Иерархия живой материи

Глава 4. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

Развитие  – это необратимое, направленное, закономерное изменение материи  и сознания, их универсальное свойство; в результате развития возникает  новое качественное состояние объекта  – его состава или структуры. Развитие – всеобщий принцип объяснения природы, общества и познания, как  исторически протекающих событий.

Различают две  формы развития, между которыми существует диалектическая связь: эволюционную, связанную  с постепенными количественными  изменениями объекта (эволюция), и  революционную, характеризующуюся  качественными изменениями в  структуре объекта (революция). Выделяют прогрессивную, восходящую линию развития (прогресс) и регрессивную, нисходящую линию (регресс). Прогресс – направленное развитие, для которого характерен переход от низшего к высшему, от менее совершенного к более совершенному.

Развитие, как  бы повторяет уже пройденные ступени, но повторяет их иначе, на более высокой  базе, так сказать, по спирали, а не по прямой линии; развитие скачкообразное, катастрофическое, революционное превращение  количества в качество; внутренние импульсы к развитию, даваемые противоречием, сталкиванием различных сил и  тенденций, действуют на данное тело или в пределах данного явления; непрерывная связь всех сторон каждого явления, связь, дающая единый, закономерный мировой процесс движения, – таковы некоторые черты диалектики, как более содержательного учения о развитии (А.К.Айламазян, Е.В.Стась).

Основной  особенностью, отличающей развитие от других динамических процессов, например, от процесса роста, является качественное изменение во времени переменных, характеризующих состояние развивающейся  системы (для процесса роста обычно говорят лишь о количественном изменении  этих переменных). Причем качественное изменение носит скачкообразный характер. Постепенное монотонное изменение  некоторого параметра в течение  заметного времени сопровождается соответствующим постепенным изменением состояния системы, но в определенный момент происходит разрыв постепенности: состояние системы меняется скачком, система переходит на новый качественный уровень, количество переходит в  качество. Затем повторяется все  заново, но уже на новом качественном уровне (А.И.Яблонский).

В изучении развития материи современной наукой сделаны  такие серьезные шаги, что сейчас можно с полным правом говорить о  превращении идеи развития, эволюции в норму научного мышления для  целого ряда областей знания.

Термин «эволюция» имеет несколько значений, однако чаще всего он используется как синоним  развития. Так, И.И.Шмальгаузен определяет эволюцию как закономерный процесс  исторического развития организма. Иногда термин «эволюция» используют в более узком смысле, понимая  ее как одну из форм развития, которая  противопоставляется революции.

Эволюция  и революция рассматриваются  как взаимообусловленные стороны  развития, выступая против абсолютизации  какой-либо из них. В любых процессах  развития естественно наличие чередующихся участков: эволюционных и революционных.

Эволюция  в широком смысле – представление  об изменениях в природе и в  обществе, их направленности, порядке, закономерностях; определенное состояние  какой-либо системы рассматривается  как результат более или менее  длительных изменений ее предшествовавшего  состояния; в более узком смысле – представление о медленном  постепенном количественном изменении.

Эволюция  в биологии – это необратимое  историческое развитие живой природы. Определяется изменчивостью, наследственностью  и естественным отбором организмов. Сопровождается приспособлением их к условиям существования, образованием видов, преобразованием биогеоценозов  и биосферы в целом.

Эволюционная  идея зародилась и развилась в XIX в. в качестве оппозиции представлению  о неизменности мира, но своего апогея она достигла в нашем столетии, и ее принятие можно считать достижением XX в.

В прошлом  веке идея неизменчивости органического мира нашла свое яркое выражение в лице Ж.Кювье. Кювье исходил из своей теории постоянства и неизменности видов и ее двух основных принципов – принципа корреляций и принципа условий существования. Неизменность вида входила, согласно Кювье, в организованность, упорядоченность природы. Его теорию катастроф, или смену фаун и флор, в данной органической области можно назвать теорией эволюции при неизменности видов, теорией нарушения гармонии природы только в результате катастрофических событий общеземного масштаба.

Теория типов, теория гармонии природы и теория неизменности видов прекрасно согласовались  друг с другом и составляли фундамент  естествознания первой половины XIX в.

Познавательная  ценность этих представлений об устойчивости органического мира была огромна. Представления  о неизменности видов легли в  основу их классификации. Теория типов  позволяла делать прогнозы. Гениальная эволюционная идея Ламарка, на полстолетия  опередившего свое время, не нашла отклика  отчасти потому, что, ополчившись  на постоянство вида, он направил свою полемику и против его реальности.

Ч.Дарвин впервые  обосновал эволюцию и убедил своих  современников именно потому, что  он сочетал признание реальности вида с научной теорией его  изменяемости.

В XX в. идею гармонии природы сменила идея эволюции. Принцип  гармонии природы, теория типов и  представление об устойчивости вида отодвинулись в сознании людей на задний план, а многим казались опровергнутыми. С течением времени, однако, полное обоснование эволюционной идеи породило свою противоположность. В науке XX в. вновь возродилась идея устойчивости. И с тем же благородным рвением, с каким человеческая мысль разрушала теорию типов и теорию неизменности видов, она устремилась на поиски механизмов поддержания устойчивости.

В.И.Вернадский сумел раскрыть на уровне биосферы в целом взаимодействие эволюционного  процесса и идеи устойчивости живой  природы. В 1928 г. В.И.Вернадский писал: «В геохимическом аспекте, входя как  часть в мало изменяющуюся, колеблющуюся около неизменного среднего состояния  биосферу, жизнь, взятая как целое, представляется устойчивой и неизменной в геологическом  времени. В сложной организованности биосферы происходили в пределах живого вещества только перегруппировки  химических элементов, а не коренные изменения их состава и количества – перегруппировки, не отражавшиеся на постоянстве и неизменности геологических  – в данном случае геохимических  процессов, в которых эти живые  вещества принимали участие.

Устойчивость  видовых форм в течение миллионов  лет, миллионов поколений, может, даже составляет самую характерную черту  живых форм».

По сложившемуся общему мнению, вершиной творчества Вернадского  является учение о биосфере и об эволюционном переходе ее под влиянием человеческого разума в новое  состояние – ноосферу: «Масса живого вещества, его энергия и степень  организованности в геологической  истории Земли непрерывно эволюционировали, никогда не возвращаясь в прежнее  состояние. Преобразования в поверхностной  оболочке планеты под влиянием деятельности человека стали естественным этапом этой эволюции. Вся биосфера, изменившись  коренным образом, должна перейти в  новое качественное состояние, сферу  действия человеческого разума».

Переводя  теорию Дарвина на язык кибернетики, И.И.Шмальгаузен показал, что само преобразование органических форм закономерно  осуществляется в рамках относительно стабильного механизма, лежащего на биогеоценотическом уровне организации  жизни и действующего по статистическому  принципу. Это и есть высший синтез идеи эволюции органических форм с идеей устойчивости и идеей постоянства геохимической функции жизни в биосфере. Так воедино оказались слитыми и вместе с тем поднятыми на новый современный уровень концепции Кювье, Дарвина, Вернадского.

Основные  направления поиска в эволюционной теории – это разработка целостных  концепций, более адекватно отражающих системный характер изучаемых явлений.

Общепризнанным  является тезис о движении как  атрибуте материи, и встает вопрос, можно ли считать атрибутом материи  развитие. Эти проблемы оживленно  дискутируются, и на сегодня общепризнанной точки зрения нет. Существует точка  зрения, что движение – более  общий момент, а развитие – частный  случай движения, т.е. развитие не является атрибутом материи. Другая точка  зрения настаивает на атрибутивном характере  развития. Решение вопроса об атрибутивном характере развития связано с  тем содержанием, которое вкладывается в понятие «развитие». Обычно выделяют три подхода:

– развитие как круговорот;

– развитие как необратимое качественное изменение;

– развитие как бесконечное движение от низшего к высшему.

Эти подходы  справедливы, когда речь идет не о  материи вообще, а о каком-либо материальном образовании.

К материи  в целом, материи как таковой  понятие развития приложимо, но не в том смысле, в каком мы говорим о развитии отдельных предметных областей. Материя как объективная реальность – это именно вся совокупность вещей и явлений окружающего нас мира. Она непрерывно развивается, и это развитие не означает ничего иного, кроме непрерывного развития всех ее конкретных проявлений. Материя есть предельно общая философская категория, а естествознание всегда имело и будет иметь дело с «материей на данном уровне проникновения в нее». Единственно известной нам материи мы сегодня можем приписывать развитие не только на основании общефилософских соображений, а и на основе достаточно апробированных естественнонаучных теорий.

Тезис о развитии как атрибуте материи до недавнего  времени трудно было согласовать  с данными естествознания, где  единственный закон, включающий направленность происходящих изменений, – это второе начало термодинамики, говорящее скорее о тенденции к деградации. Второе начало является одним из естественнонаучных выражений принципа развития, определяющим эволюцию материи. Поскольку принцип  увеличения энтропии отражает необратимость  всех реальных процессов и тем  самым означает необратимое изменение  всех известных форм материи, т.е. их переход в какие-то иные формы, для  которых уже будут недействительны  существующие законы, то его можно  считать естественнонаучным выражением философского принципа развития.

Второе начало имеет тот же статус, что и первое начало (закон сохранения энергии), и его действие не противоречит развитию Вселенной. Напротив, сам принцип  развития находит свое естественнонаучное обоснование во втором начале термодинамики. Принцип возрастания энтропии рассматривается  как одна из естественнонаучных конкретизаций  принципа развития, отражающая образование  новых материальных форм и структурных  уровней в неорганической природе.

Одной из фундаментальных  черт современного естествознания и  вместе с тем направлений его  диалектизации является все более глубокое и органичное проникновение в систему наук о природе эволюционных идей, которые неразрывно связаны с концепцией иерархии качественно своеобразных структурных уровней материальной организации, выступающих как ступени, этапы эволюции природных объектов. Если всего лишь несколько десятилетий назад исследования эволюционных процессов в различных областях естествознания были довольно слабо связаны между собой, то сейчас положение изменилось радикальным образом: выявляются контуры единого (в многообразии своих конкретных проявлений) процесса эволюции охваченных исследованиями областей природы.

Практика  современной научно-исследовательской  деятельности выдвигает новые задачи в понимании эволюционных процессов, поэтому формируется некий слой знаний, не имеющий статуса отдельной  науки, но составляющий важный компонент  культуры мышления современного ученого. Этот слой знания является как бы промежуточным  между философией, диалектикой как  общей теорией развития и конкретно-научными эволюционными концепциями, отражающими  специфические закономерности эволюции живых организмов, химических систем, земной коры, планет и звезд.

Можно, видимо, говорить о нескольких взаимосвязанных  и соподчиненных понятиях эволюции в рамках естественнонаучной картины  мира. Наиболее общим из них и  применимым практически в пределах всей доступной исследованию области  природы, неживой и живой, следует  считать понятие эволюции как  необратимого изменения структуры  природных объектов.

В классическом естествознании, и, прежде всего в  естествознании прошлого века, учение о принципах структурной организации  материи было представлено классическим атомизмом. Именно на атомизме замыкались теоретические обобщения, берущие  начало в каждой из наук. Идеи атомизма служили основой для синтеза  знаний и его своеобразной точкой опоры. В наши дни под воздействием бурного развития всех областей естествознания классический атомизм подвергается интенсивным преобразованиям. Наиболее существенными и широко значимыми  изменениями в наших представлениях о принципах структурной организации  материи являются те изменения, которые  выражаются в нынешнем развитии системных  представлений.

Общая схема  иерархического ступенчатого строения материи, связанная с признанием существования относительно самостоятельных  и устойчивых уровней, узловых точек  в ряду делений материи, сохраняет  свою силу и эвристические значения. Согласно этой схеме дискретные объекты  определенного уровня материи, вступая  в специфические взаимодействия, служат исходными при образовании  и развитии принципиально новых  типов объектов с иными свойствами и формами взаимодействия. При  этом большая устойчивость и самостоятельность  исходных, относительно элементарных объектов обусловливает повторяющиеся  и сохраняющиеся свойства, отношения  и закономерности объектов более  высокого уровня.

Это положение  едино для систем различной природы.

Любая сложная  система, возникшая в процессе эволюции по методу проб и ошибок, должна иметь  иерархическую организацию. Действительно, не имея возможности перебрать все  мыслимые соединения из нескольких элементов, а найдя научную комбинацию, размножает ее и использует – как целое  – в качестве элемента, который  можно полностью связать с  небольшим числом других таких же элементов. Так возникает иерархия. Это понятие играет огромную роль. Фактически всякая сложная система, как возникшая естественно, так  и созданная человеком, может  считаться организованной, только если она основана на некоей иерархии или  переплетении нескольких иерархий. Мы не знаем организованных систем, устроенных иначе.

Концептуальные  формы выражения идеи структурных  уровней материи многообразны. Определенное развитие идея уровней получила в  ходе анализа концептуального аппарата фундаментальных, относительно завершенных  физических теорий, теории эволюции живых  организмов.

Одна из актуальных проблем, которую ставит изучение иерархии структурных уровней природы, заключается  в поисках границ этой иерархии как  в мегамире, так и в микромире. Иерархичность уровней отражается в иерархичности классификационных понятий, характерных для описательных теорий различных наук. С наличием определенных уровней материи связано существование ряда самостоятельных научных дисциплин.

Уровни становятся такими спиралями только при всестороннем развитии преемственности, без которой  могут быть лишь хаотические смены  круговоротов изменений. Поэтому «развитие  развития» возможно только на основе обогащения форм преемственности, которая  позволяет в той или иной мере сохранять достигнутые преобразования, чтобы включать их в линии процессов  эволюции, а также онтогенеза. Возникновение  нового без преемственности обречено было бы каждый раз начинать развитие с «самого начала».

В ходе прогресса  число взаимосвязанных уровней  возрастает и объекты становятся все более многоуровневыми. Объекты каждой последующей ступени возникают и развиваются в результате объединения и дифференциации определенных множеств объектов предыдущей ступени. Системы становятся все более многоуровневыми. Сложность системы возрастает не только потому, что возрастает число уровней. Существенное значение приобретает развитие новых взаимосвязей между уровнями и со средой, общей для таких объектов и объединений. В этих взаимосвязях все большее значение получает информация.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Концепция классификации

До сих пор мы опирались в основном на признаки развития, изменения, движения, как  это обычно делает физика. При этом выделялась функция предметов или  явлений. Для того, чтобы не погрешить против истины, следует использовать также категорию, парную категории “функция”. Она носит название “структура”. При рассмотрении структуры важнейшей является концепция классификации.

Практически любой  науке на начальных этапах ее развития приходится упорядочивать накопленные  экспериментальные факты. Концепция  классификации была разработана  именно с этой целью. На протяжении многих лет эта концепция составляла основу биологии. Биология была наукой описательной, и основное свое внимание уделяла классификации живого. Классификация  также широко использовалась в химии. Для примера можно привести периодическую  систему элементов. В законченном  виде концепция классификации была сформулирована математикой.

Классификации могут  быть подвергнуты элементы какого-либо множества. Они называются объектами  классификации. Классифицируют по классификационному признаку. С использованием этого  признака объекты группируются в  классы.

В зависимости от выбора классификационного признака объекты  могут быть сгруппированы по-разному. Так, население нашей страны можно  группировать по национальному признаку, а можно по имущественному. Тогда, например, в класс неимущих попадут  люди различной национальности.

Классы  имеют иерархическую  структуру. Разбив множество на классы, можно любой из них разделить на подклассы, используя другой классификационный признак. Подклассы в свою очередь снова могут быть разделены на подклассы. Такое деление может производиться неограниченно. В результате получим дерево классов. Оно схематически изображено на рис. 6. Так, сформированный по национальному признаку класс русских может по имущественному признаку быть подразделен на подклассы бедных, богатых и людей умеренного достатка. Подкласс богатых в свою очередь можно подразделить по половому признаку на подклассы мужчин и женщин и т. д.

Существенным в  классификации является то, что класс  должен включать в себя все объекты, обладающие данным признаком классификации. Это свойство класса получило название “инкапсуляция”. Говорят, что класс  инкапсулирует в себе все элементы, обладающие данным признаком. Сформировав  класс “русские”, мы должны быть уверены, что никто из русских не был отнесен, например, к классу “немцы” и наоборот.

Кроме того, каждый класс  должен быть связан со всеми своими подклассами так, что каждый подкласс обладает свойствами породившего его  класса. Эта связь называется наследованием  свойств родительского класса. В  нашем предыдущем примере объекты  подкласса “женщины”, подкласса  “богатые”, класса “русские” наследуют  все признаки породивших их классов. Иначе говоря, они являются богатыми русскими женщинами.

Объекты любого класса или подкласса равноправны применительно  к классификационному признаку. Однако это не исключает их индивидуальных различий. Так, все объекты класса “русские” имеют одну и ту же национальность (классификационный  признак), но различаются по росту, весу, цвету глаз и многому другому. Наличие индивидуальных различий между  объектами класса называется полиморфизмом.

Неожиданное применение идея классификации получила в области  информационных технологий. Как известно, современные информационные технологии разрабатывают масштабные проекты. Так, трудозатраты на создание Windows 95 (проект “Чикаго”) составили около 500 человеко-лет. Программные пакеты создаются большими коллективами программистов. При этом встает вопрос совместимости программного кода, написанного различными программистами в рамках одного проекта. С этой целью используют методы классификации. Их программной реализацией стали так называемые объектно-ориентированные языки программирования.

Категория структуры в современном  естествознании

Объектом изучения большинства естественных наук являются материальные системы. Материальной системой называют относительно обособленную часть  материального мира, имеющую свои внутренние законы существования и  развития. Примерами материальной системы  могут служить Солнечная система, колония микроорганизмов, отдельный  атом, человечество и т. д.

Количество материальных систем, изучаемых естествознанием, огромно. Простейшим признаком их классификации  может служить размер этих систем.

Наименьшими известными сегодня являются так называемые элементарные частицы. Слово “элементарные” предполагает простоту этих частиц, их неразложимость на составляющие. В  настоящее время положение об элементарности каких бы то ни было природных объектов активно оспаривается. Поэтому все чаще как в популярной, так и в научной литературе для обозначения мельчайших природных объектов можно встретить термин “фундаментальные частицы”. Чтобы не создавать путаницу, мы по-прежнему будем пользоваться ставшим обиходным термином “элементарные частицы”, подразумевая при этом их возможную неэлементарность.

Долгое время науке  была известна только одна элементарная частица — электрон. На сегодняшний  день их открыты уже десятки. Такая  ситуация потребовала классификации  известных элементарных частиц. Трудности  с выбором подходящего классификационного признака при этом оказались почти  непреодолимыми. В качестве простейшего  классификационного признака, по аналогии тем, как это делалось в периодической  системе элементов, была выбрана  масса элементарных частиц. Такая  классификация оказалась не совсем удачной, однако, несмотря на свое несовершенство, часто используется и поныне.

По  массе элементарные частицы подразделяют на пять классов: фотоны, лептоны, мезоны, барионы  и гипероны.

Фотоны — световые частицы, не имеют массы покоя и классифицируются по энергии. Низкоэнергетические — составляют радиоизлучение. Фотоны средних энергий считают световыми. И, наконец, фотоны высоких энергий получили название гамма-квантов.

К классу лептонов относятся  легкие частицы. Их типичным представителем является электрон. Масса лептона  имеет величину порядка 10-30 кг.

