УМК КСЕ СПО. Учебнометодический комплекс по дисциплине концепции современного естествознания для студентов всех специальностей

• Название: Учебнометодический комплекс по дисциплине концепции современного естествознания для студентов всех специальностей
• Анкор: УМК КСЕ СПО.doc
• Дата: 25.04.2017
• Размер: 3.72 Mb.
• Имя файла: УМК КСЕ СПО.doc
• Тип: Учебно-методический комплекс; #4821
• страница: 12 из 20

Биосфера и человек
Появление и эволюция жизни на нашей планете привели к формированию биосферы.

Биосфера – это та область Земли, где существует или существовала жизнь и которая подвергается или подвергалась ее воздействию.

Биосфера представляет единство живых организмов и неорганических составных частей, которое проявляется в биогенной миграции атомов осуществляется за счет энергии солнечного излучения. Термин «биосфера» был предложен австралийским ученым Э. Зюссом (1873). Несколько десятилетий спустя В.И. Вернадский создал учение о биосфере, показав, что живые организмы, преобразуя солнечную энергию, являются мощной биогеохимической силой, влияющей на геологические процессы.

Среды обитания живого сосредоточены в литосфере (верхняя часть поверхности земной коры), в гидросфере (океаны, моря, реки, озера) и в нижних слоях атмосферы (тропосфере). Верхний предел жизни биосферы ограничен озоновым экраном на высоте 20 – 25 км, выше которого ультрафиолетовая часть солнечного спектра исключает существование жизни. Нижняя граница биосферы опускается до 3 км ниже поверхности суши и на 1 – 2 км ниже дна океана.

По В.И. Вернадскому, в состав биосферы входят типы веществ:

- живое вещество – живые организмы, населяющие нашу планету (0,01% от массы всей биосферы).

- косное вещество – неживые тела, образующиеся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения).

- биогенное вещество – неживые тела, образующиеся в результате деятельности живых организмов (известняки, мел, нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др.).

- биокосное вещество – биокосные тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (почвы, илы, кора выветривания).

- радиоактивное вещество.

- вещество космического происхождения.

Распределение жизни в биосфере отличается крайней неравномерностью. Она слабо развита в пустынях, тундрах, глубинах океана, высоко в горах, тогда как в других участках биосферы чрезвычайно обильна и разнообразна. Наиболее высока концентрация живого вещества на границах раздела основных сред – экотон – в почве, в поверхностных слоях океана, на дне водоемов и, особенно, на литорали, в лиманах и эстуариях рек. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал «пленками жизни».

По видовому составу на Земле преобладают животные (более 2 млн. видов) над растениями (0,5 млн.). В то же время запасы фитомассы составляют 99% запасов живой биомассы Земли. Биомасса суши в 1000 раз превышает биомассу океана. На суше биомасса и количество видов организмов в целом увеличиваются от полюсов к экватору.

Биологическое разнообразие – основа устойчивости живой природы. Оно создает взаимодополняемость и взаимозаменяемость видов в биоценозах, обеспечивает регуляцию численности и самовосстановительные способности сообществ и экосистем.

Основные функции живого вещества:

1. Энергетическая (биохимическая) – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе.

2. Газовая – способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.

3. Концентрационная – «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов.

4. Окислительно-восстановительная – окисление и восстановление различных веществ с участием живых организмов.

5. Деструктивная – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как остатков органического вещества, так и косных веществ.

6. Транспортная – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов.

7. Средообразующая – преобразование физико-химических параметров среды.

8. Рассеивающая – рассеивание веществ в окружающей среде.

9. Информационная – накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям.

10. Биогеохимическая деятельность человека – превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности.

Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Основой самоподдержания жизни на Земле являются биогеохимические круговороты.

1.Геологический круговорот (большой круговорот веществ в природе) – круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы.

2.Биогеохимический круговорот (малый круговорот веществ в биосфере) – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов.

- круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота).

- круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.).

3.Антропогенный круговорот (обмен) – круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека.

В.И. Вернадский развил представление о переходе биосферы в ноосферу.

Ноосфера – сфера разума, высшая стадия развития биосферы, когда разумная человеческая деятельность становится главным фактором ее развития.

Признаки превращения биосферы в ноосферу:

1. Возрастание количества механически извлекаемого материала земной коры (полезных ископаемых).

2. Массовое потребление продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох (нефти, газа и пр.).

3. Рассеивание энергии, в отличие от ее накопления в биосфере до появления человека.

4. Образование в больших количествах веществ, ранее в биосфере отсутствовавших (пластмассы и др.).

5. Создание, хотя и в ничтожно малых количествах, транс­урановых химических элементов (плутоний и др.).

6. Расширение границ ноосферы за пределы Земли в связи с НТР.

Превращение биосферы в ноосферу является естественным этапом развития нашей планеты и необходимым условием для развития цивилизации. Для преодо­ления экологических проблем необходимо рассмотрение окружа­ющей среды, человека и общества как единой системы. Развитие цивилизации должно идти не за счет разрушения природы, а в устойчивой гармонии с нею.
8.6. Глобальный экологический кризис
Загрязнение – привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых (обычно не характерных для нее) вредных агентов.

Природное загрязнение – в результате естественных причин (пыльные бури, вулканический пепел и др.).

