Становление идей современного естествознания



Pdf просмотр
страница39/39
Дата28.01.2019
Размер5.05 Kb.
1   ...   31   32   33   34   35   36   37   38   39
кобальт – для синтеза витамина B
12
; молибден, марганец и ванадий необходимы для образования ферментов. Включение в состав живых организмов не только самых распространённых элементов, но и редких связано с осуществлением специальных функций жизни, основанных на химических свойствах составляющих её атомов (например, йод входит в состав гормона щитовидной железы позвоночных животных – тироксина, играющего важную роль в обмене веществ).
10.3
. Временная и пространственная упорядоченность мира
Для развития сложной системы важную роль играет такое явление, как
ритмичность, то есть упорядочение различных процессов во времени. Говоря о ритмичности природных процессов, следует иметь ввиду, что ритмичность свойственна объектам как живой, таки неживой природы. Она обусловлена различными причинами космического и планетарного характера обращением Земли вокруг Солнца, сменой времен года, сменой дня и ночи, обращением Луны вокруг Земли, океаническими приливами и отливами, периодическими изменениями Солнечной активности и т.д.
Ритм сотворения и разрушения присутствует не только в чередованиях дня и ночи, смене времён года, рождении и гибели живых организмов он выступает в качестве основной сущности материи. Каждая материальная частица принимает участие в своеобразном танце энергии – пульсирующем процессе обмена веществом и энергией с другими частицами. Также и вся Вселенная в целом постоянно находится в ритмическом процессе сотворения и разрушения.
В микромире основу всех движений составляют волнообразные, колебательные движения, носящие периодический характер. Особый интерес представляют колебания на клеточном и организменном уровне. Впервые колебания подобного типа обнаружил французский астроном Мэран вначале века. Наблюдая в часы бессонницы за комнатными цветами, он заметил, что их листья совершают ежесуточно повторяющиеся периодические движения. Позже подобные наблюдения проводил Ч. Дарвин. Круг организмов, у которых была обнаружена периодическая повторяемость биохимических процессов, постепенно расширялся, а само это явление получило название биологические часы».
Остановимся вкратце на явлении согласования ритмичности, то есть явлении синхронизации. Наличие согласованной ритмичности у нескольких внешне различных систем указывает на то, что в действительности они функционируют в рамках одной, более общей системы [12]. Например, синхронизация изменений активности Солнца со многими процессами на Земле свидетельствует о реальности Солнечной системы, которая проявляется не только в рамках небесной механики, но и во многих других отношениях.
119

Важно отметить, что для объяснения синхронизации и согласования различных процессов в сложных системах (каковыми являются, в частности, природные системы) механизма причинно-следственных связей недостаточно. Синхронизация – это гораздо более сложное явление, чем простая цепочка причини следствий (или стимулов и реакций в процессе синхронизации участвует вся система в целом, поэтому и сама синхронизация не сводится к сумме адаптационных, приспособительных реакций. Сложная эволюционирующая система представляет собой не жёсткую структуру, разложимую на составные элементы, а гибкую сеть целостных взаимосвязей. Эта сеть образована путём тесной кооперации и координации обширного множества специализированных элементов системы, поэтому импульс водном месте порождает множество ответных импульсов в различных частях системы. В результате происходит быстрая и весьма тонкая самонастройка системы на меняющиеся условия внешней или внутренней среды, что и является основой синхронизации.
Упорядоченность различных процессов во времени сочетается сих упорядоченностью в пространстве. Наиболее важной формой пространственной упорядоченности является симметрия, которая проявляется как для объектов микромира (симметрия атомов и молекул, таки объектов макромира (симметрия кристаллов, снежинок, живых организмов, а также объектов мегамира симметрия планет, звезд, галактики скоплений галактик. Пространственная упорядоченность ив частности, симметрия в мире проистекает из симметрии физических законов.
Так как физические процессы протекают в пространстве и во времени, то при их математическом описании необходимо использовать некоторую систему координат. Однако выбор конкретной системы координат выделяет в пространстве некоторые направления (отвечающие осям координат, что не согласуется со свойством изотропности пространства, те. равноправия всех его направлений. Поэтому в качестве физического закона может выступать только такое математическое соотношение, которое не меняется при произвольном повороте осей. Кроме того, учет свойства однородности пространства (состоящего в равноправии всех его точек, а также однородности времени влечет независимость физического закона как от выбора начала системы координат, таки от начала отсчета времени. Таким образом, соображения симметрии накладывают сильные ограничения на математическую форму физических законов. В качестве важного примера математического выражения, независящего от поворота осей и переноса начала системы координат можно указать функцию
2 2
2
x
y
z
F a
a
a
=
+
+
, выражающую квадрат длины вектора
a
через его координаты
( , , )
x
y
z
a a a
в декартовой системе координат. Если взять произвольную функцию трех переменных
( , , )
f x y z
, то ее вторые частные производные
2 2
2 2
2 2
,
,
f
f
f
x
y
z