Примерно в 200 раз  тяжелее лептонов представители  класса мезонов. Среди них наиболее известны пи-мезоны, ответственные  за внутриядерные взаимодействия.

В тысячи раз тяжелее  лептонов барионы — тяжелые частицы. Типичными представителями барионов являются протон и нейтрон — основные структурные единицы, составляющие атомное ядро.

Последний из классов  составляют гипероны. Это сверхтяжелые частицы, имеющие малые сроки  жизни. Сегодня они представляют интерес в основном для специалистов в области физики высоких энергий.

Следующий за элементарными  частицами структурный уровень  занимают атомные ядра. Роль этих неощутимо  маленьких материальных систем в  жизни современного общества трудно преувеличить, поэтому атомным ядрам  и связанным с ними проблемам  мы посвятим особое рассмотрение.

Атомные ядра входят в качестве составных частей в  элементы следующего структурного уровня организации материи. Он получил  название атомного. Атомы представляют собой основные структурные элементы, рассматриваемые современной химией. Они известны под названием химических элементов.

Идея первоэлементов — атомов — в естествознании не нова. Ее широко обсуждали еще  античные философы. Однако в прошлом  атомами называли минимальные качественно  неизменные составные части вещества. Сейчас мы называем такие части молекулами. Идея атомной структуры вещества настолько глубоко проникла в  нашу жизнь, что кажется невероятным  то, что всего двести — триста лет тому назад она с трудом пробивала себе дорогу в научном  сообществе.

Множество атомов весьма обширно. Предпринимались многочисленные попытки их классификации. Одна из них, предпринятая Д. И. Менделеевым, оказалась  особенно успешной. Он обнаружил, что  химические свойства элементов находятся  в периодической зависимости  от их атомного веса. Без преувеличения  можно сказать, что сделанное  им открытие заложило фундамент современной  химии.

Атомы объединяются в материальные системы следующего уровня, именуемые молекулами. Мир  молекул весьма многообразен и не имеет четких границ. Сюда относятся  как простейшие неорганические молекулы, так и органические макромолекулы.

Особенно ярко концепция  структурных закономерностей проявляется  в органической химии. Обнаружено существование  органических соединений, имеющих одинаковый химический состав, но различные свойства. Это различие обусловлено структурными особенностями таких соединений. В качестве примера можно привести два вида молекул синтетического сахара. Эти молекулы представляют собой зеркальные копии друг друга. В результате структурного различия различаются их оптические свойства.

Примечательно, что  природный сахар, равно как и  молекулы других природных органических соединений, содержит молекулы только одного из двух симметричных видов. Причина  этого до сих пор не выяснена.

Элементарные частицы, атомы и молекулы составляют особую материальную систему. Она получила название “микромир” в отличие  от макромира. Макромир — это мир  предметов, среди которых мы живем.

Внутри макромира  также можно выделить несколько  материальных систем. В основном их изучает биология и социальные науки.

Отдельные планеты  в силу их относительной обособленности также можно считать материальными  системами. Более высокий уровень  имеют планетные и звездные системы. Они объединяются в системы более  высокого уровня — галактики. И, наконец, известные нам галактики принято  считать частями материальной системы  наивысшего уровня — метагалактики. Мир планет, звезд, галактик получил  название “мегамир”.

Итак, среди материальных систем, рассматриваемых современным  естествознанием, выделяются микро-, макро- и мегамиры.

Макромир — это мир, в котором мы живем. Это мир окружающих нас предметов. Он включает в себя все от микроорганизмов до складок земной коры.

Микромир — включает в себя фундаментальные (элементарные) частицы, атомы и молекулы. В проблемах микромира современная наука ищет ключи к тайнам макромира. Похоже, что на смену Лапласовскому детерминизму постепенно приходит квантовый детерминизм — уверенность в том, что все явления макромира могут быть объяснены исходя из правильного понимания законов микромира. Здесь нелишне заметить, что микро- и макромиры представляют собой хотя и взаимосвязанные, но все-таки относительно независимые макроскопические системы.