Антропогенное загрязнение – под влиянием деятельности человека (выбросы в атмосферу и сбросы в гидросферу вредных веществ и др.).

По видам загрязняющих агентов:

- физическое загрязнение (тепловое, радиоактивное, шумовое, электромагнитное, световое и др.)

- химическое загрязнение (тяжелые металлы, пестициды, СПАВ, пластмассы, аэрозоли и др.)

- биологическое загрязнение (патогенные микроорганизмы, продукты генной инженерии и др.)

По масштабам: глобальное, региональное и локальное (местное) загрязнение. По объектам загрязнения: загрязнение атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почв и т.д.

Системная классификация загрязнений:

- ингредиентное загрязнение – совокупность веществ, чуждых естественным экосистемам (бытовые стоки, ядохимикаты и удобрения, продукты сгорания и т.д.).

- параметрическое загрязнение – изменение качественных параметров окружающей природной среды (шумовое, тепловое, световое, радиационное, электромагнитное).

- биоценотическое загрязнение – воздействия, вызывающие нарушение в составе и структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная интродукция видов и т.д.).

- стациально-деструкционное загрязнение – воздействие, приводящее к нарушению экосистем в процессе природопользования (вырубка лесов, зарегулирование водотоков, урбанизация и пр.).

Ниже приведены основные глобальные экологические проблемы.

Рост численности человечества – см. раздел 14.3.

Антропогенные воздействия на атмосферу:

Парниковый эффект– разогрев нижних слоев атмосферы из-за поступление CH₄, CO₂, NO₂ и др. Последствия: повышение уровня Мирового океана, затопление приморских равнин, разрушение растительного покрова, увеличение испарения и т.п.

Разрушение озонового слоя – понижение до 50% и более содержания озона О₃ при поступлении фреонов(хлорфторуглеродов), применяемых как хладагенты, пенообразователи и распылители. Последствия: увеличение потока УФ-лучей губительно для живых организмов из-за способности вызывать мутации.

Кислотные дожди– дождь или снег, подкисленный до рН<5,6 из-за растворения в атмосферной влаге выбросов (SO₂, NO₂, HCl, H₂S и др.) Последствия: гибель живых организмов.

Антропогенные воздействия на гидросферу: неочищенные сточные воды, пестициды, удобрения, нефть и нефтепродукты. Последствия: гибель гидробионтов, снижение устойчивости экосистем, эвтрофикация и т.д.

Антропогенные воздействия на почву: деградация (снижения плодородия) и полное разрушение почв (водная и ветровая эрозия, промышленная эрозия почв, затопление, разрушение и засоление почв водами водохранилищ и др.).

Антропогенные воздействия на живую природу: деградация растительного и животного мира (сокращению или уничтожению видов растений и животных ведут следующие антропогенные факторы: прямое уничтожение в ходе использования, при создании водохранилищ, в ходе разработок ископаемых, при пожарах, распашки новых угодий; ухудшение условий жизни при орошении, осушении, загрязнении среды токсичными веществами, заносе вредных организмов и др.).
Литература: 1–3, 5–9.
Лекция 9. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС. САМООРГАНИЗАЦИЯ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРИРОДЕ И В ОБЩЕСТВЕ
9.1. Естествознание и техника
Гигантский прогресс науки и техники, значительная эксплу­атация природных ресурсов, быстрый рост численности человече­ства сделали экологические проблемы особенно актуальными. Изменения условий жизни под влиянием хозяйственной деятельности достигли таких размеров, что начинают влиять на здоровье самих людей и развитие отдельных регионов. Загрязнение атмосферы, природных вод, снижение плодородия и эрозия почв, истощение недр, ущерб, наносимый растительному и животному миру, делают нашу планету менее пригодной для жизни и могут поставить человечество на грань экологической катастрофы.

В настоящее время окружающей средой для человечества стала практически вся биосфера, для деятельности в которой человеку требуется все больше и больше энергии. Благодаря ископаемым энергетическим запасам (в основном нефть, уголь, газ) стали возможными процессы индустриализации. Но их исчерпание в обозримом будущем неизбежно, поэтому необходимо искать другие источники энергии. К тому же человечеству грозит истощение невозобновляемых материальных ресурсов, таких, как запасы серебра, цинка, урана и др. Несовершенство современной технологии не позволяет полностью перерабатывать минеральное сырье. Большая часть его возвращается в природу в виде отходов, загрязняющих атмосферу, гидросферу и литосферу.

К возобновляемым материальным ресурсам относят растительный и животный мир, плодородие почв. Человек активно использует в сельском и лесном хозяйстве почти все наземные и многие водные биогеоценозы. Но в настоящее время его деятельность отражается практически на всех остальных естественных экосистемах. Антропогенные воздействия (загрязнение нефтью океанов, «парниковый эффект» вследствие увеличения концентрации СО₂ в атмосфере, «кислотные дожди», разрушение озонового экрана, накопление в организмах токсичных или радиоактивных веществ и др.) могут привести к значительным отклонениям в равновесии экосистем, делают прерывным биотический круговорот и отрицательно сказываются на биосфере в целом. Поэтому все настойчивее выдвигается требование создать промышленность, безвредную для природы.