преобразуются также, как квадраты координат вектора, поэтому сумма этих производных будет инвариантна относительно указанных выше преобразова-
120

ний системы координат. Это обстоятельство определяет роль в физике так называемого оператора Лапласа
2 2
2 2
2 2
x
y
z



∆ =
+
+



. А именно, простейшие физические законы, удовлетворяющие условиям симметрии (обусловленным изотропностью и однородностью пространства, могут записываться лишь в виде одного из следующих дифференциальных уравнений
u
f

=
(уравнение Пуассона, обращающееся при f = 0 в уравнение
Лапласа);
u
u a
t


=

(уравнение теплопроводности);
2 2
u
u a
t


=

(волновое уравнение).
Помимо соображений симметрии, связанных с симметриями пространства и времени, необходимо учитывать симметрию изучаемых физических объектов. Упрощенно говоря, объекты, возникающие в природе, сохраняют только те симметрии, которые совпадают с симметриями среды. В 1963 г. американский физик-теоретик Юджин Вигнер получил Нобелевскую премию по физике за исследования принципов симметрии, лежащих в основе взаимодействия элементарных частиц.
Еще один принцип, объясняющий пространственную упорядоченность мира, состоит в том, что физические системы стремятся занять состояние с минимальной энергией, которое является в определённом смысле простейшим. Формой физических законов объясняется также и временная упорядоченность многие физические законы допускают периодическое поведение (в силу чего, например, все объекты мегамира – планеты, звёзды, галактики – движутся по периодическим орбитам. Отметим, что свойство периодичности представляет собой по существу симметрию специального вида. Дело в том, что время одномерно и геометрически представляется числовой прямой, а естественные симметрии на прямой – это сдвиги, то есть периодические повторения. Таким образом, все мироздание – от микро- до мегамира пронизано разнообразными симметриями, находящими выражение в форме физических законов. Физические законы носят универсальный характер, т.к. их под их действие попадают все объекты микро-, макро- и мегамира. Именно в универсальности физических законов заключено физическое единство мира.
Мир чрезвычайно чувствителен к самым малым вариациям физических законов даже при небольших изменениях физических законов мир стал бы совсем другим. Ключевую роль для мира играют значения фундаментальных постоянных (констант, к которым относятся скорость света, постоянная Планка, массы и заряды атомных частиц. Именно фундаментальные константы определяют масштаб физических явлений – размеры ядер, атомов, звёзд, планет, размеры живых организмов, плотность вещества во Вселенной, время жизни звёзд
121

