого, во-первых, мозг экономит ресурсы;
во-вторых, работа протекает лучше. Понятно, что человек, соблюдающий
режим, имеет больше шансов на здоровье и долголетие.
Закаливание организма – важное условие ортобиоза. Под закаливанием
понимают процесс приспособления организма к неблагоприятным внешним
воздействиям, главным образом к фактору холода. Приспособление это
достигается путем использования естественных сил природы – солнечных
лучей, воздуха, воды. Наконец, физические упражнения, достаточный объем
двигательной активности; это – важнейший элемент физической культуры и
правильного образа жизни.
Что такое работоспособность? Обычно отвечают – это способность к
выполнению работы. О деятельности организма по восполнению
произведенных затрат, как правило, забывают. Поэтому правильнее будет
сказать, что, с физиологической точки зрения, работоспособность определяет
возможности организма при выполнении работы к поддержанию структуры и
энергозапасов на заданном уровне. В соответствии с двумя основными типами
работ – физической и умственной – различают физическую и умственную
работоспособность. Выделяют также общую (потенциальную, максимально
возможную работоспособность при мобилизации всех резервов организма) и
фактическую работоспособность, уровень которой всегда ниже. Фактическая
работоспособность зависит от текущего уровня здоровья, самочувствия
человека, а также от типологических свойств нервной системы,
индивидуальных особенностей функционирования психических процессов
(памяти, мышления, внимания, восприятия), от оценки человеком значимости
и целесообразности мобилизации определенных ресурсов организма для
выполнения определенной деятельности на заданном уровне надежности и в
течение заданного времени при условии нормального восстановления
расходуемых ресурсов организма.
В процессе выполнения работы человек проходит через различные фазы
работоспособности. Фаза мобилизации характеризуется предстартовым
состоянием. При фазе врабатываемости могут быть сбои, ошибки в работе,
организм реагирует на данную величину нагрузки с большей силой, чем это
необходимо; постепенно происходит приспособление организма к наиболее
экономному, оптимальному режиму выполнения данной конкретной работы.
Фаза оптимальной работоспособности (фаза компенсации) характеризуется
оптимальным, экономным режимом работы организма и хорошими,
стабильными результатами работы, максимальной производительностью и
эффективностью труда. В этой фазе несчастные случаи редки и происходят, в
основном, по причине объективных экстремальных факторов или неполадок
оборудования. В фазе неустойчивости компенсации (или субкомпенсации),
происходит своеобразная перестройка организма: необходимый уровень
работы поддерживается за счет ослабления менее важных функций.
Эффективность труда поддерживается уже за счет дополнительных
физиологических
процессов,
менее
выгодных
энергетически
и
функционально. Например, в сердечно-сосудистой системе обеспечение
необходимого кровоснабжения органов осуществляется уже не за счет
увеличения силы сердечных сокращений, а за счет возрастания их частоты.
Перед окончанием работы, при наличии достаточно сильного мотива к
деятельности, может наблюдаться также фаза "конечного порыва". При
выходе за пределы фактической работоспособности, при работе в сложных и
экстремальных условиях после фазы неустойчивой компенсации наступает
фаза декомпенсации, когда прогрессирует снижение производительности
труда, появляются ошибки, выражены вегетативные нарушения: учащение
дыхания, пульса, нарушение точности координации.
Первый этап – врабатывание – приходится, как правило, на первый час
(реже два часа) от начала работы. Этап устойчивой работоспособности длится
последующие 2-3 часа, после чего работоспособность снижается (этап
некомпенсированного утомления). Эти три этапа повторяются дважды за
трудовой день: до обеденного перерыва и после него. Любопытно, что в
течение недели отмечаются те же три этапа. В понедельник человек проходит
стадию врабатывания, во вторник, среду и четверг имеет устойчивую
работоспособность, а в пятницу и субботу у него развивается утомление.
Давно заметили и сезонные колебания работоспособности. В переходное
время года, весной, у многих людей появляются вялость, утомляемость,
снижается интерес к работе. Это состояние называют весенним утомлением.
А как влияет на работоспособность возраст? Установлено, что в 18-20
лет у человека наблюдается самая высокая интенсивность интеллектуальных
и логических процессов. К 30 годам она снижается на 4%, к 40 – на 13, к 50 –
на 20, а в возрасте 60 лет – на 25%.
Длительное время ученые считали утомление отрицательным явлением,
неким промежуточным состоянием между здоровьем и болезнью. Немецкий
физиолог М. Рубнер в начале XX века высказал предположение, что человеку
отпущено на жизнь определенное число калорий. Поскольку утомление
является "расточителем" энергии, оно ведет к сокращению жизни. Некоторым
приверженцам этих взглядов даже удалось выделить из крови "токсины
усталости", сокращающие жизнь. Однако время не подтвердило этой
концепции. Академик Фольборт провел убедительные исследования,
показавшие, что утомление является естественным побудителем процессов
восстановления работоспособности. Здесь действует закон биологической
обратной связи. Если бы организм не утомлялся, то не происходили бы и
восстановительные процессы. Чем больше утомление (конечно, до
определенного предела), тем сильнее стимуляция восстановления и тем выше
уровень последующей работоспособности. Важно и то, что в период
восстановления происходит "текущий ремонт" органов и тканей, усиливаются
процессы регенерации, заживления ран. Все это говорит о том, что утомление
не разрушает организм, а поддерживает его. Подтверждением этого вывода
являются исследования и И. А. Аршавского, в ходе которых было
установлено, что физические нагрузки не сокращают, а, наоборот,
увеличивают, продолжительность жизни.
Одно из наиболее емких определений состояния утомления:
"Утомление – возникающее вследствие работы временное ухудшение
функционального состояния организма человека, выражающееся в снижении
работоспособности, в неспецифических изменениях физиологических
функций и в ряде субъективных ощущений, объединяемых чувством
усталости". Почему же такая полезнейшая вещь имеет отрицательную
окраску: снижается интерес к работе, ухудшается настроение, нередко
возникают болезненные ощущения в теле? Сторонники эмоциональной
теории объясняют: это происходит, если работа быстро наскучила. Другие
основой усталости считают конфликт между нежеланием работать и
принуждением к труду. Наиболее доказанной сейчас считается деятельная
теория. Начиная с фазы субкомпенсации, возникает специфическое состояние
утомления. Различают физиологическое и психическое утомление. Первое из
них выражает воздействие на нервную систему продуктов разложения,
освобождающихся в результате двигательно-мускульной деятельности, а
второе – состояние перегруженности самой центральной нервной системы.
Обычно явления психического и физиологического утомления взаимно
переплетаются, причем психическое утомление, т.е. ощущение усталости, как
правило, предшествует утомлению физиологическому. Особенности
психического утомления:
1) в области ощущений утомление проявляется в понижении
восприимчивости человека, в результате чего отдельные раздражители он
вообще не воспринимает, а другие воспринимает лишь с опозданием;
2) снижается способность концентрировать внимание, сознательно его
регулировать, в результате человек отвлекается от трудового процесса,
совершает ошибки; в состоянии утомления он меньше способен к
запоминанию, труднее вспоминает уже известные вещи, воспоминания
становятся обрывочными, человек не может применить профессиональные
знания в работе в результате временного нарушения памяти;
3) мышление усталого человека становится замедленным, неточным,
оно в какой-то мере теряет свой критический характер, гибкость, широту,
человек с трудом соображает, не может принять правильное решение;
4) в области эмоциональной под влиянием утомления возникает
безразличие, скука, состояние напряженности, могут возникнуть явления
депрессии или повышенной раздраженности, наступает эмоциональная
неустойчивость;
5) утомление создает помехи для деятельности нервных функций,
обеспечивающих сенсомоторную координацию, в результате время реакции
усталого человека увеличивается, а следовательно, он медленнее реагирует на
внешние воздействия, теряет ловкость, координированность движений, что
приводит к ошибкам, несчастным случаям.
В состоянии хронического переутомления снижается умственная
работоспособность: трудно сосредоточиться, временами наступает
забывчивость, замедленность и порой неадекватность мышления. Все это
повышает опасность несчастных случаев. Психогигиенические мероприятия,
направленные на снятие состояния переутомления, зависят от степени
переутомления. Для начинающегося переутомления (I степень) эти
мероприятия включают упорядочение отдыха, сна, занятия физкультурой,
культурные развлечения. В случае легкого переутомления (II степень) полезен
очередной отпуск и отдых. При выраженном переутомлении (III степень)
необходимо ускорение очередного отпуска и организованного отдыха. Для
тяжелого переутомления (IV степень) требуется уже лечение.
Вопросы для самопроверки:
1)
Дайте определение понятию физиологии человека.
2)
Расскажите о системе крови и кровообращения.
3)
Для чего служат лимфатическая, дыхательная, пищеварительная
системы?
4)
Что вы знаете о нервной системе?
5)
Назовите функции мозга.
6)
Что такое эмоции?
7)
Расскажите о творчестве.
Что такое «мозговой штурм»?
Дайте определение понятию «здоровье индивида».
Расскажите о пользе физических упражнений.
Что такое работоспособность?
Назовите особенности психического утомления.
Лекция 21. Биоэтика, поведение, экология и здоровье
Вопросы для рассмотрения: Биоэтика. Мораль животных. Врожденные
запреты. Иерархия потребностей человека. Принципы мотивации.
Самоактуализация. Химические загрязнения среды и здоровье человека.
Биологические загрязнения и болезни человека. Ландшафт как фактор здоровья.
Рождается ли человек безморальным (с сознанием, как чистый белый лист
бумаги) и только воспитание прививает ему некие принципы, выработанные
когда-то рационалистами, или же мы появляемся на свет с каким-то набором
врожденных чувств и представлений о том, что хорошо и что плохо, а воспитание
их только развивает и направляет? Биоэтику (или сложные поведенческие
программы, присущие животному миру) следует рассматривать как естественное
обоснование человеческой морали. Ведь много признаков, присущих человеку,
генетически обусловлено. И только часть человеческих черт обусловлена
воспитанием, образованием и другими факторами внешней среды обитания.
С помощью биоэтики можно ответить на вопрос о происхождении таких
важнейших проявлений человеческого разума, как мораль и этика. В какой
степени верна эта гипотеза? Отвечая на этот вопрос, следует учитывать, что
этологи (или специалисты по поведению животных) открыли у животных (и не
только у высших) большой набор инстинктивных запретов, необходимых и
полезных в общении с сородичами. Что мораль не чужда животным, люди могли
знать многие тысячи лет, ведь рядом с ними была собака. Каждый, воспитывая
собаку, может убедиться, как легко можно привить ей некоторые наши этические
правила, которые ей исходно совершенно чужды – понятливость и послушность.
Но если бы собаке были присущи только эти качества, мы называли бы ее своим
четвероногим рабом. А мы зовем ее другом. Ведь помимо придуманной нами для
нее этики, мы чувствуем в хорошей собаке ее собственную мораль, во многом
совпадающую с нашей. Скажем, вы спокойно оставляете ребенка на попечение
вашей собаки, страшного хищника, способного растерзать даже взрослого и
сильного человека. А почему? Потому, что вы доверяете ей. Доверяете
устойчивым принципам ее поведения. Ведь собака, как и человек с моральными
устоями, не может обидеть самку или детеныша, готова рисковать жизнью за
товарища, уважает смелость и прямоту и презирает трусость и обман. Она очень
тонко чувствует, когда ее хозяин чем-то расстроен, и способна на проявление
чуткости и сопереживания.
Так что же такое мораль животных (или основные принципы биоэтики)?
По мнению выдающегося австрийского этолога К. Лоренца, это создание
естественным способом врожденного запрета выполнять обычные программы
8)
9)
10)
11)
12)
поведения в некоторых случаях, возникающих при общении с себе подобными.
Значит, полезный необходимый инстинкт остается неизменным (у хищника это
загонять добычу, убивать ее, рвать на части и прочее), но для особых случаев, где
его проявление было бы вредно, вводится специально созданный механизм
торможения. Любопытно, что культурно-историческое развитие человеческого
общества происходит аналогичным образом, ведь важнейшие требования всех
моральных заповедей и кодексов – это не предписания, а именно запреты. Как
врожденные механизмы и ритуалы, препятствующие асоциальному поведению
животных, так и человеческие табу определяют поведение, аналогичное истинно
моральному лишь с функциональной точки зрения, во всем остальном оно также
далеко от морали, как животное от человека.