Прогрессирующий процесс использования человеком элементов окружающей природы неизбежен и закономерен. Он не может прекратиться, так как осуществляется в силу действия законов природы и социальных закономерностей развития общества. Таким образом, истощение некоторых природных ресурсов и угроза среде обитания человека также являются реальностью, которую нельзя недооценивать.

Проблема разумного и рационального использования природ­ных ресурсов на основе экологических законов превращается в настоящее время в одну из важнейших задач человечества. Для сохранения биосферы и ее компонентов необходимы усилия всех стран. В 1948 г. был создан Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП). С 1971 г. ЮНЕСКО осуществляет международную программу «Человек и биосфера».

Охрана природы в нашей стране осуществляется в соответствии с Конституцией, а также на основе законов и постановлений по охране и рациональному использованию природных ресурсов. Создаются очистные сооружения, технологии комплексной пере­работки сырья, малоотходные производства; регламентируется применение ядохимикатов; осуществляется контроль за качеством пищевых продуктов; на больших площадях проводятся лесонасаждения, борьба с эрозией почв; применяются научно обоснованные методы внесения удобрений, орошения и осушения.

Большое значение для сохранения генофонда имеет создание заповедников, заказников, национальных парков и других охраняемых природных территорий, центров разведения исчезающих животных и растений с их последующим возвращением в естественные места обитания. В настоящее время на территории России имеется 101 заповедник и 35 национальных парков. В результате принятых мер восстановлена и поддерживается высокая численность бобра, соболя, сайгака, лося и других редких млекопитающих.

На территории Самарской области созданы «Жигулевский государственный природный заповедник» (с 1927 г., 23 тыс. га, свыше 1000 видов высших растений и 5000 видов животных; эндемики – солнцецвет жигулевский, тимьян жигулевский, ясколка жигулевская и др.); национальные парки «Самарская Лука» и «Бузулукский бор».

Сведения об исчезающих, редких, сокращающихся и безвозвратно исчезнувших видах растений, животных и других организмов содержатся в Красной книге. Существуют международная, федеральная и республиканские (областные, краевые) Красные книги.

Однако все еще имеется много недостатков и нерешенных проблем. Каждый должен понимать, что грамотное, бережное отношение к природе – его долг. Экологическое сознание не приходит сразу. Его надо воспитывать в себе и окружающих, развитое чувство ответственности за природу не позволит сливать отходы в реку, загрязняя ее, разрушать хрупкий растительный покров тундры, вырубать лес по берегам озер и рек, заниматься разного рода браконьерством. Экологическое сознание даст возмож­ность сохранить среду для жизни будущих поколений.
9.2. Особенности эволюционных процессов в природе
Самоорганизация в неживой природе

В последние годы работами ряда авторов и, прежде всего И. Пригожина и П. Гленсдорфа, была развита термодинамика сильно неравновесных систем, в которых связь между термодинамическими потоками и силами перестает быть линейной, а также не выполняются соотношения взаимности Онсагера. Это новое, далеко еще не завершенное физическое учение, получившее название нелинейной, неравновесной термодинамики, приводит к возможности спонтанного возникновения упорядоченных структур в различных сильно неравновесных открытых системах, т.е. к процессу их самоорганизации. Отдельные примеры подобных процессов были известны сравнительно давно: образование ячеистых структур Бенара в неоднородно нагретом горизонтальном слое жидкости, возникновение турбулентности, вихрей и т.д.

Общим во всех явлениях образования упорядоченных структур при необратимых процессах в сильно неравновесных открытых систе­мах является совместное (кооперативное) движение больших групп молекул. Немецкий ученый Г. Хакен предложил для таких процессов самоорганизации общий термин «синергетика» (от греч. – совместное, или кооперативное, действие). Физическая природа синергетики состоит в том, что в нелинейной области, вдали от равновесного состояния система теряет устойчивость и малые флуктуации, возрастающие до больших масштабов, приводят к новому режиму – совокупному движению многих частиц.

Установление факта самоорганизации в сильно неравновесных системах имеет важнейшее значение для физики, химии и особенно для биологии. Дело в том, что живые организмы и их различные органы представляют собой весьма неравновесные макросистемы, в которых существуют большие градиенты концентраций химических веществ, температур, давлений, электрических потенциалов.

Это также имеет большое мировоззренческое значение, поскольку позволяет объяснить стройную организацию окружающего нас мира природы. Синергетика показывает, как законы природы приводят к появлению определенного порядка в неупорядоченных системах, «порядка из хаоса», а затем – к усложнению и развитию образовавшихся упорядоченных структур.

Немецкий физико-химик М. Эйген показал, как в сложных, сильно неравновесных системах может реализоваться механизм управ­ления самовоспроизведением образовавшихся структур. Развитие нелинейной термодинамики позволяет высказать весьма правдоподобную гипотезу о том, как с точки зрения физики могла возникнуть жизнь.

Нелинейная термодинамика коренным образом изменяет статус второго закона (начала) термодинамики. Действительно, этот закон определяет не только разрушение структур при необратимых про–цессах вблизи равновесного состояния, но и возникновение структур при необратимых процессах открытой системы вдали от равновесия. Отражая необратимость всех реальных процессов, второе начало, та­ким образом, выражает закон развития природы. Подобное понима­ние второго начала термодинамики снимает кажущееся противоречие между законом возрастания энтропии и беспорядка в замкнутой системе и теорией эволюции Дарвина о возникновении все более сложных самовоспроизводящихся структур в живой природе.

Живая система является открытой, поскольку вместе с внешней средой она образует замкнутую систему, энтропия которой также воз­растает при усложнении живой природы. В данном случае речь идет об установленном П. Гленсдорфом и И. Пригожиным универсальном критерии эволюции, который является обобщением принципа мини­мального производства энтропии. Рассматривая зависимость скоро­сти производства энтропии от двух факторов: изменения термодина­мических сил и изменения потоков, Гленсдорф и Пригожин обобщили принцип минимального производства энтропии, который называется универсальным критерием эволюции Гленсдорфа – Пригожина.

Согласно данному критерию, в любой неравновесной систе­ме с фиксированными граничными условиями процессы идут так, что скорость изменения производства энтропии, обусловленная из­менением термодинамических сил, уменьшается и стремится к нулю. Это приводит к возникновению упорядоченных структур

Упорядоченные структуры, возникающие, согласно критерию Гленсдорфа – Пригожина, при необратимых процессах в открытых системах вдали от равновесия в нелинейной области, когда параметры систем превышают определенные критические значения, И. Пригожин назвал диссипативными структурами.

Существуют пространственные, временные и пространственно-временные диссипативные структуры.

Пространственные диссипативные структуры. Простейшим примером пространственныx структур являются ячейки Бенара, обнаруженные им в 1900 г. Если горизонтальный слой жидкости сильно подогреть снизу, то между нижней и верхней поверхностями возникнет разность температур ΔТ= Т₁– Т₂ > 0. При малой разности температур ниже некоторого критического значения подводимое снизу количество теплоты распространяется вверх путем теплопроводности и жидкость остается неподвижной. Однако при разности температур выше критического значения в жидкости начинается кон­векция: холодная жидкость опускается вниз, а нагретая поднимается вверх. Распределение двух противоположно направленных потоков оказывается самоорганизованным, в результате чего возникает систе­ма правильных шестиугольных ячеек.

По краям каждой ячейки жидкость опускается вниз, а в центре – поднимается вверх. Зависимость полного теплового потока в единицу времени от нижней поверхности к верхней от разности температур имеет вид ячеек Бенара.

При ΔТ > ΔТ_кр, состояние неподвижной теплопроводящей жидкости становится неустойчивым, и вместо него наступает устойчивый режим в виде конвекционных ячеек Бенара. Обусловлено это тем, что при большой разности температур покоящаяся жидкость уже не обеспечивает перенос возросшего количества теплоты, и поэтому устанавливается новый, конвекционный режим. При переходе от до-критического к сверхкритическому режиму спонтанно меняется симметрия системы, что аналогично термодинамическим фазовым переходам. Поэтому переходы в неравновесных системах часто называют кинетическими фазовыми переходами.

Временные диссипативные структуры. Примером временной дисси-пативной структуры является химическая система, в которой протека­ет так называемая реакция Белоусова – Жаботинского. Если система отклонилась от равновесия, но остается к нему близкой, то возвраще­ние к равновесию происходит плавно, без колебаний по экспоненци­альному закону. Если речь идет о стационарном состоянии, близком к равновесному, то отклонившаяся от стационарного состояния система возвращается в равновесное состояние по тому же закону. Но вдали от равновесия, как мы видели, возникают диссипативные пространственные и временные структуры, т.е. неравновесный порядок. В ряде случаев неравновесный порядок может состоять в появлении колебаний и волн. Это особенно эффектно выглядит в химических диссипативных системах.

В 1910 г. А. Лотка выполнил важную теоретическую работу, в которой показал, что в открытой химической системе, далекой от равновесия, возможны колебания концентраций реагентов. В 1921 г. Брей впервые наблюдал периодическую химическую реакцию в растворе перекиси водорода Н₂О₂, йодноватой кислоты НIO₃ и серной кислоты H₂SO₄. В реакции происходило периодическое выделение и поглощение йода (соответственно в восстановительной и окислительной реакциях):

5Н₂О₂ + 2НIO₃ → 5О₂ + I₂ + 6Н₂О

5Н₂О₂ + I₂ → 2НIO₃ + 4Н₂О

Но наиболее удивительное явление – возникновение периодического изменения окраски химического раствора – наблюдал Б.Н. Белоусов в 1951 г. В смеси лимонной кислоты, бромата калия КВrO₃ и сульфата церия Ce (SO₄)₂, растворенной в разбавленной серной кислоте, наблю­далось строго периодическое изменение цвета жидкости с красного на синий. Колебания окраски происходили с периодом около 4 мин и продолжались до тех пор, пока не израсходовались все реагенты, т.е. пока система далека от термодинамического равновесия. В указанном явлении, по сути, проявлялось существование химических часов.

Существуют также другие нелинейные химические реакции, идущие в тонких слоях, которые приводят к образованию пространственно-временных структур, имеющих вид кольцевых или спиральных волн. Возникновение подобных структур в нелинейных химических реакциях связано с локальными флуктуациями концентраций и диффузией реагентов.

Очевидно, что в живой природе процессы самоорганизации проте­кают значительно сложнее, чем в неживой. Сегодня ясно, что в основе многих биологических явлений находится физика открытых систем, далеких от равновесия.
Самоорганизация в живой природе

В 1952 г. вышла работа А. Тьюринга «О химической основе морфо­генеза». Морфогенезом называется возникновение и развитие структу­ры живого организма в ходе его эмбриогенеза.

Сейчас доказано, что морфогенез в природе определяется взаимодействиями молекул и что некоторые вещества-морфогены, функционирующие в определенных местах организма в определенные моменты, ответственны за структурообразование. Тьюринг показал, что сопряжение автокаталитической химической реакции с диффузией ведет к оттоку энтропии из системы и возникновению пространственной и временной упорядоченности.

Живой организм – чрезвычайно сложная химическая машина, функционирующая при постоянных температуре и давлении. Источники энергии, необходимые для выполнения многообразных видов работ, в данном случае являются не тепловыми, а химическими. Энер­гия запасается прежде всего в АТФ.

В живом организме кодирование и передача информационных сигналов в конечном счете всегда осуществляется химическими способами. Сигналами, сообщениями в организме служат молекулы и ионы, источниками, преобразователями и рецепторами сигналов – молекулярные системы. Так, например, белок – фермент, являющийся катализатором определенной биохимической реакции, есть преобразователь сигнала. Он катализирует превращение одних сигнальных молекул в другие.

Любые виды работы могут производиться термодинамической системой только при условии, что имеются различия в параметрах, ответственных за действующие силы. В живом организме все определяется разностями концентраций химических веществ или разностями химических потенциалов. Организм живет на основе тонких и точных химических балансов. Особо важную роль в жизнедеятельности играет сопряжение химических реакций с процессами диффузии. Для созда­ния разности концентраций ионов внутри и вне клеток также исполь­зуется энергия молекул АТФ.

В настоящее время синергетика и физика диссипативных систем объединились с химией и биологией, раскрыв смысл биологическо­го упорядочения и биологического развития. Современная наука уже достаточно хорошо понимает физические основы жизни, физические основы функционирования клеток и организмов, хотя исследования ряда принципиальных вопросов теоретической биологии и биофизики находятся еще в начальной стадии.

Жизнь существует постольку, поскольку существует энтропия, экспорт которой во внешнюю среду поддерживает биологические про­цессы на всех уровнях – от клеток до биосферы в целом.

Элементы теории бифуркаций. Эволюционный процесс математически описывается векторным полем в фазовом пространстве (абстрактном пространстве с числом измерений, равным числу переменных, характеризующих состояние системы). Точка фазового пространства задает состояние системы. Приложенный в этой точке вектор указыва­ет скорость изменения состояния. В случае затухания фазовые траек­тории при любых начальных значениях оканчиваются в одной точке, которая соответствует покою. В таких точках вектор может обращать­ся в нуль. Эти точки называют положениями равновесия (состояние не меняется с течением времени). Фазовые траектории создают складки внутри фазового пространства. Область фазового пространства, заполненного хаотическими траекториями, называется странными аттракторами.

Важнейшим свойством странных аттракторов является фрактальность. Фракталы – это объекты, проявляющие по мере увеличения все большее число деталей. Хаос порождает фракталы, а фазовая тра­ектория фракталов обладает самоподобием, т.е. при выделении двух близких точек на фазовой траектории фрактала и последующем увеличении масштаба траектория между этими точками окажется столь же хаотичной, что и вся в целом. Введение фрактальных множеств по­зволяет объяснить и предсказать многие явления в самых различных областях.

Математические образы теории катастроф реализуются в волновых полях. Геометрическое место точек, в которых происходит фокусиров­ка волнового поля, называется в оптике каустикой. При пересечении каустик происходит скачкообразное изменение состояния системы. Момент перехода определяется свойствами системы и уровнем флуктуации в ней. При переходе выделяют два принципа: принцип максимального промедления, определяемый существованием устойчивого уровня, и принцип Максвелла, определяющий состояние системы глобальным минимумом.

Последовательность бифуркаций, возникающая при углублении неравновесности в системе, меняется, и процесс пойдет по разным сценариям (например, переход от ламинарного течения к турбулентному). После прохождения параметра через бифуркационное значение, соответствующее рождению цикла или мягкому возникновению автоколебаний, система остается в окрестности неустойчивого состоя­ния некоторое время, за которое параметр меняется на конечную ве­личину. После этого система скачком переходит в момент бифуркации в автоколебательный режим (уже ставший жестким).

Системы, описывающие реальные эволюционные процессы, как правило, общего положения. Действительно, такая система всегда зависит от параметров, которые никогда не известны точно. Управление без обратной связи всегда приводит к катастрофам: важно, чтобы лица и организации, принимающие ответственные решения, лично мате­риально зависели от последствий этих решений.

Трудность проблемы перестройки связана с ее нелинейностью. Привычные методы управления, при которых результаты пропорциональны усилиям, тут не действуют, и нужно вырабатывать специфически нелинейную интуицию, основанную порой на парадоксальных выводах нелинейной теории колебаний

Вот некоторые качественные простейшие выводы из математической теории перестроек применительно к нелинейной системе, находящейся в установившемся устойчивом состоянии, признанном плохим, поскольку в пределах видимости имеется лучшее, предпочтительное устойчивое состояние системы.

1. 
   Постепенное движение в сторону лучшего состояния сразу же приводит к ухудшению. Скорость ухудшения при равномерном движении к лучшему состоянию увеличивается.
   
2. 
   По мере движения от худшего состояния к лучшему сопротивление системы изменению ее состояния растет.
   
3. 
   Максимум сопротивления достигается раньше, чем самое плохое состояние, через которое нужно пройти для достижения лучшего состояния. После прохождения максимума сопротивления состояние продолжает ухудшаться.
   
4. 
   По мере приближения к самому плохому состоянию на пути перестройки сопротивление с некоторого момента начинает уменьшаться, и, как только самое плохое состояние пройдено, не только полностью исчезает сопротивление, но и система начинает притягиваться к лучшему состоянию.
   
5. 
   Величина ухудшения, необходимого для перехода в лучшее состояние, сравнима с финальным улучшением и увеличивается по мере совершенствования системы. Слабо развитая система может перейти в лучшее состояние почти без предварительного ухудшения, в то вре­мя как развитая система в силу своей устойчивости на такое постепен­ное, непрерывное улучшение не способна.
   
6. 
   Если систему удается сразу, скачком, а не непрерывно перевести из плохого устойчивого состояния достаточно близко к хорошему, то дальше она сама собой будет эволюционировать в сторону хорошего состояния.
   

Без теории перестроек сознательное управление сложными и плохо известными нелинейными системами практически невозможно. Пренебрежение законами природы и общества (будь то закон тяготения, закон стоимости или необходимость обратной связи), падение компе­тентности специалистов и отсутствие личной ответственности за принимаемые решения рано или поздно приводит к катастрофе.

Исследованием поведения неравновесных систем в точках потери устойчивости или переходов из одной формы самоорганизации в дру­гую занимается теория бифуркаций или, как ее еще называют, теория катастроф.

Слово «бифуркация» означает раздвоение и употребляется в ши­роком смысле для обозначения всевозможных качественных пере­строек или метаморфоз различных объектов при плавном изменении параметров, от которых они зависят. Катастрофами называют скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. В результате катастрофы-взрыва система может не только скачкообразно изменить свое состояние, но и разрушиться.

Теория бифуркаций описывает поведение не только простых, но и очень сложных систем, в частности таких, как социальные, экономические. Событийное прочтение бифуркации таково: в данной точке система как бы обретает новую форму, новую структуру.
Принципы универсального эволюционизма

Принцип универсального эволюционизма – одна из доминирующих современных концепций в науке. Сформировавшийся вначале как результат обобщения естественно-научных знаний, он стал постепенно носить общенаучный характер. Сейчас этот принцип включает изучение не только окружающего нас мира природы, но и человеческого общества.

Первая эволюционная теория, созданная в середине XIX в. Ч. Дарвином, касалась только эволюции в биологии. Затем в XX в., по мере изучения природы на всех уровнях организации материи, выяснилось, что каждому уровню присущи эволюционные процессы, приводящие к развитию и совершенствованию всех форм материального мира. В микромире это эволюционное формирование первичного элементного состава вещества в результате термоядерного синтеза, последовательное образование в природе всех элементов таблицы Д.И. Менделеева. В микромире установлены также процессы самоорганизации и эволюции химических молекулярных систем.

На макроуровне обнаружен и исследован целый ряд эволюционно развивающихся неживых систем, повышающих уровень организации. В живой природе развитие органического мира происходит в соответ­ствии с эволюционной теорией Ч. Дарвина.

В мегамире процессы определяются эволюционной теорией расширяющейся Вселенной. История развития Земли, последовательность образования геосферных оболочек в настоящее время также рассматриваются на основе эволюционной теории.

Все перечисленные частные эволюционные теории приводят к утверждению и обоснованию всеобщей концепции универсального эволюционизма.

Наиболее полная формулировка идей глобального эволюционизма принадлежит Н.Н. Моисееву и может быть представлена следующим образом.

1. 
   Вселенная – единая саморазвивающаяся система. Это утверж­дение позволяет интерпретировать все процессы развития в качестве составляющих единого мирового эволюционного процесса, процесса развития «Суперсистемы Вселенная».
   
2. 
   Во всех процессах, имеющихся во Вселенной, неизбежно при­сутствуют случайные факторы, влияющие на их развитие, и все эти процессы протекают в условиях некоторого уровня неопределенно­сти. Случайность и неопределенность – факторы не эквивалентные, но их действие имеет последствия, в равной степени непредсказуемые, поэтому они находятся вне нашего контроля. Приходится постулировать отсутствие тождественно протекающих процессов: есть лишь похожесть, близость, но не тождественность.
   
3. 
   Во Вселенной властвует наследственность: настоящее и будущее зависят от прошлого.
   
4. 
   В мире повелевают законы, являющиеся принципами отбора. Они выделяют из возможных виртуальных, мысленных состояний некоторое множество допустимых. Заметим, что последние три эмпирических обобщения по существу совпадают с дарвиновской триадой: изменчивость, наследственность, отбор.
   
5. 
   Принципы отбора допускают существование бифуркационных состояний, трактуемых Пуанкаре, из которых даже в отсутствие стохастических факторов возможен переход материального объекта в целое множество новых состояний. В бифуркационном состоянии дальнейшая эволюция оказывается принципиально непредсказуемой, поскольку новое русло эволюционного развития будет определяться прежде всего теми неконтролируемыми случайными факторами, которые будут действовать в момент (точнее, в период) перехода.
   

Универсальный эволюционизм есть попытка построения общепланетарной теории исследования природных процессов. Процесс самоорганизации природных систем заключается в обретении ими все более и более совершенного динамического равновесия с окружа­ющей средой. Стержнем глобального эволюционизма является онтологическая схема, отражающая сквозную линию развития от низших форм движения к высшим. Человек вписывается в эту схему развития как бы изнутри и снаружи: с одной стороны, он совершенно естественный ее элемент, а с дру­гой – сторонний наблюдатель, способный оценивать происходящие события.
Структурность и целостность в природе

Важнейшими атрибутами природы является структурность и целостность. Они выражают упорядоченность ее существования и те конкретные формы, в которых она проявляется. Структура природы проявляется в существовании бесконечного многообразия целостных систем, связанных между собой. Из всего многообразия форм объ­ективной реальности доступной для наблюдения является конечная область природы от 10^-15 см до 10²⁸ см (около 20 млрд. световых лет), а во времени – до 10¹⁰ лет. В этих масштабах структурность природы проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем: Метагалактика, отдельная галактика, звездная система, планета, отдельные тела, моле­кулы, атомы, элементарные частицы и др.

Разные уровни природы характеризуются разными типами взаимодействий. В масштабах 10^-15 см – сильное взаимодействие, целостность ядра обеспечивается ядерными силами, целостность атомов и молекул – электромагнитными силами, в космических масштабах – гравитационными силами.

С увеличением размеров объектов уменьшается энергия взаимодей­ствия. Если принять энергию гравитационного взаимодействия за еди­ницу, то электромагнитные взаимодействия в атоме будут в 10³⁹ раз больше, а взаимодействия между нуклонами – в 10⁴¹ раз больше. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.

Живая природа также структурирована. В ней выделяются биологический и социальный уровни. Биологический уровень включает подуровни: молекул (нуклеиновые кислоты, ДНК, РНК, белки и др.) клеточный, микроорганический; органов и тканей, организма в целом; популяционный; биоценозный; биосферный.

Система – это внутренне (или внешне) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям. Слово «целостность» появляется в определении «системы» как ее существенное свойство. Интуитивно оно воспри­нимается также и в качестве интегрирующего. Следовательно, у этого понятия есть двойная роль, двойная функция: аспектная и интегральная. Как их совместить? В рациональном мире работают научные методы, в эмоциональном действуют чувства. Начинаются они обычно в рациональной области, затем устремляются за предметом в область интуиции и там угасают, не в силах адекватно описать это понятие языком науки. Формализовать удавалось лишь какие-то следствия, эффекты, проявления целостности, и это были уже безжизненные схемы. (Ф.И. Тютчев: «Мысль изреченная есть ложь»). Настроение безнадеж­ности сильнее всего передал, пожалуй, А. Бергсон: «Действительность есть вечное становление, порыв, изменение, творчество, насилуемое формами мышления...» Формы эти старательно классифицируются, создавая нам разнообразие «научных картин». Мы, таким образом, обречены на «оформленность».

Будучи субстанциальным аспектом системы, целостность должна постигаться интуитивно. Постараемся напрячь нашу интуицию, развивая представление о целостности. При взгляде на объект извне это понятие ассоциируется с обособленностью, самостоятельностью, замкнутостью. Если же смотреть изнутри, то это слово обретает смысл лишь тогда, когда появляется представление о внешнем, т.е. при наличии открытости (через двери, окна, форточки). Таким образом, це­лостность соединяет в себе противоположные свойства (замкнутость и открытость), которые должны находиться в соотношении дополнительности, не отдавая друг другу полной победы. Прекрасно сказал Гёте: «Когда целое вполне обнаруживает себя, оно указывает на все остальное, и в этом понимании лежит величайшее дерзновение и ве­личайшее смирение».

В процессе перестройки мышления на новую парадигму понятие целостности «сражается» с понятием полноты. На первый взгляд эти понятия близкие, родственные. Но уточнение их разводит. Стремление к полноте – вектор стратегии научного поиска в рамках прежней парадигмы. А целостная картина – всего лишь предварительный, приблизительный, эвристический этап, подлежащий преодолению на пути к полному знанию. Но при достижении полноты описания какого-либо объекта происходит остановка в его развитии, конец жизни, умирание. Идеал оборачивается гибелью. Этот парадокс повсеместно встречается как в сказках, так и в судьбах и многократно описывался.

Принципиальная невозможность полного описания целостности связана также с непрерывным изменением мира. П. Г. Светлов в письме к А. А. Любищеву писал: «История есть продолжение сотворения мира и тем самым истина нам еще далеко не открыта полностью... Мнение, что вся истина нам открыта и мы обладаем всем, что нужно для нашего спасения, а, следовательно, и беспокоиться больше не о чем, – одно из основных положений православного богословия, но это составляет предмет моего большого сожаления».

Полнота достигается фактически только на моделях. Итак, стремясь к целостности, надо отказываться от полноты. Чтобы лучше это понять, обратимся еще к жанру исповеди, классические образцы которой дали Блаженный Августин, Ж.Ж. Руссо, Л.Н. Толстой. Идеал совершенства, чистоты, полноты предписывает стремление к предельной искренности, без оглядки на цензора, зрителя, внешний суд. Идеал хорош до тех пор, пока мы не слишком к нему близки.

В естествознании ученые всегда стремились к созданию идеальных моделей, которые на первый взгляд подкупают своей полнотой, совершенством, целостностью, непротиворечивостью. Однако применение к моделям научного принципа фальсификации может при сильной доказательной логике разрушить практически любую модель, т.е. возможность фальсификации, опровержения знаний отличает научную теорию от ненаучной. Поэтому нельзя полностью доверять моделям, поскольку полнота достижима только на них. Об этом же гласит теоре­ма К. Гёделя – о невозможности полной формализации знаний.

Ранее отмечалось, что целостность пропадает, когда нарушается соразмерность – компонент системной триады, когда некоторые из них увядают. Но в сильной триаде возможна регенерация ослабевших свойств, восстановление их через другие компоненты, так что каждый компонент способен являть целое.

Тяга к целостности есть тяга к жизни. Любопытно в этом плане на­блюдение, которое сделал художник К.С. Петров-Водкин, исследуя триаду основных цветов «желтый – красный – синий». Он заинтересовался тем, что «у цвета имеется свойство не выбиваться из трехцветия, дающего в сумме белый цвет, т.е. свет. Благодаря этому свойству сложный, двойной цвет вызывает по соседству нехватающий ему для образования трехцветия дополнительный». В качестве примера он называет зеленый луч заката, синюю ночь у костра, красную дорожку на лугу. Это стихийное стремление к гармонии целого через мираж до­полнения является свойством и человеческой психики. Действительно, скорее всего по той же закономерности мы в истине хотим видеть добро и красоту, в любви обретаем надежду и веру, в правде чувствуем отблеск радости и пользы.

Природная тяга к целостности заставляет человека совершать поступки, трудно объяснимые с рутинных позиций. Тоскующая душа ищет выхода к гармонии, к счастью, к слиянию с мировой душой. Осознавая эту закономерность, можно говорить о путях восхождения, раз­личая исходные позиции по аспектам системной триады.

Вырастая из прежней парадигмы, приходится преодолевать хронический рациональный уклон. Но как? Возможный путь – отказ от метода отрицания. Отучиться отвергать с порога непонятное, отвыкнуть от подозрительности к новому, перестать видеть в инакомыслящем врага. Пора осваивать принцип приятия: признание – сочувствие – доверие.
Принципы целостности современного естествознания

В настоящее время бурно развивается философия науки, которая существенно отличается от естествознания и по своим целям, и по методам исследования. Философия науки стремится к некоторому синтетическому взгляду на окружающий нас мир. Она включает в себя эпистемологию, методологию науки (в широком и узком смысле) и социологию научного познания, синергетическую онтологию.

Естественно-научное мировоззрение опирается, прежде всего, на основные принципы естествознания. По степени общности можно в первую очередь выделить принципы инвариантности, относительности, дополнительности, вариационные принципы. Затем следует выделить принципы сохранения энергии, необратимости, симметрии, инерции, дальнодействия, близкодействия и некоторые другие. Отме­тим наиболее важные идеи, связанные с формулировкой самых общих принципов природы, а именно идеи инвариантности, относительности и дополнительности.

Инвариантность. Категория инвариантности тесно связана с проблемой соотношения между относительной истиной и абсолютной. Если справедливость утверждения не зависит от системы отсчета, то такое утверждение называется инвариантным. В связи с таким расширением понятия инвариантности можно сделать один парадоксальный вывод: всякое абсолютное – относительно, а всякое относительное – абсолютно. Инвариантность связана с симметрией и законами сохранения. Если речь идет о зеркальном отражении, то слово «инвариантность» заменяют словом «симметрия». Законы сохранения являются формой выражения принципов инвариантности. Инвариантность к смещению системы отсчета выражает собой закон сохранения энергии – для смещения во времени, закон сохранения импульса – для смещения в пространстве, закон сохранения момента импульса – для поворота в про­странстве.

Относительность. Принципы относительности связаны с принципами инвариантности. Согласно специальной теории относительности А. Эйнштейна, законы классической механики инвариантны относительно перехода от одних инерциальных систем отсчета к дру­гим и все механические процессы протекают совершенно одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Другими словами, все инерциальные системы отсчета равноправны с позиций механики; нет ни одной избранной, которую можно было бы предпочесть другой на том основании, что какой-то механический опыт в ней возникает иначе, чем в других инерциальных системах отсчета.

Дополнительность. Принцип дополнительности, несмотря на его исключительную важность в науке, разработан недостаточно. Этот принцип трактуется либо как синоним соотношений неопределенности, либо как логически и исторически вытекающий из него.

Датский физик-теоретик Н. Бор ввел «дополнительность» как прин­цип, согласно которому некоторые понятия в физике являются не­совместимыми и должны восприниматься только как дополняющие друг друга. Соотношение неопределенностей представляет собой количественное выражение этого принципа.

Закономерностью развития естествознания является непрерывно-дискретный характер его развития. Скачкообразный ход развития нау­ки при решении актуальных проблем характеризуется сменой типов научной рациональности. В истории современного естествознания можно классифицировать глобальные естественно-научные революции: аристотелевская, ньютоновская, эйнштейновская, пригожинская.
9.3. Синергетика как наука о самоорганизации. Закономерности самоорганизации. Генезис синергетики. Моделирование самоорганизующихся процессов в природе и обществе