и т.д. Из-за переплетения конкурирующих процессов структуры всех систем живой и неживой природы зависят от всех управляющих ими взаимодействий и, тем самым, – от фундаментальных констант.
10.4. Циклы и ритмы живой природы
Исследования последних лет показывают, что вещественно-энергетиче- ские процессы в биосистемах любого уровня сложности протекают ритмично. В настоящее время общепринято, что любая биохимическая система функционирует по периодическому принципу. Наслаивающиеся друг на друга химические реакции обеспечивают периодическое изменение концентрации химических веществ, что влечет периодическое течение биологических процессов На ритмичности основаны взаимодействия между биологическими системами и окружающей средой биоритмы согласованы с геофизическими и космическими ритмами. Можно выделить следующие особенности ритмической организации биосистем [14].
1. Биосистемы любого уровня – от молекулярного до биологического – функционируют в колебательном режиме. Колебания элементов системы с различными парциальными частотами сводятся к некоторой синхронной частоте тем самым биосистема подчиняется ритмам системы более высокого уровня.
2. Как показывает теория синхронизации, если различие между парциальными частотами объектов достаточно мало, то наступает их самосинхронизация. В тоже время внешняя синхронизация может происходить при слабых синхронизирующих сигналах.
3. Колебания в биосистемах связаны с электромагнитными полями, а синхронизация – с электромагнитными сигналами. Колебания в макромолекулах и клетках происходят в виде флуктуаций распределения поверхностных зарядов и дипольных моментов, а в организме – это, в основном, колебания электрического потенциала. Взаимосвязи между организмами посредством электромагнитных полей подтверждены на опытах, а также непосредственными наблюдениями электромагнитной сигнализации между организмами разных видов. При этом внешними синхронизаторами биоритмов являются электромагнитные поля земного и космического происхождения.
Характерной особенностью ритмических процессов в живой природе является их периодичность (цикличность, то есть повторяемость. Любой биологический процесс в целом представляет собой некоторый цикл, который, в свою очередь, включается в цикл более высокого уровня, тот – в следующий и т.д. При этом самыми важными являются циклы, определяемые влиянием космоса сезонные и суточные. Вся деятельность живых существ приспосабливает к ним свои ритмы и всё своё поведение. Главнейший цикл для живого организма тот, который включает рождение, созревание, воспроизведение, старе-
122

ние и смерть организма. У микроорганизмов (например, бактерий, а также у клеток цикл воспроизведения непрерывен, ау более крупных организмов он носит сезонный характер. Циклы сотворения и разрушения имеются не только в жизни живых существ, они присущи всем процессам, происходящим во Вселенной. Таким образом, цикличность общий закон живой и неживой природы.
Особенность процесса синхронизации природных систем состоит в том, что, настраиваясь (попадая в резонанс) с процессами, протекающими вовне, эволюционирующая система становится как бы частью более общей системы, законами ритмам которой она подчиняется. Происходит встраивание одной сети в более широкую сеть связей. В случае природных систем на Земле в качестве более широкой синхронизирующей системы выступает весь Космос. Таким образом, всё живое на Земле находится под воздействием космических ритмов. Их можно подразделить натри типа:
А) ритмы, действующие в антропной шкале времени (суточные, месячные, сезонные, годичные);
Б) ритмы, действующие в геологической шкале времени (исчисляются десятками и сотнями тысяч лет);
В) ритмы, действующие в шкале мегамира (исчисляются миллионами лет).
Во всех природных биологических и экологических процессах ключевую роль играет синхронизация любой живой организм – от клетки и до всей биосферы существует за счёт синхронизации, согласования происходящих в нём биохимических процессов как между собой, таки с процессами неживой природы. Взаимная синхронизация происходит в ансамблях макромолекул, объединённых в органеллах клетки и на её поверхности. Организмы подчиняются ритмам суточной и сезонной активности. Центральные регуляторные системы организма являются внешними синхронизаторами происходящих в нём физиологических процессов. Автономная синхронизация имеет место ив сообществах организмов – стаях, стадах, популяциях. Все эти примеры демонстрируют роль механизма синхронизации в образовании и функционировании природных систем. Именно синхронизация со-
здает системное единство живой и неживой природы.
10.5. Биосферная концепция организации жизни
Основы учения о биосфере были разработаны В.И. Вернадским. Им же была выявлена основополагающая роль биосферы в организации жизни. Напомним в связи с этим известные слова Вернадского Говоря о появлении на нашей планете жизни, мы в действительности говорим только об образовании на ней биосферы. Развитие идей Вернадского привело к концепции планетно- космической организации жизни.
123