Все эти врожденные запреты возникают под жестоким давлением отбора
ради выполнения задачи сохранения вида. К важнейшим из таких запретов
относятся:
1. "Не убей своего" – первый и основополагающий запрет у очень многих
видов. Чтобы выполнять его, необходимо безошибочно узнавать своих,
безошибочно отличать их от чужих. Интересно, что если, скажем, галки, гуси и
обезьяны узнают друг друга персонально, то члены крысиного клана, точно так
же как пчелы и другие общественные насекомые, отличают своих сородичей от
чужих по общему запаху. У человека тоже есть манера делить всех окружающих
на своих и чужих. Причем понятие "они" появляется намного раньше, чем "мы".
Только ощущение, что есть "они", рождает у первобытного человека желание
самоопределиться по отношению к "ним", обособиться от "них" в качестве "мы".
Так, у всех маленьких детей налицо очень четкое отличение всех "чужих",
причем весьма случайное, без различения чужих опасных и неопасных и т.п.
Включается сразу очень сильный психический механизм на "чужого", при
попытке контакта возникает комплекс специфических реакций (плач, рев –
призыв к "своим").
2. Второй запрет непосредственно вытекает из первого – чтобы не убить
своего и не быть убитым им, нельзя нападать неожиданно и сзади, без
предупреждения и без проверки, нельзя ли разрешить возникший конфликт без
схватки. Например, собакам, чтобы познакомиться, важно обнюхать руг друга, а
безопасно это можно сделать только четко фиксированным образом.
Человеческий ритуал выполняет те же функции, что и ритуализированные
инстинктивные действия животных. Следует особо отметить, что ритуал – это
специальная форма взаимодействия, изобретенная людьми для удовлетворения
потребности в признании среди "своих". Потребность в признании – это первая
потребность, с которой начинается взаимодействие людей. Без ее насыщения
невозможно удовлетворить другие потребности. Ведь если потребность в
признании не реализуется, то начинает развиваться агрессивное поведение по
отношению к "нераспознающему" человеку, который становится "чужим".
Ритуал (в частности ритуал знакомства или принятия в число своих) призван
снять эту "агрессию" и удовлетворить эту необходимость в признании хотя бы на
минимальном уровне.
3. У хорошо вооруженных природой животных есть запреты применять
смертоносное оружие или убийственный прием в драке со своими. Волк может
убить оленя и даже лося одним ударом клыков, разорвав горло или пах. Но в
драке с другим волком он этого приема применить не может. Таким образом,
возникает удивительный парадокс: наиболее кровожадные звери (и прежде всего
волк) обладают самым надежным механизмом торможения, запрещающим
убийство или ранение сородичей. Этот механизм торможения, препятствующий
асоциальному поведению животных, является врожденным, поэтому животное, у
которого поломали данный механизм, лишь в известном смысле можно назвать
"аморальным" по отношению к своим сородичам. Любопытно, что когда человек
пытался одолеть своего самого совершенного биологического противника –
крысу, то самые успешные попытки были связаны с возможностью сломать этот
механизм торможения агрессии против своих сородичей. Дело в том, что крысы в
определенном смысле самые "общественные" животные, сплоченные в
сообщество "коллективистской психологией", и в своем поведении с членами
собственного сообщества являются истинным образцом всех социальных
добродетелей. Крысы непобедимы, потому что внутри большой стаи никогда не
бывает серьезной борьбы, причем наиболее защищенными себя чувствуют
детеныши и слабые животные. Кроме того, крысы пользуются теми же методами,
что и человек,– традиционной передачей опыта и его распространением внутри
тесно сплоченного сообщества.
4. Следующий запрет, опять-таки более абсолютный у сильно
вооруженных животных (в основном хищников), не позволяет бить того, кто
принял позу покорности. Как более слабому и проигравшему в схватке
животному остановить распаленного в драке победителя? Это – предложить ему
нарушить предыдущий запрет на применение смертельного приема.
Проигравшие волк, лев или олень вдруг прыжком отскакивают от противника и
встают боком к нему, подставляя для смертельного приема самые уязвимые
места. Но удар противник нанести не может. Например, волк подставляет
победителю чрезвычайно ранимую боковую сторону шеи, выгнутую навстречу
укусу. Галка подставляет под клюв той, кого нужно умиротворить, свой
незащищенный затылок, как раз то место, которое стараются достать птицы при
серьезном нападении с целью убийства. Любопытно, что когда побежденная
собака принимает позу покорности, то победитель сразу остановиться не может и
проделывает движения смертельной встряски " вхолостую", т.е. возле самой шеи
поверженного противника, но без укуса и с закрытой пастью.
Почему же у человека нет врожденных ограничений на приемы драки? К.
Лоренц пишет, что "можно лишь пожалеть о том, что человек как раз не имеет
"натуры хищника". Большая часть опасностей, которые ему угрожают,
происходит оттого, что по натуре он сравнительно безобидное всеядное
существо, у него нет естественного оружия, принадлежащего его телу, которым
он мог бы убить крупное животное. Именно поэтому у него нет и тех механизмов
безопасности, возникших в процессе эволюции, которые удерживают всех
"профессиональных" хищников от применения оружия против сородичей. Когда
же изобретение искусственного оружия открыло новые возможности убийства,
то прежнее равновесие между сравнительно слабыми запретами агрессии и
такими же слабыми возможностями убийства оказалось в корне нарушению. Но
хотя вроде никаких ограничений на приемы драки у человека нет, проигравший
драку мальчишка вдруг закладывает руки за спину и, подставляя лицо, кричит:
"На, бей, подлец". И хотя запрет в нас очень слаб, но действие его впечатляюще.
5. И, напоследок еще один очень важный принцип поведения, характерный
для многих животных: победа с тем, кто прав. Животное, защищающее свою
территорию, свою нору, свою самку, своих детенышей, почти всегда выигрывает
в конфликте. Даже у более сильного и агрессивного соперника. И не только
потому, что отчаянно обороняется и яростно нападает, но и потому, что
противник заранее психически ослаблен. Его агрессивность сдерживает запрет,
тот самый, который на юридическом языке называют неприкосновенностью
жилища, личной жизни и имущества.
Хотя аналогии между списанным выше '"социальным и нравственным"
поведением некоторых животных и человека известны давно и многим, но
выводы делаются различные и даже диаметрально противоположные. Логика
рассуждения сторонников этологической трактовки социальных явлений
сводится к следующему: поскольку общепризнанно, что человек произошел от
животного мира и наши животные предки прошли через длительную эволюцию,
прежде чем стали тем, что мы называем homo sapiens, постольку, считают они,
человек должен обладать и всеми теми свойствами, которые присущи животным,
включая и биологическую основу мотивации его агрессивного поведения.
Сравнительно недавно возникшая социобиология доходит даже до утверждения,
что в основе всех форм социального поведения человека лежат врожденные
структуры, присущие ему так же, как и всем другим представителям животного
мира. Так, наш образ жизни, который, как мы считаем, создали мы сами, на
самом деле в значительной мере определяется нашими генами. Социобиология
утверждает, что все живые существа постоянно конкурируют между собой,
стремясь обеспечить себе наилучшие шансы на успешную передачу своих генов,
т.е.
носителей
наследственных
признаков.
Человек
генетически
запрограммирован на совершение насильственных действий, доказывает Р.
Ардри, он бессилен против инстинктов собственной природы, которые
неотвратимо приводят его к социальным конфликтам и борьбе.
Другие исследователи считают, что человек далеко ушел от животного
мира. Значит, распространять закономерности последнего на человеческое
поведение, его мотивы и механизмы, с научной точки зрения, абсолютно
бесперспективно. Человек как полностью отделившееся от животного мира
общественное существо, обладает характерными, специфическими только для
него чертами и признаками. Очевидно, что диалектический подход к изучению
поведения человека, исходя из двойственной его природы, должен включать как
преемственное, и как проявление нарушения преемственности.
Например, Лоренц установил, что в высшей степени сложные нормы
поведения – влюбленность, дружба, иерархические устремления, ревность,
скорбь – у серых гусей и у человека не только похожи, но и просто-таки
совершенно одинаковы до забавных мелочей. Отсюда следует, что раз подобия
социального поведения у серых гусей и у человека не могут быть унаследованы
от общих предков, то они не "гомологичны", а возникают исключительно за счет
так называемого конвергентного приспособления. Древняя китайская мудрость
гласит, что не все люди есть в зверях, но все звери есть в людях. Необходимо
понять, что социальное поведение людей диктуется отнюдь не только разумом и
культурной традицией, но по-прежнему подчиняется еще и тем
закономерностям, которые присущи любому филогенетически возникшему
поведению, а эти закономерности мы можем хорошо узнать, только изучая
поведение животных.
Главный вывод, который делает биоэтика, заключается в том, что в нашем
поведении помимо действий, порожденных разумом, есть действия,
мотивированные древними врожденными программами, доставшиеся нам от
животных предков. Но, конечно же, поведение человека не ограничивается
этими врожденными животными программами. Ведь человек живет и действует,
побуждаемый множеством потребностей. А. Маслоу, один из ведущих
психологов США в области исследования мотивации, разработал "иерархию"
потребностей человека. Она состоит из следующих ступеней:
1. физиологические потребности – это низшие, управляемые органами тела
потребности – дыхательная, пищевая, сексуальная, самозащита;
2. потребность в надежности – стремление к материальной надежности,
здо­ровью, обеспечению по старости и т.п.;
3. социальные потребности – их удовлетворение не объективно, одного
человека удовлетворяют очень немногие контакты с другими людьми, в другом
человеке эта потребность в общении выражается очень сильно;
4. потребность в уважении, осознании собственного достоинства – здесь
идет речь об уважении, престиже, социальном успехе. Вряд ли эти потребности
удовлетворяются отдельным лицом, для этого требуются группы;
5. потребность в развитии личности, в осуществлении самого себя, в
самореализации, самоактуализации, в осмыслении своего назначения в мире.
Маслоу выявил следующие принципы мотивации человека:
1) мотивы имеют иерархическую структуру;
2) чем выше уровень мотива, тем менее жизненно необходимыми являются
соответствующие потребности, тем дольше можно задержать их реализацию;
3) пока не удовлетворены низшие потребности, высшие остаются
неинтересными. С момента удовлетворения низшие потребности перестают быть
потребностями, т.е. теряют мотивирующую силу;
4) с повышением потребностей повышается готовность к большей
активности. Возможность к удовлетворению высших потребностей является
большим стимулом активности, чем удовлетворение низших.
Маслоу отмечает: нехватка благ, блокада базовых и физиологических
потребностей в еде, отдыхе, безопасности приводит к тому, что эти потребности
могут стать для обычного человека ведущими ("Человек может жить хлебом
единым, когда не хватает хлеба"). Но если первичные потребности
удовлетворены, то у человека могут проявляться высшие потребности,
метамотивации (потребности к развитию, к пониманию своей жизни, к поиску
смысла своей жизни). Для многих людей присущи так называемые "неврозы
существования", когда человек не понимает, зачем живет, и страдает от этого.
Если человек стремится понять смысл своей жизни, максимально полно
реализовать себя, свои способности, он постепенно переходит на высшую
ступень личностного саморазвития.
"Самоактуализирующейся личности" присущи такие особенности:
1) полное принятие реальности и комфортное отношение к ней (не
прятаться от жизни, а знать, понимать ее);
2) принятие других и себя ("Я делаю свое, а ты делаешь свое. Я в этом мире
не для того, чтобы соответствовать твоим ожиданиям. И ты в этом мире не для
того, чтобы соответствовать моим ожиданиям. Я есть я, ты есть ты. Я уважаю и
принимаю тебя таким, какой ты есть");
3) профессиональная увлеченность любимым делом, ориентация на задачу;
4) автономность, независимость от социальной среды, самостоятельность;
5)
способность
к
пониманию
других
людей,
внимание,
доброжелательность;
6) постоянная новизна, свежесть оценок, открытость опыту;
7) различение цели и средств, зла и добра ("Не всякое средство хорошо для
достижения цели");
8) спонтанность, естественность поведения;
9) юмор;
10)
саморазвитие,
проявление
способностей,
потенциальных
возможностей, самоактуализирующее творчество в работе, любви, жизни;
11) готовность к решению новых проблем, к осознанию проблем и
трудностей, своего опыта, к подлинному пониманию своих возможностей.
Если человек достиг уровня самоактуализации, то у него высшие
потребности начинают доминировать над низшими. Это только в начале
жизненного пути: если у человека нет хлеба, то он будет жить только для того,
чтобы этот хлеб раздобыть. Когда же человек осознал свое предназначение в
мире, то он может ограничиться минимумом воды и хлеба. Только человек,
знающий, для чего он живет, может быть настойчивым и последовательным,
терпеливым и постоянным, уверенным в себе.
Если биоэтику трактовать не узкомедицински и биологически, а как
широкую и философски-глубокую дисциплину, то ее центральное ядро –
отношение к жизни и смерти. Жизнь понимается как самоценность, как высшая
ценность. Поэтому возникают проблемы, которые выходят за рамки отношений
врача и пациента, а именно отношение к жизни, животным, к биогеоценозам, к
биосфере и т.д. Биоэтика возникла и стала интенсивно развиваться в начале
1970-х годов в США и Западной Европе. Большую роль в становлении биоэтики
сыграла медицина, а также развитие генетики, осознание не только биологами,
но и обществом возможных негативных последствий генной инженерии. Новый
уровень технико-практических возможностей медицины и экспериментальной
науки поставил перед учеными новые этические проблемы. Биоэтика возникла
как ответ на технологические вызовы в медицине. Новые технологии
трансплантации органов, зарождения и поддержания жизни вступили в
противоречие с традиционными культурными ценностями. Например, для
христианства сердце – это не только важнейший биологический, но и духовный
орган человека. Можно сказать что биоэтика – это форма защиты прав человека,
в том числе его права на жизнь, на здоровье, на ответственное и свободное
самоопределение своей жизни.
Если мы будем рассматривать биоэтику не просто как анализ норм
взаимоотношений врача и пациента, а в более широком контексте и в силовом
поле тех ментальных и ценностных форм, которые определяют отношение к
жизни и смерти, к детству и старости, то в этом случае биоэтика окажется
аксиологически нагруженной. Она не только включит в себя этические нормы
отношения к животным, но и экологическую этику, этику отношений человека с
биогеоценозами и со всей биосферой. Не только человек, но и вся природа
окажутся субъектами этических размышлений и моральной регуляции. Мы
находимся в самом начале пути по развитию биоэтики. Выдвигаются и
отстаиваются следующие постулаты:
1. Единство науки и гуманистических ценностей.
2. Необходимость ставить гуманистические цели выше исследовательских.
3. Регулирование, исходя из гуманистических ценностей, научных
исследований, включая и запреты на некоторые виды экспериментов, связанных
с участием человека.
4. Разработка правил биомедицинских работ с учетом прав личности,
включая юридические нормы.
Биоэтика должна основываться на гуманизме, и лишь в таком виде она
может быть приемлема.
Химические загрязнения среды и здоровье человека.
В настоящее время хозяйственная деятельность человека все чаще
становится основным источником загрязнения биосферы. В природную среду во
все больших количествах попадают газообразные, жидкие и твердые отходы
производств. Различные химические вещества, находящиеся в отходах, попадая в
почву, воздух или воду, переходят по экологическим звеньям из одной цепи в
другую, попадая в конце концов в организм человека.
Вещества, загрязняющие природную среду, очень разнообразны. В
зависимости от своей природы, концентрации, времени действия на организм
человека они могут вызвать различные неблагоприятные последствия.
Кратковременное воздействие небольших концентраций таких веществ может
вызвать головокружение, тошноту, першение в горле, кашель. Попадание в
организм человека больших концентраций токсических веществ может привести
к потере сознания, острому отравлению и даже смерти. Примером подобного
действия могут являться смоги, образующиеся в крупных городах в
безветренную погоду, или аварийные выбросы токсичных веществ
промышленными предприятиями в атмосферу.
Так, в районах, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате
Чернобыльской катастрофы, заболеваемость среди населения увеличилась во
много раз.
Медики установили прямую связь между ростом числа людей, болеющих
аллергией, бронхиальной астмой, раком, и ухудшением экологической
обстановки в данном регионе. Достоверно установлено, что такие отходы
производства, как хром, никель, бериллий, асбест, многие ядохимикаты
вызывают раковые заболевания.
Огромный вред здоровью человека наносит курение. Курильщик не только
сам вдыхает вредные вещества, но и загрязняет атмосферу, подвергает опасности
других людей. Установлено, что люди, находящиеся в одном помещении с
курильщиком, вдыхают даже больше вредных веществ, чем он сам.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И БОЛЕЗНИ ЧЕЛОВЕКА
Кроме химических загрязнителей, в природной среде встречаются и
биологические, вызывающие у человека различные заболевания. Это
болезнетворные микроорганизмы, вирусы, простейшие. Они могут находиться в
атмосфере, воде, почве, в теле других живых организмов, в том числе и в самом
человеке.
Болезнетворные микроорганизмы могут проникнуть в грунтовые воды и
стать причиной инфекционных болезней человека. Поэтому воду из скважин,
колодцев, родников необходимо перед питьем кипятить.
Особенно загрязненными бывают открытые источники воды: реки, озера,
пруды. Известны многочисленные случаи, когда загрязненные источники воды
стали причиной эпидемий холеры, брюшного тифа, дизентерии.
ЛАНДШАФТ КАК ФАКТОР ЗДОРОВЬЯ
Человек всегда стремится в лес, в горы, на берег моря, реки или озера.
Здесь он чувствует прилив сил, бодрости. Окружающий ландшафт может
оказывать различное воздействие на психоэмоциональное состояние.
Созерцание красот природы стимулирует жизненный тонус и успокаивает
нервную систему. Растительные биоценозы, особенно леса, оказывают сильный
оздоровительный эффект.
Тяга к природным ландшафтам особенно сильна у жителей города. Еще в
средние века было замечено, что продолжительность жизни горожан меньше,
чем у сельских жителей. С развитием промышленного производства в городе и
его окрестностях появилось огромное количество отходов, загрязняющих
окружающую среду.
Насыщение среды и производства скоростными и быстродействующими
машинами повышает напряжение, требует дополнительных усилий от человека,
что приводит к переутомлению. Хорошо известно, что переутомленный человек
больше страдает от последствий загрязнения воздуха, инфекций.
Загрязненный воздух в городе, отравляя кровь окисью углерода, наносит
некурящему человеку такой же вред, как и выкуривание курильщиком пачки
сигарет в день. Серьезным отрицательным фактором в современных городах
является так называемое шумовое загрязнение.
Учитывая способность зеленых насаждений благоприятно влиять на
состояние окружающей среды, их необходимо максимально приближать к месту
жизни, работы, учебы и отдыха людей.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что вы знаете о биоэтике?
2)
Расскажите о врожденных запретах.
3)
Назовите потребности человека.
4)
Расскажите о принципах мотивации.
5)
Что вы знаете о самоактуализации?
6)
Расскажите о влиянии загрязнений окружающей среды на здоровье
человека.
Лекция 22. Человек, биосфера и космические циклы
Вопросы для рассмотрения: Понятие биосферы. Концепция
Вернадского. Строение биосферы. Космические циклы.
В системе современного научного мировоззрения понятие биосферы
занимает ключевое место во многих науках. Разработка учения о биосфере
неразрывно связана с именем В. И. Вернадского, хотя и имеет довольно длинную
предысторию, начавшуюся с книги Ж.-Б. Ламарка "Гидрогеология" (1802), в
которой содержится одно из первых обоснований идеи о влиянии живых
организмов на геологические процессы. Затем был грандиозный многотомный
труд А. Гумбольдта "Космос" (первая книга вышла в 1845 году), в котором было
собрано множество фактов, подтверждающих тезис о взаимодействии живых
организмов с теми земными оболочками, в которые они проникают. Сам термин
"биосфера" был впервые введен в науку немецким геологом и палеонтологом
Эдуардом
Зюссом,
подразумевавшим
под
ней
самостоятельную,
пересекающуюся с другими сферу, в которой на Земле существует жизнь. Он дал
определение биосферы как совокупности организмов, ограниченной в
пространстве и времени и обитающей на поверхности Земли. Но о геологической
роли биосферы, о ее зависимости от планетарных факторов Земли не было
сказано ничего. Впервые идею о геологических функциях живого вещества,
представление о совокупности всего органического мира в виде единого
нераздельного целого высказал Вернадский. Его концепция складывалась
постепенно, от первой студенческой работы "Об изменении почвы степей
грызунами" (1884) к "Живому веществу" (рукопись рубежа 1920-х годов),
"Биосфере" (1926), "Биогеохимическим очеркам" (1940), "Химическому
строению биосферы Земли" и "Философским мыслям натуралиста", над
которыми он работал в последние десятилетия своей жизни.
Введя понятие живого вещества как совокупности всех живых организмов
планеты, в том числе и человека, Вернадский тем самым вышел на качественно
новый уровень анализа жизни и живого – биосферный. Это дало возможность
понимать жизнь как могучую геологическую силу нашей планеты, действенно
формирующую сам облик Земли. В функциональном плане живое вещество
становилось тем звеном, которое соединяло историю химических элементов с
эволюцией биосферы. Введение этого понятия также позволяло поставить и
решить вопрос о механизмах геологической активности живого вещества,
источниках энергии для этого. Геологическая роль живого вещества основана на
его
геохимических
функциях:
энергетической,
концентрационной,
деструктивной, средообразующей, транспортной. Они основаны на том, что
живые организмы своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом,
непрерывной сменой поколений порождают грандиознейшее планетное явление
– миграцию химических элементов в биосфере. Это предопределило решающую
роль живого вещества и биосферы в становлении современного облика Земли –
ее атмосферы, гидросферы, литосферы.
Такие грандиозные преобразования геосферы требуют гигантских затрат
энергии. Источником ее является биогеохимическая энергия живого вещества
биосферы, открытая Вернадским. Биосфера – это живое вещество планеты и
преобразованное им косное вещество (образованное без участия жизни). Таким
образом, это не биологическое, геологическое или географическое понятие, а
один из основных структурных компонентов организованности нашей планеты и
околоземного космического пространства, сфера, в которой осуществляются
биоэнергетические процессы и обмен веществ вследствие деятельности жизни.
Пленка биосферы, окутывающая Землю, очень тонкая. Сегодня принято
считать, что в атмосфере микробная жизнь имеет место примерно до высоты
20-22 км над земной поверхностью, а наличие жизни в глубоких океанических
впадинах опускает эту границу до 8-11 км ниже уровня моря. Углубление жизни
в земную кору много меньше, и микроорганизмы обнаружены при глубинном
бурении и в пластовых водах не глубже 2-3 км. Но эта тончайшая пленка
покрывает абсолютно всю Землю, не оставляя ни одного места на нашей планете
(включая пустыни и ледяные пространства Арктики и Антарктики), где бы не
было жизни. Разумеется, количество живого вещества в разных областях
биосферы различно. Самое большое его количество расположено в верхних
слоях литосферы (почва), гидросферы и нижних слоях атмосферы. По мере
углубления в земную кору, океан, выше в атмосферу количество живого
вещества уменьшается, но нет резкой границы между биосферой и
окружающими ее земными оболочками. И прежде всего нет такой границы в
атмосфере, которая делала бы биосферу закрытой для всех космических
излучений, а также энергии Солнца. Таким образом, биосфера открыта космосу,
купается в потоках космической энергии. Перерабатывая эту энергию, живое
вещество преобразует нашу планету. Само образование биосферы, в том числе и
происхождение жизни на Земле, является результатом действия этих
космических сил, важнейшего фактора функционирования биосферы.
На протяжении многих сотен человеческих поколений взаимодействие
человека с окружающей средой заметных изменений в биосфере не вызывало, но
все это время шло накопление знаний и сил. Постепенно, используя свое
интеллектуальное превосходство над остальными представителями животного
мира, человек охватил своей деятельностью всю верхнюю оболочку планеты –
всю биосферу. Эта деятельность привела к приручению животных, к выведению
культурных растений. Человек стал менять окружающий его мир и создавать для
себя новую, не существовавшую никогда на планете живую природу. Под
влиянием человеческого труда с момента появления человечества начался и в
нарастающем темпе продолжает происходить процесс видоизменения биосферы
и ее переход в новое качественное состояние. Естествознанию известны более
ранние переходы биосферы в качественно новые состояния, сопровождавшиеся
почти полной ее перестройкой. Данный переход представляет собой нечто
особенное, ни с чем не сравнимое явление.
Космические излучения и прежде всего энергия Солнца оказывают
постоянное действие на все явления на Земле. Связь между циклами солнечной
активности и процессами в биосфере была замечена еще в XVIII веке. Тогда
английский астроном В. Гершель обратил внимание на связь между урожаями
пшеницы и числом солнечных пятен. В конце XIX века профессор Одесского
университета Ф. Н. Шведов, изучая срез ствола столетней акации, обнаружил,
что толщина годичных колец изменяется каждые 11 лет, как бы повторяя
цикличность солнечной активности. Обобщив опыт предшественников, А. Л.
Чижевский подвел под эти эмпирические данные твердую научную базу. Он
считал, что Солнце диктует ритм большинства биологических процессов на
Земле. Когда на нем образуется много пятен, появляются хромосферные
вспышки и усиливается яркость короны, на нашей планете разражаются
эпидемии, усиливается рост деревьев, особенно сильно размножаются вредители
сельского хозяйства и микроорганизмы – возбудители различных болезней.
Чижевский отмечал, что самые разнообразные и разнохарактерные явления на
Земле – и химические превращения земной коры, и динамика самой планеты и
составляющих ее частей, атмо-, гидро- и литосферы, – протекают под
непосредственным воздействием Солнца. Солнце является основным (наряду с
космическим излучением и энергией радиоактивного распада в недрах Земли)
источником энергии, причиной всего на Земле – от легкого ветерка и
произрастания растений до ураганов и умственной деятельности человека.
Особый интерес представляет утверждение Чижевского, что Солнце
существенно влияет не только на биологические, но и на социальные процессы
на Земле. Социальные конфликты (войны, бунты, революции), по убеждению
Чижевского, во многом предопределяются поведением и активностью нашего
светила. По его подсчетам, во время минимальной солнечной активности
происходит минимум массовых активных социальных проявлений в обществе
(примерно 5%). Во время же пика активности Солнца их число достигает 60%.
Эти выводы Чижевского лишь подтверждают неразрывное единство человека и
космоса.
Биосфера реагирует на космические факторы весьма избирательным
образом. Очевидно, что они составляют необходимую основу ее существования
(без солнечной энергии биосфера не могла бы существовать). Но, с другой
стороны, если действие космических факторов приобретает запороговое
значение, оно очень часто оказывается для живого губительным и крайне редко
благоприятно ему. В этом смысле весьма показательно воздействие магнитных
бурь как на человека, так и на другие живые организмы. Под влиянием
космических факторов ритмика биосферы может быть резко нарушена, что
приводит к нежелательным последствиям, в том числе к эпидемиям, пандемиям,
и даже полному вымиранию некоторых видов животных и растений.
Решающую роль в функционировании биосферы играют циклы в 24 и 28
часов, 1 год и 11,1 года: 24 часа – время оборота Земли вокруг своей оси; 28 часов
– время оборота Солнца вокруг своей оси (период вращения Луны вокруг Земли
27 часов); 1 год – время оборота Земли вокруг Солнца; 11,1 года – средний
период солнечной активности. Кроме 11-летнего цикла солнечной активности
имеются 22-, 90-, 169-, 600-, 900-летние циклы, а также циклы в 2,65 и 5,5 года
(четверть и половина 11-летнего цикла). Вымирание родов морских животных
характеризовалось циклом в 26 млн. лет. Видимо, речь опять же идет о цикле
солнечной активности.
Множество ритмов жизнедеятельности человека и других животных
группируется вокруг 24 и 28 часов. Это так называемые циркадианные ритмы.
Для организма человека характерно более сотни циркадианных ритмов.
Интересно, что основные ритмы физиологической, эмоциональной и
интеллектуальной жизнедеятельности человека различны и составляют
соответственно 23, 28 и 33 дня.
Биосфера живет по часам Земли, Луны и Солнца. Но она функционирует
также и по своим внутренним биологическим часам, которые выражают
специфику не абиотических факторов, а самого живого вещества. Биологическое
возникает на базе абиотического. Это означает, что возможно как согласование
биологических и абиотических ритмов, так и их рассогласование. Последнее
явно нежелательно. Бесспорно, что биосфера и космос едины, что биосфера
живет под аккомпанемент абиотического космоса. Но отсюда никак не следует,
что специфика биологического должна быть редуцирована к абиотическим
космическим факторам. В оценке специфики биосферы космоцентризм
неуместен. Законы космоса не могут выразить всю полноту специфики
биосферы.
Обсуждение единства биосферы и космоса позволяет оценить вехи
изменения представлений человека о своем месте в космическом мироздании. В
докоперниковскую эпоху господствовал геоцентризм. Центром космоса
признавалась Земля, место обитания человека. Пришедший на смену
геоцентризму гелиоцентризм видит в центре мироздания не Землю, а Солнце. С
этим фактом приходится считаться при осмыслении природы человечества.
Новые успехи наук вынуждают отказаться и от гелиоцентризма, ведь Солнце –
рядовая звезда. От гелиоцентризма начинают переходить к космоцентризму.
Наука оказывается перед сложнейшей проблемой: как осмыслить космическую
судьбу человека.
Резюме
· Биосфера и космос – мегауровни универсума, взаимосвязанные друг с
другом.
· Единство биогеосферы и космоса ярко проявляется в единстве их
ритмики.
· Для биосферы характерны многочисленные ритмы, то же самое
относится и к организму человека.
· Если действие космических факторов на биосферу приобретает
запороговое значение, то оно часто оказывается для живого губительным.
· Возможно как согласование, так и рассогласование (что крайне
нежелательно) биологических и абиологических ритмов.
· Специфика живого несводима к природе абиотических космических
факторов.
· Биосфера – не только геологическая, но и космическая сила.
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое биосфера?
2)
Что вы знаете о концепции Вернадского?
3)
Расскажите о строении биосферы.
4)
Что вы знаете о космических циклах?
Лекция 23. Ноосфера; необратимость времени
Вопросы для рассмотрения: Переход от биосферы к ноосфере.
Исследования ученых в области ноосферы. Понятие времени в классической
термодинамике. Постулаты Р. Клаузиуса.
Реализация в экономическом исследовании углубления различения
причинно-следственной
взаимосвязи
элементов,
характеризующих
экономические отношения и процессы, возможна лишь при условии
рассмотрения сферы господства разума как неотъемлемой части
рационализации экономики. В связи с этим в изучение концепций современного
естествознания
включено
рассмотрение
ноосферы
как
понятия,
раскрывающего сущность коллективного сознания.
Переход от биосферы к ноосфере
Превращение разума и труда человечества в геологическую силу
планетного масштаба происходило в рамках биосферы, составной частью
которой оно является. В.И. Вернадский в своих исследованиях неизменно
подчеркивал, какое огромное воздействие человечество оказывает на
расширение жизни путем создания новых культурных видов растений и
животных. Опираясь на его идеи о биогеохимической основе биосферы,
французский математик и философ Эдуар Леруа (1870—1954) ввел в 1927 г.
понятие ноосферы, или сферы разума, для характеристики современной
геологической стадии развития биосферы. Его позицию разделял также
крупнейший французский геолог и палеонтолог Пьер Тейяр де Шарден
(1881—1955), впоследствии в своем труде «Феномен человека» определивший
ноосферу как одну из стадий эволюции мира. Признавая, что эта стадия, как и
сам человек, является результатом тысячелетней истории развития
органического мира, он считал движущей силой эволюции целеустремленное
сознание («ортогенез»).
В отличие от него В.И. Вернадский рассматривает возникновение сознания
как закономерный результат эволюции биосферы, но, однажды возникнув, оно
затем начинает оказывать все возрастающее влияние на биосферу благодаря
трудовой деятельности человека.
Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней
впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и
должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни,
перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше.1
Первоначальные представления о направленности эволюционного
процесса в сторону возникновения мыслящих существ и признании
геологической роли человечества высказывались многими учеными и до В.И.
Вернадского. Так, уже в XVIII в. известный французский естествоиспытатель
Ж.Бюффон высказал идею о царстве человека, которая в XIX в. была развита
основателем современной геологии Жаном Луи Агассисом (1807—1873). Хотя
эти идеи и опирались на признание все возрастающей роли человечества в
изменении лика Земли, но они не были связаны с принципом направленности
эволюции живого вещества биосферы.
Этот принцип в качестве эмпирического обобщения выдвинул
американский ученый Джеймс Дана (1813—1895), который еще до появления
труда Ч.Дарвина впервые четко заявил, что эволюция живого вещества идет в
определенном направлении. Основываясь на своих исследованиях ракообразных
и моллюсков, Д.Дана пришел к выводу, что на протяжении по крайней мере двух
миллиардов лет происходили усовершенствование и рост центральной нервной
системы животных, начиная от ракообразных и кончая человеком. Этот процесс
он назвал цефализацией, при которой достигнутый уровень организации нервной
системы никогда не снижается. Хотя при этом возможны и остановки, и скачки,
но направление эволюции не идет вспять. Его последователь Ле Конт,
основываясь на принципе направленности эволюции, назвал эру, связанную с
появлением на Земле человека, психозойской. Ближе к нашему времени
известный русский геолог Алексей Петрович Павлов (1854—1929), оценивая
чрезвычайно возросшую роль человечества как мощного геологического
фактора, в последние годы жизни настойчиво говорил об антропогенной эре в
эволюции биосферы. Подобных высказываний можно было бы привести много,
но за немногими исключениями они ограничиваются лишь констатацией
разрозненных фактов, не рассматривают их в системе и не дают им
теоретического объяснения.
Концепция Вернадского впервые привела все известные эмпирические
факты, данные и результаты в единую целостную систему знания, которая
убедительно объясняет, какие факторы способствовали переходу от биосферы к
ноосфере. Она основывается на признании решающей роли человеческой
деятельности, труда и мысли в эволюции биосферы, а через последнюю и в
изменении происходящих на Земле геологических процессов и лика Земли в
целом. Важно подчеркнуть, что В.И. Вернадский не ограничивается
исследованием влияния трудовой, производственной деятельности на процессы,
происходящие в биосфере и на земной поверхности. Хорошо сознавая, что труд
представляет собой целесообразную деятельность, основанную на мысли и воле,
он указывает, что ноосфера, или сфера разума, будет все больше и больше
определять не только прогресс общества, но и эволюцию биосферы в целом, а
через нее и процессы, совершающиеся на Земле. Недаром он рассматривает
мысль как планетарное явление.
Эволюционный процесс получает особое геологическое значение
благодаря тому, что он создал новую геологическую силу — научную мысль
социального человечества. Под влиянием научной мысли и человеческого труда
биосфера переходит в новое состояние — в ноосферу.
Каким же образом человеческая деятельность влияет на процессы в
биосфере, как она способствует ее эволюции? Почему именно эта деятельность
придает эволюции биосферы направленный характер?
Прежде всего отметим, что биологическая эволюция присуща лишь
живому веществу биосферы, т.е. различным видам растений и животных и,
разумеется, человеку в той мере, в какой он развивался до возникновения
цивилизации и превращения в Homo sapiens (человека разумного). В дальнейшем
биологическая эволюция человека переходит в эволюцию социальную.
Эволюция живого вещества биосферы приводит к возникновению новых
видов растений и животных, которые, как и остальные виды, неразрывно и
непрерывно связаны с окружающей их средой прежде всего питанием и
дыханием как наиболее характерными процессами обмена веществ. Такой обмен
приводит к миграции, движению атомов от живого вещества к неживому, в
особенности к биогенному, в котором живые элементы объединены с неживыми.
Нельзя также забывать, что во время эволюции молекулы и атомы живого
вещества не остаются неизменными. А все это во многом меняет характер
взаимодействия живого вещества биосферы не только с ее неживой частью, но и
с остальными сферами оболочки Земли.
В период перехода от биосферы к ноосфере на сцену выступает такой
мощный геохимический фактор, как постоянно увеличивающееся количество
зеленого живого вещества в биосфере, получаемого посредством расширения
посевных площадей и интенсификации земледелия. В результате искусственного
отбора новых сортов растений и пород животных значительно ускоряются
процессы эволюции, быстрее возникают новые виды. А это, в свою очередь, в
еще большей мере способствует ускорению процессов обмена между живым и
косным веществом в биосфере.
По-видимому, постепенный переход к ноосфере начался еще сотни тысяч
лет назад, когда человек овладел огнем и стал изготовлять первые, весьма
несовершенные еще орудия производства и охоты. Благодаря этому он получил
огромное преимущество перед животными, но с геологической точки зрения
гораздо более важным был длительный процесс приручения диких стадных
животных и создания новых сортов культурных растений. Как известно, именно
этот процесс положил начало скотоводству и земледелию, которые исторически
привели к первому наиболее значительному разделению общественного труда и
систематическому обмену его продуктами между разными племенами. В.И.
Вернадский указывает:
«Человек этим путем стал менять окружающий его мир и создавать для
себя новую, не бывшую никогда на планете живую природу. Огромное значение
этого проявилось еще и в другом — в том, что он избавился от голода новым
путем, лишь в слабой степени известным животным, — сознательным,
творческим обеспечением от голода и, следовательно, нашел возможность
неограниченного проявления своего размножения».1
Что же касается борьбы с животными, то человек одержал в ней победу, по
существу, с изобретением огнестрельного оружия, и поэтому теперь он должен
предпринимать особые меры, чтобы не допустить истребления всех диких
животных. Еще большие усилия необходимы для сохранения самой биосферы в
связи с многократно возросшими техногенными нагрузками на нее. В связи с
этим возникает общая для всего человечества глобальная проблема сохранения
окружающей среды, и прежде всего живой природы.2
Различение законов логики, проявляющихся в различных сферах
жизнедеятельности человека, приводит к пониманию того, что алгоритм
развития накладывает некоторые ограничения на роль времени в динамике
различных процессов. Иными словами, планирование экономической
деятельности должно быть ориентировано на тот факт, что влияние временного
фактора на развитие экономических процессов является необратимым.
НЕОБРАТИМОСТЬ ВРЕМЕНИ
Понятие времени в классической термодинамике
До возникновения термодинамики понятие времени, по существу,
отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в
реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и
имеющие свою историю. Хотя в качестве переменной время входит во все
уравнения классической и квантовой механики, тем не менее оно не отражает
внутренних изменений, которые происходят в системе. Именно поэтому в
уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е. относить его как к
будущему, так и к прошлому.
Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную
занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы
в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы
движения тел под воздействием внешних сил, сознательно отвлекаясь от
внутренних изменений, происходящих в механических системах, то
термодинамика вынуждена была исследовать физические процессы при
различных преобразованиях тепловой энергии. Однако она не анализирует
внутреннего строения термодинамических систем, как это делает статическая
физика, рассматривающая теплоту как беспорядочное движение огромного
числа молекул.
Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов,
описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым
очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой
необратимый процесс. Хорошо известно, например, что теплоту, возникшую в
результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова
превратить в энергию и потом использовать для производства работы. Не менее
известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот.
С другой стороны, путем точных экспериментов было доказано, что
тепловая энергия превращается в механическую энергию в строго определенных
количествах. Существование такого механического эквивалента для теплоты
свидетельствовало о ее сохранении. Все эти многочисленные факты и нашли
свое обобщение и теоретическое объяснение в законах - классической
термодинамики.
Если к системе подводится теплота Q и над ней производится работа А, то
энергия системы возрастает до величины U: U = Q + А.
Эту энергию называют внутренней энергией системы, и она показывает,
что теплота, полученная системой, не исчезает, а затрачивается на увеличение
внутренней энергии и производство работы, т.е. Q = U—А.
Процесс, единственным результатом которого было бы изъятие теплоты из
резервуара, невозможен.
Приведенные формулировки отражают связи, которые существуют между
тепловой энергией и полученной за ее счет работой. В первом законе речь идет о
сохранении энергии, во втором — о невозможности производства работы
исключительно за счет изъятия теплоты из одного резервуара при постоянной
температуре. Например, нельзя произвести работу за счет охлаждения озера,
моря или иного резервуара при установившейся температуре. Таким образом,
второй закон, или начало термодинамики, можно сформулировать проще, как
впервые это сделал французский ученый Сади Карно (1796—1832).
Невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого
было бы превращение теплоты в работу при постоянной температуре.
Иногда этот закон выражают в еще более простой форме.
Теплота не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к
горячему.
В дальнейшем немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822—1888)
использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие
энтропии, которое впоследствии австрийский физик Людвиг Больцман
(1844—1906) интерпретировал в терминах изменения порядка в системе. Когда
энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в
системе. В таком случае второй закон термодинамики постулирует:
Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с
окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.
А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения
в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки
термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы
становится невозможным.
Поскольку об изменении систем в классической термодинамике мы можем
судить по увеличению их энтропии, то последняя и выступает в качестве
своеобразной стрелы времени. В механических системах ни о каком реальном
времени говорить не приходится. Задав в них начальное состояние (координаты
и импульсы), можно согласно уравнениям движения как характеристику
однозначно определить любое другое их состояние в будущем или прошлом.
Поэтому время в них выступает просто как параметр, знак которого можно
менять на обратный, и, таким образом, вернуться к первоначальному состоянию
системы. Ничего подобного не встречается в термодинамических процессах,
которые являются необратимыми по своей природе.
Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в весьма
своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в
системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток
прошла система в своей эволюции.
Очевидно, что такое понятие о времени, и особенно об эволюции системы,
коренным образом отличается от понятия эволюции, которое лежало в основе
теории Дарвина. В то время, как в дарвиновской теории происхождения новых
видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на
выживание более совершенных организмов и усложнение их организации, в
термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией систем. Это
противоречие оставалось неразрешенным вплоть до 60-х гг. нашего века, пока не
появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на
концепцию термодинамики необратимых процессов.
Классическая термодинамика оказалась неспособной решить и
космологические проблемы характера процессов, происходящих во Вселенной.
Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную
предпринял один из основателей этой теории — Р.Клаузиус, выдвинувший два
постулата:
- энергия Вселенной всегда постоянна;
- энтропия Вселенной всегда возрастает.
Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы
во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического
равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно,
состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и
дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и
никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя. Такие мрачные
прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых и философов,
но в середине прошлого века было еще мало научных аргументов для
опровержения мнения Р.Клаузиуса и обоснования альтернативного взгляда.
Некоторые авторы предполагали, что наряду с энтропийными процессами в
природе происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют
наступлению «тепловой смерти» во Вселенной. Другие высказывали сомнение в
правомерности распространения понятий термодинамики, в частности энтропии,
с отдельных систем на Вселенную в целом. Но только единицы догадывались,
что само понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко
идущей абстракцией, не отражающей реального характера систем, которые
встречаются в природе.1
Фиксация концепций естествознания, предусматривающих в своем
содержании воспроизведение алгоритмов экономического развития, позволяет
провести исследование углубления причинно-следственных взаимосвязей в
исследуемом экономическом явлении на основе выявления аналогичных
алгоритмов самоорганизации элементов в живой и неживой природе.
Вопросы для самопроверки:
1)
Расскажите о переходе биосферы в ноосферу.
2)
Дайте
определение
понятию
времени
в
классической
термодинамике.
3)
Назовите постулаты Клаузиуса.
Лекция 24. Принципы универсального эволюционизма
Вопросы для рассмотрения: Системный подход. Эволюционный подход.
Термодинамический подход.
Системный подход.
Принципы глобального (универсального) эволюционизма позволяют
единообразно описать огромное разнообразие процессов, протекающих в
неживой природе, живом веществе, обществе. Эта концепция базируется на
определенной совокупности знаний, полученных в рамках конкретных научных
дисциплин, и вместе с тем включает в свой состав ряд мировоззренческих
установок.
Универсальный (глобальный) эволюционизм часто характеризуется как
принцип, обеспечивающий экстраполяцию эволюционных идей, получивших
обоснование в биологии, а также в астрономии и геологии, на все сферы
действительности и рассмотрение неживой, живой и социальной материи как
единого универсального эволюционного процесса. Это действительно очень
важный аспект в понимании глобального эволюционизма. Но он не исчерпывает
содержания данного принципа.
Возникновение в 40-50-х годах нашего столетия общей теории систем и
становление системного подхода внесло принципиально новое содержание в
концепции эволюционизма. Системное рассмотрение объекта предполагает,
прежде всего, выявление целостности исследуемой системы, ее взаимосвязей с
окружающей средой, анализ в рамках целостной системы свойств составляющих
ее элементов и их взаимосвязей между собой .
Практически все объекты, которые современная наука включает в сферу
своего исследования, носят системный и эволюционный характер. Предметом
научного исследования становятся не отдельные, выделенные части целого,
которые раньше исследовались изолированно, а целостные комплексы, которые
в качестве неотъемлемого компонента включают человека.
Системное познание и преобразование мира предполагает:
1. Рассмотрение объекта деятельности (теоретической и практической) как
системы, т.е. как ограниченного множества взаимодействующих элементов.
2. Определение состава, структуры и организации элементов и частей
системы, обнаружения главных связей между ними.
3. Выявление внешних связей системы, выделения из них главных.
4. Определение функции системы и ее роли среди других систем.
5. Анализ диалектики структуры и функции системы.
6. Обнаружение на этой основе закономерностей и тенденций развития
системы.
Таким образом, для изучения объектов в рамках системного подхода
оказывается недостаточно поэлементного анализа, поскольку в процессе
исследования может быть обнаружен такой уровень объектов, где
экспериментирование над частью с неизбежностью затрагивает целое, что
приводит к радикальной трансформации целостной системы в направлении,
идущем не на сохранение данной системы, и ставит под вопрос возможность
существования человека.
Все это означает, что в процессе исследования объектов, необходимо
анализировать их не изолированно, а как часть более широкой целостной
системы, учитывая, что от манипулирования с этой частью зависит сохранение
целостной системы.
Совокупность связей между элементами образует структуру системы,
устойчивые связи определяют упорядоченность системы. Связи по горизонтали –
координирующие, обеспечивают корреляцию системы, ни одна часть системы не
может измениться без изменения других. Связи по вертикали – связи
субординации, одни элементы системы являются более значимыми, чем другие,
и подчиняются им.
Система обладает признаком целостности – это означает что все ее
составные части, соединяясь в единое целое, образуют нечто обладающее
качествами, не сводимыми к качествам отдельных элементов.
Согласно современным научным взглядам все природные объекты
представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически
организованные системы.
Эволюционный подход.
Возникновение концепции глобального эволюционизма во многом связано
с расширением границ эволюционного подхода, принятого в биологической и
социальных науках. Сам факт исторического появления и эволюции этих систем
(или, как их называют некоторые ученые, видов движения) заставляет
усомниться в абсолютной статичности и вечности других систем. Загадочность
качественных скачков к биологическому и от биологического к социальному
миру, наверняка можно постичь только исходя из допущения необходимости
подобных переходов между другими системами. То есть, исходя из факта
наличия эволюции мира на последних этапах его истории, можно сделать
предположение, что он в целом является эволюционной системой, то есть и все
другие системы (помимо биологической и социальной) сформировались в
результате эволюции. Это высказывание и есть самая общая формулировка
парадигмы глобального эволюционизма.
Эволюционный подход к существующим эволюционным системам не
подразумевает, что все они находятся в постоянном процессе эволюции, а
наоборот констатирует необходимость их последовательного формирования на
определенных этапах истории. Вообще эволюция, как процесс, относящийся ко
всей Вселенной в каждый момент времени реализуется локально только в одном
виде движения. То есть всегда существует только одна локальная система (то
есть не тождественная всему миру), которую можно назвать эволюционной, в
которой происходит появление принципиально новых, уникальных определений
мира.
Чтобы отличить эту систему от других, уже прошедших эволюцию, можно
ввести термин “авангард эволюции”. Естественно, что авангардом эволюции
всегда является последнее по времени появившееся в мире форма движения
(сейчас социальная система). Все предыдущие виды движений, пройдя
эволюционный этап и достигнув равновесного состояния (не статичного, а,
скорее всего состояния медленного изменения параметров, либо
повторяющегося процесса развития отдельных элементов) служат основой для
формирования и эволюции нового движения. Возможны появления и новых
характеристик у “предыдущих” движений, но они необходимо связаны с
эволюцией последнего по времени появления типа движения (системы) –
авангарда эволюции.
Принцип эволюции получил наиболее полную разработку в рамках
биологии и стал ее фундаментальным принципом со времен Ч.Дарвина. Однако
вплоть до наших дней он не был доминирующим в естествознании. Во многом
это было связано с тем, что длительное время лидирующей научной
дисциплиной выступала физика, которая транслировала свои идеалы и нормы в
другие отрасли знания.
Согласно эволюционной теории Дарвина, в мире происходит непрерывное
появление все более сложно организованных живых систем, упорядоченных
форм и состояний живого.
Иначе говоря, биологическая теория говорит о созидании в процессе
эволюции все более сложных и упорядоченных живых систем.
Здесь необходимо выделить важную характеристику направленности
самоорганизующихся процессов, которую можно обозначить как принцип
экономии энтропии, дающей «преимущество» сложным системам по сравнению
с простыми. Этот принцип звучит так: если в данных условиях возможны
несколько типов организации материи, не противоречащих законам сохранения и
другим принципам, то реализуется и сохранит наибольшие шансы на
стабильность и последующее развитие именно тот, который позволяет
утилизировать внешнюю энергию в наибольших масштабах, наиболее
эффективно.
Формирование самоорганизующихся систем при этом можно
рассматривать в качестве особой стадии развивающегося объекта, своего рода
«синхронный срез» некоторого этапа его эволюции. Сама же эволюция может
быть представлена как переход от одного типа самоорганизующейся системы к
другому («диахронный срез»). В результате анализ эволюционных
характеристик оказывается неразрывно связанным с системным рассмотрением
объектов. Универсальный эволюционизм как раз и представляет собой
соединение идеи эволюции с идеями системного подхода.
Термодинамический подход.
В классической науке (XIX в.) господствовало убеждение, что материи
изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности,
стремление к исходному равновесию, что энергетическом смысле и означало
неупорядоченность, т.е. хаос. Такой взгляд на вещи сформировался под
воздействием равновесной термодинамики.
Эта наука занимается процессами взаимопревращения различных видов
энергии. Ею установлено, что взаимные превращения тепла и работы
неравнозначны. Работа может полностью превратиться в тепло трением или
другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально
не возможно. Это означает, что во взаимных переходах одних видов энергии в
другие существует выделенная самой природой направленность. Знаменитое
второе начало термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса
звучит так «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более
горячему». Закон сохранения и превращения энергии в принципе не запрещает
такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме.
Но в реальности такого никогда не происходит. Вот эту-то односторонность,
однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и
подчеркивает второе начало.
Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое
понятие — энтропия. Под энтропией стали понимать меру беспорядка системы.
Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид:
«При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию,
энтропия всегда возрастает». Физический смысл возрастания энтропии сводится
к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с
постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей
упорядоченностью движения частиц. Это — наиболее простое состояние
системы, или состояние термодинамического равновесия, при котором движение
частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое
равновесие, что эквивалентно полному хаосу.
Общий итог достаточно печален: необратимая направленность процессов
преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к
превращению всех видов энергии в тепловую, которая рассеется, т.е. в среднем
равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет
означать термодинамическое равновесие, или полный хаос. Если наша
Вселенная — замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как
утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, как предполагает
классическая термодинамика, и возвратится.
Возникает, правда, любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует
только к хаосу, то, как же она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего
упорядоченного состояния? Однако этим вопросом классическая термодинамика
не задавалась, ибо формировалась в эпоху, когда нестационарный характер
Вселенной даже не обсуждался. В это время единственным немым укором
термодинамике служила дарвиновская теория эволюции. Ведь предполагаемый
этой теорией процесс развития растительного и животного мира
характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты
организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от
термодинамического равновесия и хаоса, Такая явная «нестыковка» законов
развития неживой и живой природы, по меньшей мере, удивляла.
Удивление это многократно возросло после замены модели стационарной
Вселенной на модель развивающейся Вселенной, в которой ясно
просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов
— от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после
Большого взрыва до наблюдаемых ныне звездных и галактических систем. Ведь
если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть
такие сложные структуры? Случайным «возмущением» в целом равновесной
Вселенной их уже не объяснить. Стало ясно, что для сохранения
непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у
материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции.
Эти противоречия привели к формированию синергетики.
Вопросы для самопроверки:
1)
Расскажите о системном подходе.
2)
Что вы знаете об эволюционном подходе?
3)
Расскажите о термодинамическом подходе.
Лекция 25. Самоорганизация в живой и неживой природе
Вопросы для рассмотрения: Понятие самоорганизации. Понятие
синергетики. Синергетика – интерес для науки. Основные свойства
самоорганизующихся систем.
Под самоорганизацией понимается необратимый процесс, приводящий в
результате кооперативного действия подсистем к образованию более сложных
структур всей системы. Самоорганизация — элементарный процесс эволюции,
состоящий из не ограниченной последовательности процессов самоорганизации.
Термин "самоорганизация" используется для обозначения диссипативной
самоорганизации, т. е. образования диссипативных структур. Наряду с
диссипативной
самоорганизацией
существуют
и
другие
формы
самоорганизации, такие как консервативная самоорганизация (образование
структур кристаллов, биополимеров и т. д.) и дисперсионная самоорганизация
(образование солитонных структур).
Для объяснения процессов самоорганизации рассматриваются открытые
системы, которые способны обмениваться с окружающей средой веществом,
энергией или информацией. Открытая система не может быть равновесной,
потому ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и
вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе
усиливается. В конечном итоге прежняя взаимосвязь между элементами
системы, т. е. ее прежняя структура, разрушается. Между элементами системы
возникают новые согласованные связи. Благодаря этому оказалось возможным
развить новую нелинейную и неравновесную термодинамику необратимых
процессов, которая стала основой современной концепции самоорганизации. Для
более общего и глубокого представления о конкретных механизмах
самоорганизации рассмотрим основные понятия и принципы синергетики.
Синергетика — это теория, исследующая процессы самоорганизации,
устойчивости, распада и возрождения самых разнообразных структур живой и
неживой природы.
Синергетика стоит в одном ряду с такими дисциплинами, как теория
систем и кибернетика, является естественным их продолжением. Как и эти науки,
она претендует на статус обобщенной теории поведения систем различной
природы.
Во
всех
рассматриваемых
синергетикой
системах
процесс
самоорганизации идет обязательно с участием большого числа объектов (атомов,
молекул или более сложных преобразований) и, следовательно, определяется
совокупным, кооперативным действием. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство,
профессор Штутгартского университета Г. Хакен ввел специальный термин
«синергетика». С одной стороны, имеется в виду сотрудничество ученых разных
специальностей, разных областей знания, подоплекой которого выступает
общность феномена самоорганизации. С другой стороны, выражена суть явлений
данного рода — кооперативность действий разрозненных элементов, спонтанно
организующихся в структуру некоторой системы.
Основатель синергетики Хакен пишет во введении к своей книге: «Я
назвал эту дисциплину «синергетика» не только потому, что в ней исследуется
совместное действие многих элементов, но и потому, что для нахождения общих
принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование
многих различных дисциплин».
В фокусе внимания синергетики оказываются сложные системы, в которых
эволюция протекает от хаоса к порядку, от симметрии — ко всей возрастающей
сложности.
Первые серьезные успехи в изучении проблем развития и самоорганизации
были заложены кибернетикой. Это направление имело дело прежде всего с
техническими управляющими и саморегулирующимися системами. В этом
отношении примечательны гомеостатические системы, т.е. системы,
поддерживающие свое функционирование в заданном режиме. С этих позиций
становятся ясными факты устойчивости и сохранения системы, но нельзя понять,
как возникают новые системы.
Синергетика как новое направление междисциплинарных исследований
представляет собой интерес для науки в целом.
Во-первых, она представляет собой иной подход к изучению процессов
самоорганизаций, развития различного рода систем, чем кибернетика.
Кибернетика ограничивалась анализом самоорганизующихся технических
систем. Синергетика пытается раскрыть единые принципы самоорганизации в
любых природных системах, т.е. как в живых, так и в неживых.
Во-вторых, принципы самоорганизации могут стать основой для создания
общей концепции глобального эволюционизма, т.е. развития в масштабе всей
Вселенной.
В-третьих, синергетика является более общей теорией самоорганизации,
чем теория, основанная на данных кибернетики. Обрисовывая единые
механизмы структурогенеза, она становится целостной естественнонаучной
концепцией становления и развития материальных структур.
В-четвертых, для синергетики характерен особый подход в постановке
вопроса об изоморфных законах структурной статики и динамики. У нее есть
собственные основания для решения этого вопроса, которых нет ни у
кибернетики, ни у теории систем. Это положение о когерентном,
самосогласованном, самоинструктированном поведении большого ансамбля
инородных объектов, поставленных в определенные условия. Синергетика
рассматривает мир объектов, основываясь на не известном ранее моменте
активности материи — «резонансном возбуждении» вступающих во
взаимодействие объектов.
Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического
моделирования самых сложных систем, которые присущи природе, — систем,
способных к самоорганизации, саморазвитию. Основные свойства
самоорганизующихся систем — открытость, нелинейность, диссипативность.
Открытые системы — это такие системы, которые поддерживаются в
определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии
или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации
является необходимым условием существования неравновесных состояний в
противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в
соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному
состоянию. Открытые системы — это системы необратимые; в них важным
оказывается фактор времени.
Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами
создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между
системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной
положительной связи, т. е. система влияет на свою среду таким образом, что в
среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь
обусловливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической
реакции или какою-то другою процесса вырабатывается фермент, присутствие
которого стимулирует производство его самого). Последствия такого рода
взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми
неожиданными и необычными.
Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с
внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние —
диссипативность, которую можно определить как качественно своеобразное
макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне.
Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую
интегративную результирующую) на макроуровне, которая качественно
отличается оттого, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом.
Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно
возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к
порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.
Главная идея синергетики — это идея о принципиальной возможности
спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в
результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации
является образование петли положительной обратной связи системы и среды.
При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее
разрушения средой.
Становление самоорганизации во многом определяется характером
взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды.
Система самоорганизуется не гладко и просто, не неизбежно. Самоорганизация
переживает и переломные моменты — точки бифуркации. Вблизи точек
бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль
случайных факторов резко возрастает.
В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в
каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли
состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий
уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные
структуры — лазерные пучки, неустойчивости плазмы, флаттер, химические
волны, структуры в жидкостях и др.). В точке бифуркации система как бы
“колеблется” перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В
таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить
началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто
неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая
при этом возможности развития в других направлениях. Как выясняется, переход
от хаоса к порядку вполне поддается математическому моделированию. И более
того, в природе существует не так уж много универсальных моделей такого
перехода. Качественные переходы в самых различных сферах действительности
(в природе и обществе — его истории, экономике, демографических процессах,
духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же
математическому сценарию.
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе
существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития
природы — это история образования все более и более сложных нелинейных
систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех
уровнях ее организации — от низших и простейших к высшим и сложнейшим
(человек, общество, культура).
Вопросы для самопроверки:
1)
Что такое самоорганизация?
2)
Что вы знаете о синергетике?
3)
Назовите основные свойства самоорганизующихся систем.
Литература
1.
Суханов, А.Д., Голубева, О.Н. Концепции современного
естествознания: Учебник для вузов / А.Д. Суханов, О.Н. Голубева. –
Санкт-Петербург: Агар, 2000. – 464 с.
2.
Ацюковский, В.А. Концепции современного естествознания:
Учебник для вузов / В.А. Ацюковский. – Санкт-Петербург: ИДСП, 2006. – 446 с.
3.
Борщова, А.С. Концепции современного естествознания: Учебник
для вузов / А.С. Борщова. – Москва: Экзамен, 2006. – 192 с.
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Филиал ДВГУ в г. Спасске-Дальнем
МАТЕРИАЛЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
по дисциплине
«Концепции современного естествознания»
специальность: «Менеджмент организации»
Спасск-Дальний
2008
Практическое занятие 1.
Естественно-научная и гуманитарная культуры (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Понятие культуры.
История возникновения. Понятие природы. Понятие науки. Понятие
естествознания. Формирование культурного человека. Понятие метода. История
учения о методе. Понятие методологии. Классификация методов научного
познания. Уровни научного познания.
Практическое занятие 2.
История естествознания (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Натурфилософия.
Этапы развития естествознания.
Практическое занятие 3.
Панорама современного естествознания (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Научная картина
мира. Глобальный эволюционизм. Синергетика – теория самоорганизации.
Общие контуры современной естественнонаучной картины мира. Понятие
современной науки. Особенности современной науки. Кризис современной
науки.
Практическое занятие 4.
Порядок и беспорядок в природе, хаос (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Понятие порядка.
Понятие хаоса. Происхождение космоса.
Практическое занятие 5.
Структурные уровни организации материи (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Понятие системы.
Понятие элемента. Типы связи между элементами системы. Свойства системы.
Классы материальных систем.
Практическое занятие 6.
Пространство и время (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Понятие
пространства. Понятие о времени. Свойства пространства и времени.
Обратимость пространства и времени. Статистическая концепция времени.
Динамическая концепция времени. Виды пространства и времени.
Практическое занятие 7.
Принципы симметрии, законы сохранения (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Понятие
симметрии. Пространственно-временные принципы симметрии. Внутренние
принципы симметрии. Законы сохранения. Определения ученых понятия
симметрии. Связь симметрии с законами сохранения. Понятие энергии.
Принципы запрета. Основные законы симметрии.
Практическое занятие 8.
Динамические и статистические закономерности в природе (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Динамические
законы. Законы статистического характера.
Практическое занятие 9.
Законы сохранения энергии в макроскопических процессах (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Термодинамика.
Положения закона сохранения энергии. Формулировки закона сохранения и
превращения энергии. Исследования ученых. Первый закон термодинамики.
Второй закон термодинамики. Принцип возрастания энтропии. Гипотеза
«тепловой смерти». Принцип минимума диссипации энергии.
Практическое занятие 10.
Химические процессы (2часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Понятие
химического индивида. Химические явления. Основные концептуальные
системы химии. Проблема химического элемента. Понятие химического
элемента. Проблема химического соединения. Понятие химического соединения.
Химическая связь. Химическая структура вещества. Понятие химической
структуры. Образование химических структур и химическая связь. Типы связей.
Сущность химического процесса. Принципы управления химическим
процессом.
Практическое занятие 11.
Особенности биологического уровня организации материи (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Краткий
исторический очерк развития биологии. Некоторые основные обобщения
биологических наук. Понятие клетки. Современная биология - комплекс наук о
живой природе. Категория «живого».
Практическое занятие 12.
Многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости
биосферы (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Элементы
экосистем. Биотическая структура экосистем. Биоразнообразие как основа
устойчивости живых систем. Виды природных экосистем. Энергетические
потоки в экосистемах, правило 10%. Экологические факторы. Формы
биотических отношений.
Практическое занятие 13.
Генетика и эволюция (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Понятие генетики.
Законы Менделя. История развития генетики. Механизм наследственности.
Формы изменчивости. Мутации. Генетические закономерности в эволюции
популяций. Формы естественного отбора.
Практическое занятие 14.
Человек: физиология, здоровье, эмоции, творчество, работоспособность
(2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Понятие
физиологии человека. Развитие концепций современной физиологии.
Анализаторы (органы чувств). Высшая нервная деятельность. Эмоции и
адаптационный процесс. Творчество. Здоровье человека. Особенности
психического утомления.
Практическое занятие 15.
Человек, биосфера и космические циклы (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Концепция
Вернадского. Строение биосферы. Космические циклы.
Практическое занятие 16.
Самоорганизация в живой и неживой природе (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Понятие
самоорганизации. Понятие синергетики. Синергетика – интерес для науки.
Основные свойства самоорганизующихся систем.
Практическое занятие 17.
Принципы универсального эволюционизма (2 часа)
Содержание занятия: дискуссия по учебным вопросам: Системный подход.
Эволюционный подход. Термодинамический подход.
Примерные задачи по КСЕ
Пример 1. Сравнить для изотопа водорода 1Н2 силы гравитационного и
кулоновского взаимодействия электрона и ядра изотопа.
Решение:
ДАНО:
q1 = e = -1.6 · 10-19 Кл
q2 = [ e ]= 1.6 · 10-19 Кл
m1 = 9.1 · 10-31 кг
m2 = 3,3425 · 10-27 кг
1/4πε 0 = 9.109 H м2/Кл2
G = 6,67 · 10-11 Н м2/кг2
Определить: F1 / F2
Пример 2. Оценить возможный радиус черной дыры для звезды, масса
которой больше солнечной массы в 10 раз.
Решение:
ДАНО:
М = 10М0 = 10 · 2 · 1030кг = 2 · 1031кг
G = 6,67 · 1011 Нм2/кг2
с = 3 · 108 м/с
Определить: R ч.д
Пример 3. Определить расстояние в световых годах до галактики по ее
красному смещению ∆ λ = 10 нм линии λ = 486 им.
Решение:
Н = 75 км ∙ с-1 /Мпк.
∆ λ = 10 нм.
λ = 486 нм
Определить: R.
Примеры лабораторных работ
Лабораторная работа №1
Фрактальные структуры в окружающем мире.
Цель работы: ознакомление с фрактальными структурами в физических
системах и явлениях.
Порядок выполнения работы:
1)
Запустите на выполнение программу построения кластера klar.exe;
2)
введите значение параметра, моделирующего скорость движения
частицы в направлении центра кристаллизации (скорость диффузии);
3)
понаблюдайте за ростом кластера и изменением его фрактальной
размерности;
4)
запишите окончательное значение фрактальной размерности;
5)
повторите моделирование для значений параметров больших и
меньших первоначального, занося результаты в таблицу 1.
Таблица 1.
Значения параметра скорости v
Фрактальная размерность D
6)
FD
постройте график FD = f(v), где v – скорость.
v
7)
сделайте вывод о связи между параметром скорости, видом кластера
и его фрактальной размерностью.
Лабораторная работа №2
Дискретные модели динамических систем. Клеточные автоматы
Цель работы: исследование процессов самоорганизации в дискретных
системах, изучение процесса роста (активации клеток) на компьютерной модели.
Порядок выполнения работы:
1)
запустите программу, имитирующую клеточный автомат –
kletavt.exe;
2)
введите число начальных клеток, равное единице, и величину риска,
равную нулю;
3)
проследите за процессом «размножения» клеток;
4)
повторите процесс для других начальных условий (исходного
количества клеток), проследите как меняется «плотность популяции клеток» во
времени в зависимости от их исходного количества;
5)
запишите ваши выводы;
6)
вновь запустите программу и для вашего варианта введите начальное
количество клеток и значения риска гибели R, отличные от нуля;
Примечание. При R = 1 достаточно одного испытания, так как в
этом случае «выживают» все клетки.
7)
повторите выполнение программы (испытание) для одного и того же
значения риска несколько раз (не менее 5);
8)
повторите то же самое для других значений R;
9)
занесите в таблицу (см. образец – таблица 1) значения риска Ri, исход
испытания (1 – если «популяция» клеток выжила, то есть достигла i-го
поколения, определенного программой, 0 – если погибла «выживаемость» W =
n/Nисп (n – число благоприятных исходов, Nисп – число испытаний),
соответствующие каждому испытанию значения «общей массы популяции» M,
выводимые на экран, а также среднее значение массы Mm для данного значения
R:
𝑀𝑚 =
𝑀
𝑁исп
10) постройте зависимость «выживаемости» W от R;
11) постройте график зависимости M = f(R);
12) пользуясь графиком, определите приблизительное значение
диапазона R, при котором состояние рассматриваемой системы неустойчиво, то
есть вероятность гибели популяции велика; в экологии эта зона называется
«зоной стресса»;
13) запишите выводы.
Таблица 1.
R
№
испытания
R1=0 1
1
R2
2
3
4
1
R3
2
3
4
5
1
R4
2
3
4
5
1
R5
2
3
4
5
1
Исход
Число
Выживаемость Общая
испытаний
масса
Nисп
W
M
Средняя
масса
Mm
R6
2
3
4
5
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Филиал ДВГУ в г. Спасске-Дальнем
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
по дисциплине
«Концепции современного естествознания»
специальность: «Менеджмент организации»
Спасск-Дальний
2008
Рефераты по темам:
1) Концепция современного естествознания как научная дисциплина.
2) Методы научного познания.
3) Абстрагирование, восхождение от абстрактного к конкретному.
4) Методы индукции и дедукции
5) Естествознание эпохи Средневековья.
6) Научная революция.
7) Особенности естествознания Нового времени.
8) Вещество и поле в естествознании.
9) Основы квантовой физики.
10) Синергетическое видение эволюции Вселенной.
11) Теория диссипативных структур (синергетика).
12) Реакционная способность веществ. Химическая технология.
13) Происхождение планет солнечной системы, особенности образования
и геологического развития Земли.
14) Теории возникновения жизни.
15) Современные научные представления об эволюции.
16) Жизнь как биологический круговорот веществ.
17) Системы человеческого организма и их функции.
18) Высшая нервная деятельность и поведение.
19) Цикличность эволюции. Человек как космическое существо.
20) Вклад естествознания в изучение человека.
21) Концепция бесконечности и космогоническая эволюция.
22) Концепция уровней биологических структур и организации живых
систем.
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Филиал ДВГУ в г. Спасске-Дальнем
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
по дисциплине
«Концепции современного естествознания»
специальность: «Менеджмент организации»
Спасск-Дальний
2008
Вопросы к зачету
1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры.
2. Метод и методология.
3. Панорама современного естествознания.
4. Тенденции развития естествознания.
5. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.
6. Порядок и беспорядок в природе, хаос.
7. Уровни организации материи.
8. Микро-, макро- и мегамиры.
9. Развитие представлений о пространстве и времени.
10. Принципы относительности.
11. Принципы симметрии и законы сохранения.
12. Дальнодействие и близкодействие.
13. Принцип неопределенности Гейзенберга. Принцип дополнительности
Бора.
14. Динамические и статистические закономерности в природе.
15. Закон сохранения энергии в макроскопических процессах.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
Вопросы к экзамену
Самоорганизация в живой и неживой природе.
Основные концепции современной физиологии.
Строение и свойства нервной системы человека.
Биоэтика и поведение человека.
Генетика и эволюция.
Эмоции и творчество.
Здоровье и работоспособность.
Человек и биосфера.
Ноосфера.
Необратимость времени.
Принципы универсального эволюционизма.
Химические процессы.
Особенности биологического уровня организации материи.
Принципы эволюции.
Многообразие живых организмов.
Тест:
1. В отношении передачи взаимодействий в современном естествознании
утвердился принцип:
1 ) дальнодействия;
2) дополнительности;
3) равнодействия;
4) близкодействия.
2. Математика (наука о количественных отношениях действительности)
является … наукой:
1) гуманитарной;
2) естественной;
3) экономической;
4) междисциплинарной.
3. Характерной чертой науки не является:
1) критичность;
2) обезличенность;
3) завершенность;
4) общезначимость.
4. К эмпирическим методам познания не относится:
1) измерение;
2) абстрагирование;
3) эксперимент;
4) наблюдение.
5. Выберите верное утверждение:
1) человеческое мировоззрение формируется только естественными
науками;
2) естественные и гуманитарные науки имеют общую методологию
познания, основанную на идеях эволюции, системности и самоорганизации;
3) естественные и гуманитарные науки имеют разную методологию
познания;
4) человеческое мировоззрение формируется только гуманитарными
науками.
6. Во второй половине ХХ века в научном мировоззрении появилась идея
самоорганизации материи. Найдите определения, соответствующие понятию
«самоорганизация»:
1) - это превращение хаоса в порядок;
2) - это переход к состоянию с более высоким значением энтропии;
3) - это стремление к разрушению спонтанно возникшей упорядоченности;
4) - это самопроизвольный переход от менее сложных к более сложным и
упорядоченным формам организации материи.
7. К мегамиру относятся:
1) биосфера;
2) планеты, звезды;
3) материки, океаны;
4) галактики, материки.
8. Выберите положение, относящееся к электромагнитной картине мира:
1) законы электродинамики однозначно определяют событие;
2) законы электродинамики неоднозначно определяют событие, не
исключается случайность;
3) признается качественная специфика живой материи;
4) взаимодействие между объектами описывается принципом
дальнодействия.
9. Следствием однородности пространства является закон сохранения …:
1) заряда;
2) импульса;
3) энергии;
4) массы.
10. Одним из универсальных принципов познания является принцип
дополнительности. Найдите верные утверждения, которые демонстрируют
универсальность принципа дополнительности и соответствуют его сути:
1) естественнонаучная и гуманитарная культуры – это два
взаимодополняющих друг друга способа постижения мира человеком;
2) взаимоотношение между объектом исследования и исследователем
является одним из примеров действия принципа дополнительности;
3) классическая механика и квантовая механика соотносятся друг с другом
по принципу дополнительности;
4) согласно принципу дополнительности классическая механика является
приближением релятивистской механики при низких скоростях движения.
11. Статистической теорией является:
1) квантовая электродинамика;
2) теория гравитации;
3) равновесная термодинамика;
4) классическая механика.
12. Метод познания, который сводится к расчленению целого предмета на
составляющие части с целью их всестороннего изучения, называется:
1) дедукция;
2) анализ;
3) синтез;
4) формализация.
13. Наука, наряду с философией, религией, техникой и другими областями
человеческого знания, является частью единой духовной культуры. Выберите
верное утверждение:
1) наука, как и идеология, отражает интересы определенных слоев
общества;
2) наука отличается от идеологии тем, что ее истины общезначимы и не
зависят от интересов определенных слоев общества;
3) наука, как и философия, стремится к объяснению мира в целом;
4) в науке, в отличие от религии, нет места предсказаниям и интуиции.
14. В механической картине мира принято, что …:
1) с возрастанием скорости движения тела его масса увеличивается;
2) во всех системах отсчета время течёт одинаково;
3) в инерциальных системах отсчета, движущихся с большими скоростями,
темп времени замедляется;
4) пространственные размеры тел в покоящихся и движущихся системах
отсчета остаются одинаковыми.
15. Отдельные особи представляют ___________ уровень организации
живой материи:
1) клеточный;
2) организменный;
3) популяционно-видовой;
4) биогеоценотический.
16. Качественно новая форма организованности, возникающая при
взаимодействии природы и общества, это …:
1) ноосфера;
2) биосфера;
3) тропосфера;
4) стратосфера.
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Филиал ДВГУ в г. Спасске-Дальнем
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
по дисциплине
«Концепции современного естествознания»
специальность: «Менеджмент организации»
Спасск-Дальний
2008
Основная литература
1. Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: Учебник / А.А.
Горелов. − М.: Центр, 2007. – 208с.
2. Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебное
пособие / Т.Я. Дубнищева. − Нс.: Маркетинг, 2007. – 832 с.
3. Самыгин, С.И. Концепции современного естествознания: Учебное
пособие / С.И. Самыгин. − Р/Д.: Феникс, 2008. – 448с.
4. Галимов, Э. М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью.
Происхождение и принципы эволюции: Учебное пособие / Э.М. Галимов. — М.:
Едиториал УРСС, 2001. – 227 с.
5. Суханов, А.Д., Голубева, О.Н. Концепции современного естествознания:
Учебник для вузов / А.Д.Суханов, О.Н. Голубева. − М.: Агар, 2000. – 134 с.
6.
Лавринеко,
В.Н.,
Ратникова,
В.П.
Концепции
современного
естествознания: Учебник для вузов / В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. − М.:
ИНФРА-М, 2000. – 421 с.
7. Садохин, А.П. Концепции современного естествознания: Учебник для
вузов / А.П. Садохин. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. – 447 с.
8. Бабушкин, А.Н. Современные концепции естествознания: Учебное
пособие / А.Н. Бабушкин. –М.: Омега-Л, 2004. – 224с.
9. Свиридов, В.В. Концепции современного естествознания: Учебное
пособие / В.В. Свиридов. –СПб.: Питер, 2005. - 349с.
Дополнительная литература
10. Аллен, Дж., Нельсон, М. Космические биосферы: Учебное пособие /
Дж. Аллен, М. Нельсон. – М.: Прогресс. 1991. – 128с.
11. Горелов, А. А. Человек – гармония –природа: Учебное пособие / А.А.
Горелов. – М.: Наука, 1990. – 192с.
12. Девис, П. Суперсила. Поиски единой теории Природы: Учебное
пособие / П. Девис. – М.: Мир. 1989. – 272с.
13. Кэри, У. В поисках закономерностей развития Земли и Вселенной:
Учебное пособие / У. Кэри. – М.: Мир. 1991. – 447с.
Периодические издания
4.
Журнал «Вопросы философии»
5.
Журнал «Наука и жизнь»
6.
Журнал «Природа»
Интернет-ресурсы
1.
Концепции современного естествознания: Учебник / В.М. Найдыш. -
3-e изд., перераб. и доп. - М.: Альфа-М: ИНФРА-М, 2007. - 704 с. Режим доступа:
http://znanium.com/bookread.php?book=123452
2.
Романов.
Концепции современного естествознания: Учебное пособие / В.П.
-
М.:
РИОР,
2008.
-
128
с.
Режим
доступа:
http://znanium.com/bookread.php?book=141918
3.
Концепции современного естествознания: Практикум / В.П. Романов
- 3-e изд., испр. и доп. - М.: Вузовский учебник, 2008. - 128 с. Режим доступа:
http://znanium.com/bookread.php?book=133587
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Филиал ДВГУ в г. Спасске-Дальнем
ГЛОССАРИЙ
по дисциплине
«Концепции современного естествознания»
специальность: «Менеджмент организации»
Спасск-Дальний
2008
Основные понятия
БЛИЗКОДЕЙСТВИЕ
представление, согласно которому взаимодействие между удаленными
друг от друга телами осуществляется с помощью промежуточных звеньев (или
среды), передающих взаимодействие от точки к точке с конечной скоростью.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
философская категория, отражающая процессы воздействия объектов друг
на друга, их взаимную обусловленность и порождение одним объектом другого.
Взаимодействие – универсальная форма движения, развития, определяет
существование и структурную организацию любой материальной системы.
ДАЛЬНОДЕЙСТВИЕ
(действие на расстоянии), представление, согласно которому действие тел
друг на друга передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие
расстояния. Открытие электро-магнитного поля показало, что концепция
дальнодействия неверна (60-80-е гг. 19 в.).
ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРЫ
Сторонники ЕНК считают, что именно естествознание с его точными
методами исследования должно стать образцом, которому должны подражать
гуманитарные науки. Наиболее радикальные – позитивисты – считают идеалом
науки математическую физику, а методом построения любого научного знания –
аксиоматико-дедуктивный способ математики. Сторонники ГК считают, что
такой взгляд не учитывает всей сложности и специфики гуманитарного
исследования и поэтому является явно утопическим и мало продуктивным.
Наиболее радикальные – антипозитивисты – вовсе отказываются признать
общность и единство между гуманитарным и естественнонаучным познанием. С
появлением таких методов исследования как системный подход, концепции
самоорганизации и эволюции и др. прежняя конфронтация между
естествоиспытателями и гуманитариями существенно ослабла. Системный
подход ориентирует исследователя на целостный охват изучаемых процессов и
явлений в их взаимосвязи и взаимодействии с другими явлениями и тем самым
предостерегает его от односторонности, неполноты и ограниченности
результатов. Эволюционный взгляд на явления, события и процессы помогает
понять их роль в общем процессе развития. Самоорганизация раскрывает
некоторые внутренние механизмы эволюции.
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
естественные науки, совокупность наук о природе, в отличие от
обществоведения (наук об обществе).
ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ
законы, согласно которым численные значения некоторых физических
величин не изменяются с течением времени при различных процессах.
Важнейшие законы сохранения – законы сохранения энергии, импульса, момента
количества движения, электрического заряда. Кроме этих строгих законов
сохранения существуют приближенные законы сохранения, которые
справедливы лишь для определенного круга процессов; напр., сохранение
четности нарушается лишь слабыми взаимодействиями.
КОНЦЕПЦИЯ
(от лат. conceptio – понимание, система), определенный способ понимания,
трактовки каких-либо явлений, основная точка зрения, руководящая идея для их
освещения; ведущий замысел, конструктивный принцип различных видов
деятельности. В «Толковом словаре живого великорусского языка» Владимира
Даля слово концепция трактуется как «понятие, образ понятия, способ
понимания, соображения и выводы». В более позднем «словаре» под ред.
Ушакова под эим словом понимается замысел, теоретическое построение, то или
иное понимание чего-либо.
КУЛЬТУРА
(от лат. cultura – возделывание, воспитание, образование, развитие,
почитание), исторически определенный уровень развития общества, творческих
сил и способностей человека, выраженный в типах и формах организации жизни
и деятельности людей, в их взаимоотношениях, а также в создаваемых ими
материальных и духовных ценностях. Понятие «культура» употребляется для
характеристики определенных исторических эпох (античная культура),
конкретных обществ, народностей и наций (культура майя), а также
специфических сфер деятельности или жизни (культура труда, политическая
культура, художественная культура); в более узком смысле – сфера духовной
жизни людей. Включает в себя предметные результаты деятельности людей
(машины, сооружения, результаты познания, произведения искусства, нормы
морали и права и т. д.), а также человеческие силы и способности, реализуемые в
деятельности (знания, умения, навыки, уровень интеллекта, нравственного и
эстетического развития, мировоззрение, способы и формы общения людей).
МЕТОД
(от греч. methodos – путь исследования, теория, учение), способ
достижения какой-либо цели, решения конкретной задачи; совокупность
приемов или операций практического или теоретического освоения (познания)
действительности. В философии метод – способ построения и обоснования
системы философского знания.
НАУКА
сфера человеческой деятельности, функция которой – выработка и
теоретическая систематизация объективных знаний о действительности; одна из
форм общественного сознания; включает как деятельность по получению нового
знания, так и ее результат — сумму знаний, лежащих в основе научной картины
мира; обозначение отдельных отраслей научного знания. Непосредственные
цели — описание, объяснение и предсказание процессов и явлений
действительности, составляющих предмет ее изучения, на основе открываемых
ею законов. Система наук условно делится на естественные, общественные,
гуманитарные и технические науки. Зародившись в древнем мире в связи с
потребностями общественной практики, начала складываться с 16-17 вв. и в ходе
исторического развития превратилась в важнейший социальный институт,
оказывающий значительное влияние на все сферы общества и культуру в целом.
Объем научной деятельности с 17 в. удваивается примерно каждые 10-15 лет
(рост открытий, научной информации, числа научных работников). В развитии
науки чередуются экстенсивные и революционные периоды – научные
революции, приводящие к изменению ее структуры, принципов познания,
категорий и методов, а также форм ее организации; для науки характерно
диалектическое сочетание процессов ее дифференциации и интеграции, развития
фундаментальных и прикладных исследований. См. Научно-техническая
революция.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
(НТР), коренное, качественное преобразование производительных сил на
основе превращения науки в ведущий фактор развития общественного
производства, непосредственную производительную силу. Началась с сер. 20 в.
Резко ускоряет научно-технический прогресс; оказывает воздействие на все
стороны жизни общества. Предъявляет возрастающие требования к уровню
образования, квалификации, культуры, организованности, ответственности
работников. Возникла под влиянием крупнейших научных и технических
открытий, возросшего взаимодействия науки с техникой и производством.
НАУЧНЫЙ МЕТОД
Представляет воплощение единства всех форм знаний о мире. Тот факт,
что познание в естественных, технических, социальных и гуманитарных науках в
целом совершается по некоторым общим принципам, правилам и способам
деятельности, свидетельствует 1) о взаимосвязи и единстве этих наук и 2) об
общем, едином источнике их познания, которым служит окружающий нас
объективный реальный мир: природа и общество.
ПАРАДИГМА
(от греч. paradeigma – пример, образец), в философии, социологии –
исходная концептуальная схема, модель постановки проблем и их решения,
методов исследования, господствующих в течение определенного исторического
периода в научном сообществе. Смена парадигм представляет собой научную
революцию.
ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ
сформулирован Н. Бором, согласно данному принципу при
экспериментальном исследовании микрообъекта могут быть получены точные
данные либо о его энергиях и импульсах, либо о поведении в пространстве и
времени. Эти две взаимоисключающие картины: энергетически-импульсная и
пространственно-временная, получаемые при взаимодействии микрообъекта с
соответствующими измерительными приборами, «дополняют» друг друга.
Принцип дополнительности сыграл важную роль при формировании квантовой
механики.
ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
фундаментальное положение квантовой теории, утверждающее, что
характеризующие физическую систему т. н. дополнительные физические
величины (напр., координата и импульс) не могут одновременно принимать
точные значения; отражает двойственную, корпускулярно-волновую природу
частиц материи (электронов, протонов и т. д.).
ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
фундаментальный физический закон, согласно которому любой процесс
протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в
состоянии покоя, и в такой же системе в состоянии равномерного
прямолинейного движения. Состояния движения или покоя определяются по
отношению к произвольно выбранной инерциальной системе отсчета. Принцип
относительности лежит в основе специальной теории относительности
Эйнштейна.
ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ
1) в классической физике: результирующий эффект от нескольких
независимых воздействий; представляет собой сумму эффектов, вызываемых
каждым воздействием в отдельности. Справедлив для систем или полей,
описываемых линейными уравнениями; важен в механике, теории колебаний и
волн, теории физических полей. 2) В квантовой механике принцип суперпозиции
относится к волновым функциям: если физическая система может находиться в
состояниях, описываемых двумя (или несколькими) волновыми функциями, то
она может также находиться в состоянии, описываемом любой линейной
комбинацией этих функций (принцип суперпозиции состояний).
ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ
Как философские категории, пространство – форма сосуществования
материальных объектов и процессов (характеризует структурность и
протяженность материальных систем); время – форма и последовательные смены
состояний объектов и процессов (характеризует длительность их бытия).
Пространство и время имеют объективный характер, неразрывно связаны друг с
другом, бесконечны. Универсальные свойства времени – длительность,
неповторяемость, необратимость; всеобщие свойства пространства –
протяженность, единство прерывности и непрерывности.
СИММЕТРИЯ
(от греч. symmetria – соразмерность), в широком смысле – инвариантность
(неизменность) структуры, свойств, формы материального объекта относительно
его преобразований (т. е. изменений ряда физических условий). Симметрия
лежит в основе законов сохранения.
ЭНТРОПИЯ
(от греч. entropia — поворот, превращение) (обычно обозначается S),
функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в
равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного
системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы.
Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом
энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором S
максимальна. Понятие «энтропия» введено в 1865 Р. Клаузиусом.
Статистическая физика рассматривает энтропию как меру вероятности
пребывания системы в данном состоянии (Больцмана принцип). Понятием
энтропии широко пользуются в физике, химии, биологии и теории информации.