В настоящее время биосферу рассматривают как сложную кибернетическую систему, в которой автономно-соподчинённая иерархия биосистем функционирует благодаря информационным взаимосвязям, а вся биосфера в целом
– благодаря таким же связям с Космосом. Организация жизни в рамках единой системы – биосферы сводится к следующим основным положениям [14].
Пространственно-структурная организация биосферы. В 1920 г. НИ. Вавилов на основе открытого им закона гомологических рядов показал, что многообразие форм живого можно свести в таблицу, подобную менделеевской, причём обнаруживается сходство гомологических рядов организмов с рядами углеводородов. Основываясь на идеях В.И. Вернадского и НИ. Вавилова,
Ю.А. Урманцев [18] пришёл к выводу о том, что разнообразные системы природы молекулы, кристаллы, организмы – подчинены определённым законам
– законам структурной симметрии. Все эти системы можно расположить в по- лиморфические ряды, подобные между собой. Проявление такого подобия есть проявление всеобщей организованности материального мира.
Временная организация биосферы. Многочисленные исследования последних десятилетий показали, что в биосистемах любого уровня сложности вещественно-энергетические процессы протекают ритмично. Ритмический характер носят взаимодействия между биосистемами всех рангов. Эти биоритмы согласованы с геофизическими и космическими ритмами. Внешними синхронизаторами биоритмов являются земные и космические электромагнитные поля.
Функциональная организация биосферы. Вернадский подчёркивал единство функционирования всего живого – от микробов до человека. Струк- турно-функциональная организация биосистем схематически может быть представлена в виде двух подсистем – инструктивной и посреднической. Поток информации из окружающей среды попадает сначала в посредническую подсистему, быстро реагирующую на любые внешние воздействия. Здесь информация подвергается отбору и преобразуется в определённые сигналы (главным образом, электромагнитные. Часть этих сигналов передаётся инструктивной подсистеме, а часть – исполнительным органам. Посредническая подсистема обеспечивает рефлекторные реакции организма на кратковременные и случайные воздействия, передавая соответствующие сигналы исполнительным органам. Инструктивная подсистема инерционна и обладает долговременной памятью. После получения информации от посреднической подсистемы, её накапливания и анализа, инструктивная подсистема передаёт сигналы посреднической подсистеме, которая осуществляет передачу команд исполнительным органами, кроме того, часть информации передаётся наружу – другим биосистемам. Так в общих чертах выглядит структурно-функциональная организация в живой природе. Например, в клетке инструктивная и посредническая подсистемы это ядро и цитоплазма у одноклеточных – внутренние структуры и оболочка у многоклеточных – центральная и периферическая нервные систе-
124

мы в сообществах организмов – это подсистемы с групповой памятью и подсистемы быстрого реагирования».
Космические истоки образования биосферы. Вернадский был убеждён- ным сторонником космического характера жизни на Земле. Однако связь земной жизни с космосом Вернадский видел не в механическом занесении простейших форм живого на Землю (гипотеза панспермии), а в космических истоках организации первичной биосферы. Образование самой биосферы Вернадский связывал с организованностью космоса.
По мере образования земной коры из космической среды начинает извлекаться не только энергия, но и упорядоченность, то есть организация. Это проявляется в ритмичности, ориентированности, симметрии атмосферных, магни- тосферных и ионосферных процессов. Качественно новая стадия формирования биосферы начинается с образования гидросферы – мирового океана. Гидросфера представляет собой гетерогенную неравновесную систему, а именно неравновесность (как показали ещё в х – х гг. XX в. известные биологи
Э.С. Бауэр и А.Г. Гурвич) является основным свойством живой материи. Первобытная гидросфера активировалась корпускулярными и электромагнитными излучениями Солнца, космическими лучами, грозовыми разрядами, вулканической деятельностью. В результате она обрела чувствительность к слабым космическим электромагнитным излучениям. По-видимому, эти излучения явились носителями информации о пространственно-временной структуре космоса, воспринимая и накапливая которую, гидросфера образовала систему первичной жизни. Отмеченное выше подобие структур живой природы, а также согласованность биологических ритмов и циклов свидетельствуют в пользу того, что при своём возникновении и развитии биосфера моделировала организацию Космоса.
125

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ КО ВТОРОМУ РАЗДЕЛУ
1.
Вайнберг С. Первые три минуты. М Энергоиздат, 1981.
2. Вернадский В.И. Размышления натуралиста. Пространство и время вне- живой и живой природе. М Наука, 1975.
3.
Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе. М Наука, 1988.
4.
Дэвис П. Пространство и время в современной картине Вселенной. М Мир, 1979.
5.
Дэвис П. Суперсила. Поиски единой теории природы. М Мир, 1989.
6.
Завельский Ф.С. Время и его измерение. М Наука, 1977.
7.
Зимин А.И. Концепции современного естествознания вопросы и ответы. МИД
«Юриспруденция», 2007.
8.
Камшилов М.М. Эволюция биосферы. М Наука, 1974.
9.
Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. М УРСС, 2003.
10.
Капра Ф. Дао физики. СПб.: ОРИС, 1994.
11.
Моисеев Н.Н. Идеи естествознания и общественные науки. М
ВЦ РАН. 1991.
12. Пантин В.И. Циклы и ритмы истории. Рязань Аракс, 1996.
13.
Пахомов Б.Я. Становление физической картины мира. М, 1985.
14. Пресман А.С. Идеи В.И. Вернадского в современной биологии. М Знание Пригожин И
.Р. Конец определённости. Время, хаос и новые законы природы. Ижевск Ижевская республиканская типография, 1999.
16.
Пригожин И.Р., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. М Мир, 1986.
17.
Силк Дж. Большой взрыв. М Мир, 1982.
18. Урманцев Ю.А. Симметрия природы и природа симметрии. М Мысль,
1974.
19. Хокинг Ст. Краткая история времени. СПб.: Амфора, 2007.
20.
Чернин А.Д. Физика времени. М Наука, 1987.
21.
Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М Наука, 1987.
126


СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………….. Раздел 1. Краткая история естествознания от эпохи ранних цивилизаций до конца XIX в. …. …………… . .4
Тема 1: Наука античного мира ……………………………… .. .5
Тема 2: Противостояние науки и религии в Средние века ив эпоху Возрождения ……………………… .. 28
Тема 3: Истоки классического естествознания …………. … .42
Тема 4: Классический этап естествознания ……………….. . .61
Заключение ………………………………………………………….76
Список рекомендуемой литературы к первому разделу ……. .. ..77
Раздел 2. Фундаментальные идеи естествознания XX века ….…. 78
Тема 5: Крушение механистической картины мира Микро-, макро- и мегамиры.
Структурно-масштабная иерархия ……………….. …79
Тема 6: Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия ………………. .87
Тема 7: Квантовая механика – аппарат исследования микромира .......................... …95
Тема 8: Теория относительности Эйнштейна ……………. …103
Тема 9: Космологические модели Вселенной ……………. …113
Тема 10: Жизнь как космический феномен ……………… …119
Список рекомендуемой литературы ко второму разделу ……….131 127

Научное издание
Розен Виктор Владимирович,
доктор физико-математических наук, профессор
СТАНОВЛЕНИЕ ИДЕЙ
СОВРЕМЕННОГО
ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Монография
Подписано в печать 12.05.2010. Формат Бумага офсетная. Печать трафаретная. Объем Усл. печ. л. 6,25. Тираж 100 экз. Заказ . Типография ЦВП Саратовский источник».
г. Саратов, ул. Университетская, 42, к. 106. т. Отпечатано с готового оригинал-макета
Издательство Саратовский источник, г. Саратов, ул. Университетская, 42, к. 106.
128

Document Outline

  • ИНСТИТУТ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
  • К 10-летию Института дополнительного
  • В.В. Розен
    • Тема 4: Классический этап естествознания
    • Тема 10: Жизнь как космический феномен
      • Таблица 2
        • ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   31   32   33   34   35   36   37   38   39


База данных защищена авторским правом ©genderis.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница