Страница:
В первом темп эволюции был низким и завершился приобретением лишь одной пары ходильных ног, пригодной для перемещения по дну. Во втором темп эволюции - более высокий. У животных появляются антенны ("усики"). Они обеспечивают им высокую эффективность поиска пищи. К двухсотому временному шагу появилась тупиковая боковая линия эволюции: животные с телом, почти спрятанным в раковину. Они вымерли, не выдержав конкуренции с теми, которые обладали ходильными ногами. Третий вариант, как и первый, - с замедленным темпом, но с появлением ко времени Т = 200 двух пар антенн, через значительное время замененных клешнями. И наконец, четвертый характерен тем, что в нем на начальной стадии процесса появилось существенное количество малоподвижных форм, которые вымерли, не выдержав конкуренции со свободно передвигающимися. Те, кто в этом варианте выжил, вышли на сушу и имели не три, а четыре пары ходильных ног.
Несмотря на то что пока не удалось построить эволюционное дерево, а лишь одну его ветвь с очень небольшими, быстро отмирающими ответвлениями, эта работа показала реальную возможность имитации макроэво-люционного процесса уже на современной вычислительной машине. Стремительное развитие вычислительной техники служит залогом того, что в самом ближайшем будущем станет возможным модельное изучение эволюции гораздо более сложных биологических систем.
Так, совместно с доктором биологических наук Б. М. Медниковым нам удалось создать математическую модель эволюции позвоночных животных.
В начале программы, предложенной ЭВМ, в море обитало низшее позвоночное существо, похожее на современного ланцетника, - без черепа, мозга, заботы о потомстве. Предполагалось, что и море, и пресные воды, и суша имели соответствующий запас пищи: растений и членистоногих.
ЭВМ показала, что в результате изменений и отбора из существа, подобного ланцетнику, возникли рыбообразные с челюстями, с хрящевым, а затем и с костным скелетом. Некоторые из них имели панцирь. Те, кто из моря перешел в пресные воды, приобрели иной тип солевого обмена (морские виды в процессе обмена выводят соли, пресноводные - удерживают). По прошествии определенного времени в разнообразных моделях некоторые виды выходили из пресных вод на сушу. Они приобрели ходильные конечности, а в дальнейшем шерстный покров, становились теплокровными и живородящими. Через определенное количество временных шагов появились активные хищники, лишенные хвоста. Передние конечности у них высвободились для иных функций, и они ходили на двух ногах.
Таким образом, машина может проследить путь от ланцетника до австралопитека или какого-нибудь другого отдаленного предка человека. В принципе реально моделирование в машине и той эволюции, которая ведет к человеку. Однако пока машинной памяти недостаточно для того, чтобы имитировать процесс эволюции, который в действительности мог иметь место в биосфере. Лимитирует и ее быстродействие. Ведь для того чтобы произвести оценку всех особей и всех видов биосферы, требуется большое время. Безусловно, ЭВМ будущего, когда объем информации будет на порядок больше, а быстродействие увеличится до миллионной доли секунды, сможет имитировать любую ситуацию, вплоть до появления сознания.
ПОЯСНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕРМИНОВ
Белки - сложные высокомолекулярные вещества, содержащие углерод, водород, кислород, азот, а также обычно серу и фосфор. Один из главных видов химических соединений, имеющихся во всех клетках.
Брожение - расщепление какого-либо органического вещества при помощи ферментов: доставляет клетке энергию для других процессов.
Зрительный пурпур - родопсин - вещество, содержащееся в палочках светочувствительных клетках органов зрения большинства позвоночных.
Вирусы (от лат. "вирус" - яд) - формы значительно более мелкие, чем бактерии, едва превышающие размером некоторые крупные молекулы белков или нуклеиновых кислот. Вирусы можно фотографировать только при помощи электронного микроскопа.
Вирус табачной мозаики - был первым из открытых вирусов. Открытие принадлежит Д. И. Ивановскому (1892 г.). Табачная мозаика - болезнь листьев табака.
Гипоталамус - часть головного мозга, расположенная под зрительными буграми; от гипоталамуса на тонкой ножке свисает нижний мозговой придаток гипофиз. Гипоталамусу принадлежит основная роль в поддержании уровня обмена веществ, в регуляции деятельности пищеварительной, сердечно-сосудистой, эндокринной и других физиологических систем. Он связан большим числом нервных путей с выше- и нижележащими отделами центральной нервной системы. Передние отделы гипоталамуса регулируют поддержание относительного постоянства внутренней среды организма (го-меостаз).
Гипофиз - нижний мозговой придаток, одна из желез внутренней секреции, расположенная под головным мозгом, на основании черепа. Каждая из долей гипофиза (их различают три) выделяет в кровь различные специфические вещества - гормоны.
Каталитическая активность белков - способность белков быть катализаторами. Катализатор не вступает в реакцию и не расходуется во время ее, но регулирует ее скорость.
Мутации - любые наследственные изменения в хромосомах или генах, происходящие под влиянием внешней или внутренней среды. Понятие "мутация" резкое, скачкообразное изменение формы - было введено впервые голландским ботаником де Фризом. Мутагены - буквально: "вызывающие мутацию" - это вещества, способные реагировать с определенными основаниями в молекуле ДНК и изменять их свойства.
Нуклеиновые кислоты - органические молекулы-полимеры, построенные из нуклеотидов - сложных звеньев, состоящих из фосфатной группы, остатка углевода рибозы и азотистого основания.
Стрессовое состояние - состояние напряжения, вызванное необычной обстановкой, волнением, страхом, тревогой и т. п.
Ферменты - белковые катализаторы, синтезируемые живыми клетками. Они регулируют скорость и специфичность тысяч химических реакций, протекающих в клетке.
Филогенез - эволюционная история какой-либо группы организмов. Как правило, имеется в виду история развития какого-либо вида.
Цитология (от греч. "цитос" - клетка, "логос" - наука) - наука, изучающая строение, химический состав, процессы жизнедеятельности и размножения клеток.
Энтропия - физическая величина, характеризующая тепловое состояние тела или системы тел. При всех процессах, совершающихся в замкнутых системах, она или возрастает (необратимые процессы), или остается постоянной (обратимые процессы). Согласно второму закону термодинамики, все процессы в замкнутых системах совершаются таким образом, что энтропия систем увеличивается.
Вместо заключения
Б. М. Кедров,
Академик
О закономерностях развития естествознания
В развитии естествознания можно отметить одну важную закономерность: оно движется вперед не сплошным ровным фронтом, а выдвигая вперед попеременно то одну, то другую из своих отраслей в качестве ведущей, влияющей существенным образом на другие его отрасли и на все его развитие в целом. Такая отрасль науки, выдвинувшаяся вперед в данный период и определяющая собой развитие всех остальных ее отраслей, становится на время лидером всего научного прогресса. Она накладывает свой отпечаток на другие связанные с нею отрасли науки, сообщает им свои масштабы и критерии, передает выработанные ею понятия - словом, ведет их за собой и прокладывает путь для их дальнейшего развития.
Опыт истории естествознания показывает, что, после того как данная отрасль научного знания выполнит функцию лидера всего научного движения, она уступает ее целому комплексу, компактной группе отраслей науки. В итоге одиночный лидер сменяется групповым. По-видимому, роль одиночного лидера как раз и состоит в том, чтобы проложить путь для дальнейшего движения вперед всему естествознанию в целом.
Однако через какое-то время наступает такой момент, когда ситуация повторяется: снова возникает необходимость в том, чтобы одна какая-то вполне определенная отрасль науки выдвинулась резко вперед в качестве одиночного лидера и проложила бы путь для дальнейшего движения всем остальным отраслям естествознания. По выполнении этой ее функции вновь происходит смена одиночного лидера групповым, но уже на гораздо более высокой ступени научного развития.
Возникновение научного лидера и смена одиночного лидера групповым, а группового - снова одиночным придают своеобразный пульсирующий характер процессу развития естествознания. Это первая черта, свойственная процессу научного прогресса.
Вторая черта состоит в том, что процесс развития науки неуклонно ускоряется, а значит, убыстряется и переход ее с одной ступени на другую, более высокую. Соответственно этому быстрее сменяются и лидеры ее. Это означает, что время лидерствования одной отрасли науки или группы отраслей становится все короче, что все быстрее происходит переход от очередного одиночного лидера к сменяющему его групповому лидеру, а потом - к новому одиночному.
Третья черта процесса развития науки заключается в том, что выдвижение одиночного лидера происходит не случайным образом, а обусловливается двумя взаимосвязанными и взаимодействующими факторами: потребностями техники и вообще материальной общественно-исторической практики людей, во-первых, и внутренней логикой развития научного познания, потребностями развития самого естествознания, во-вторых. Именно совпадение тех и других запросов практики и самой науки - определяет, какая именно отрасль науки и в какой именно исторический период становится узловой, ведущей, обусловливающей своим состоянием и развитием движение всего естествознания, всех его отраслей на данный отрезок времени.
О запросах и потребностях практики я скажу дальше. Сейчас же хочется обратить внимание на тот факт, что в процессе познания всегда возникает задача выяснить природу более сложных явлений, связанных с более развитыми объектами природы, стоящими на более высоких ступенях ее развития, исходя из более простых явлений, связанных с менее сложными, менее развитыми объектами природы, стоящими на более низких ступенях ее развития. В идеале познание человека стремится найти самые простые, самые элементарные (при данных условиях, для данного уровня знаний) формы внешнего мира (природы), из которых можно было бы вывести и с помощью которых можно было бы объяснить (понять) остальные явления природы.
В пределах каждой отрасли знания существуют свои наиболее простые, элементарные формы изучаемого предмета, которые в силу своего абстрактного характера выступают как своего рода "клеточки" этого предмета. Если такая "клеточка" найдена, то уже можно ставить задачу раскрыть, как из нее в ходе последующего движения самого изучаемого предмета (и соответственно тех понятий, в которых этот предмет отображается) возникают более сложные его формы.
Именно так, по сути дела, ставится задача и по отношению ко всему естествознанию в целом: для того чтобы объяснить и понять, - а значит, изучить, исследовать - объекты природы, стоящие на различных уровнях сложности и развития, необходимо отыскать то, что лежит в их основе. Тогда изучение этой основы будет способствовать общему прогрессу науки, а та ее отрасль, которая эту основу изучает, сделается на время лидером всего естествознания.
Для иллюстрации сказанного обратимся к истории естествознания, а после попытаемся наметить - разумеется, весьма осторожно и условно - некоторые возможные перспективы. При этом будем все время помнить, что три основные "вехи" времени тут органически и закономерно связаны между собой: настоящее есть закономерное продолжение прошлого, а будущее - столь же закономерное продолжение настоящего и прошлого. Отсюда - возможность прогнозирования, основанного на точном учете и обобщении того, что дала история науки и что дает анализ ее современного состояния.
Хорошо известно, что первым лидером только что возникшего в качестве самостоятельной науки естествознания стала механика. Ее выдвижение в XVII XVIII вв. в роли лидера всего естествознания, которому она придала механический характер, было строго закономерно. Оно вытекало из отмеченного выше совпадения обоих факторов научного движения - материального (потребности техники и производства) и идеального (внутренней логики самого научного познания).
Производственная практика и техника в то время опирались в первую очередь на широкое использование механического движения, способов его передачи (рычаги, блоки и т. д.), механических инструментов и таких сложных механических устройств, как, например, часы и мельница. Ручной труд, мускульная сила человека и животных, а также использование стихийных "сил" природы (вода, ветер) - все это делало необходимым, с точки зрения интересов техники и производства того времени, всестороннее изучение именно механических явлений, открытие их законов.
В XVII в. возникло стремление сводить более сложные формы движения обязательно к механическому, которое якобы исчерпывает их без остатка. Такой подход к явлениям природы, сведение качества к количеству назвали механицизмом. Механицизм явился неправомерной экстраполяцией тех несомненных успехов, которые принесла с собой механика в бытность свою лидером естествознания, причем отголоски его дошли до наших дней. Но за столь явное преувеличение ее собственных возможностей сама механика, разумеется, не несет ответственности, как не отвечает кибернетика за то, что в наши дни некоторые чересчур рьяные ее поклонники объявили ее способной заменить собой полностью даже самого человека с его умственной деятельностью.
Успехи механики в XVII - XVIII вв. были связаны с тем, что она изучала реальную сторону реальных процессов природы - а именно их механическую сторону - и давала в руки ученых способы и средства осуществлять такую задачу. Средневековая схоластика, провозгласившая учение о скрытых качествах, о всякого рода таинственных и неуловимых субстанциях, мешала изучать действительные вещи и их свойства, не давала возможности двигаться человеку вперед в познании природы. Механика впервые позволила не на словах, а на деле раскрывать и познавать реальные стороны реальных вещей. Этим все естественнонаучное знание впервые ставилось на научную основу, поскольку во всех объектах природы, как бы сложны они ни были, имеется механическая сторона и, следовательно, их движение включает в себя так или иначе механическое движение.
К началу XIX в. механика выполнила свою функцию первого одиночного лидера естествознания. Теперь, развивая полученный от нее мощный толчок, рванулись вперед прежде всего химия (атомистика Дальтона, 1803 г.) и биология (эволюционное учение Ламарка, 1809 г.), затем геология (Лайель), органическая химия (начиная с синтеза Велера, 1828 г.), электрохимия (Дэви, Петров, начало века; особенно Фарадей, 30-е годы). Во второй трети XIX в. совершаются три великих открытия в естествознании: создается клеточная теория (Шлейден и Шванн), формулируется закон сохранения и превращения энергии (Майер), появляется эволюционная теория в биологии (Дарвин). Естествознание утрачивает свой первоначальный "механический" характер. Его лидером становится теперь вся совокупность его главных отраслей, в первую очередь химия, физика и биология.
Под знаком этого группового лидера идет научное развитие и в последней трети XIX в., начиная с создания Бутлеровым теории химического строения органических соединений (1861 г.) и открытия Менделеевым периодического закона (1869 г.) и кончая открытиями в области биологии (Мендель, 1865 г.), физики (Максвелл, Герц и др.) и созданием физической химии.
Срок одиночного лидерствования механики можно считать равным 200 годам, срок же для сменившего ее в XIX в. группового лидера оказался вдвое меньше - около 100 лет. Это свидетельствует о том, что процесс научного движения за это время ускорился по меньшей мере вдвое.
Здесь нет возможности более подробно проследить взаимодействие обоего рода факторов при выдвижении вперед всего комплекса естественных наук в XIX в. Укажу лишь на то, что к концу века все явственнее стала назревать необходимость проникновения физики в глубь атома, который до тех пор оставался не преодоленным еще наукой нижним пределом разложения вещества.
В самом конце XIX в. в физике, а через нее и во всем естествознании началась "новейшая революция", как ее назвал В. И. Ленин. Суть ее состояла в том, что наука перешагнула порог, на котором она остановилась в XIX в., порог микромира. Открытия лучей Рентгена (1895 г.), радиоактивности (1896 г.), электрона (1897 г.) и радия (1898 г.) положили начало коренному перевороту во взглядах на материю и ее строение, на ее считавшиеся неделимыми (мельчайшие) частицы - атомы.
Все эти и последовавшие в начале XX в. новые открытия (теория квантов, измерение давления света, теория радиоактивного распада, теория относительности с законом неразрывной связи массы и энергии и другие вплоть до создания Н. Бором в 1913 г. модели атома) носили четко выраженный физический характер. Физика, точнее, атомная и субатомная физика сделалась на этот раз очередным одиночным лидером естествознания. Ее прогресс стал накладывать свой отпечаток на все другие отрасли науки: на химию (учение о химической связи и о химическом сродстве), на макрофизику, астрономию, геологию, биологию. Достаточно назвать только два физических метода, вошедшие в биологические исследования и вызвавшие здесь глубокий переворот, чтобы понять, что в первой половине XX в., особенно во второй его четверти, физика действительно стала лидером всего естествознания.
Речь идет о создании электронного микроскопа и о введении способа "меченых атомов" (радиоактивных изотопов). Оба этих физических метода позволили перевести биологические исследования с клеточного уровня, на котором они велись в XIX в., на субклеточный, а затем и на молекулярный, открывая тем самым пути для изучения самых тонких, интимных сторон процессов жизнедеятельности.
Выдвижение микрофизики (атомной и субатомной) в качестве очередного одиночного лидера было опять-таки продиктовано совпадением запросов обоих факторов развития науки - материального (практики) и идеального (логики развития самого познания). По сути дела, на рубеже XIX и XX вв. стали складываться предпосылки грядущей научно-технической революции. Первым проявлением ее было практическое освоение атомной энергии в начале 40-х годов нашего века. Для того чтобы решить такого рода задачу, необходимо было предварительное широкое (фронтальное) изучение вновь открытого явления природы (радиоактивности), а затем и вообще ядерных превращений. Физика взяла на себя выполнение этой задачи, в решении которой была кровно заинтересована практика, столкнувшаяся с фактором существования нового мощного источника энергии. Без помощи физики практика не могла даже и мечтать подойти к его использованию.
С другой стороны, к этому вела логика развития самого научного познания: после открытия периодического закона химических элементов и создания теории электролитической диссоциации с ее центральным понятием иона (электрозаряженного осколка молекулы) наука вплотную подошла к тому, чтобы от сущности одного порядка (менее глубокой), когда познавались атомы и молекулы, перейти к сущности следующего, более глубокого порядка, проникнуть в глубь атомов, в их внутренние сферы. Благодаря этому только и могла быть раскрыта физическая причина найденной Менделеевым периодичности свойств химических элементов. Атомная и субатомная (в том числе и в особенности ядерная) физика стала, таким образом, узловым пунктом, в котором сошлись, совпали запросы практики и логики развития науки.
Это была область простейших из известных дотоле видов материи. Так как все более сложные образования материи - макрофизи-ческие, химические, геологические, биологические - должны возникать генетически и состоять структурно из этих простейших, элементарных физических видов материи, то их понимание и объяснение на современном уровне могло быть достигнуто только путем их рассмотрения, исходя из соответствующих физических представлений. На новый лад в XX в. повторилась та же ситуация, какая сложилась в естествознании XVII и XVIII вв., когда механика претендовала на то, чтобы давать ключ к истолкованию и изучению всех более сложных явлений природы. Только на этот раз в качестве простейших форм движения материи выступили уже не макромехани-ческие, а квантовомеханические и ядерно-физические.
Для решения задач практического освоения атомной энергии потребовались быстродействующие вычислительные устройства, так что зарождение ядерной энергетики, в свою очередь, стало стимулировать создание электронно-вычислительной техники. Отсюда выросла кибернетика. Сначала все это находилось лишь в зачаточной фазе, и только к концу 40-х годов нашего века произошли события, получившие наименование научно-технической революции, что было связано опять-таки с тем, что ранее существовавший и действовавший одиночный лидер в развитии естествознания - микрофизика сменился групповым. Это дало себя знать как быстрый рывок вперед целого комплекса естественных и технических наук, приведший к коренному перевороту в науке и технике.
Таким образом, развернулся второй цикл развития в истории естествознания. Причем на этот раз продолжительность лидерствова-ния микрофизики оказалась в 2 раза меньше, чем продолжительность лидерствования предшествующего ей группового лидера.
Подобно тому как на плечах механики вырвались вперед и стали быстро развиваться химия, физика, геология и биология в XIX в., так и в настоящее время на плечах физики вырвались вперед и стали развиваться еще быстрее, чем это было в XIX в., связанные с физикой отрасли естествознания и техники наших дней. Это их развитие проходило и проходит буквально на наших глазах. Прежде всего следует назвать автоматизацию и кибернетизацию производственных процессов, а также многих других сторон жизни и деятельности современного человека. Эти новые отрасли науки и техники представляют собой главный стержень научно-технической революции, подобно тому как в XVIII в. изобретение рабочих машин (прядильного, токарного и других станков) представляло самую суть технической революции того времени.
Наряду с ними важнейшими направлениями научно-технической революции являются новая энергетика, макрохимия, космонавтика (ракетная техника), а также молекулярная биология и физико-химическая генетика, расшифровавшая структуру материальных носителей наследственности (ДНК). Несомненно, физика, по-прежнему один из важнейших участников общего научно-технического движения. Речь идет о микрофизике, ищущей решение задачи о закономерностях атомного ядра и элементарных частиц, о физике твердого тела (полупроводниковой технике), о квантовой электронике (лазерной технике) и т. д.
Особенность научно-технического прогресса в наше время состоит в том, что все его направления находятся в тесном и постоянном взаимодействии между собой, решительно влияют одно на другое, переходят одно в другое. Все они в конце концов были индуцированы успехами микрофизики первой половины XX в., но сегодня приобрели самостоятельное значение и развиваются своими собственными путями. Но хотя они уже вышли из-под опеки физики, они все еще продолжают опираться на ее достижения.
За последние двадцать с небольшим лет, прошедших с тех пор, как возникла и быстро развивается научно-техническая революция, выявились многие новые проблемы науки и практики, для решения которых важно не только отмеченное выше комплексное исследование и взаимодействие всех наук и отраслей техники, но и выдвижение вперед в качестве ведущей определенной отрасли естествознания, которая, по-видимому, в ближайшее время будет призвана стать во главе научно-технического движения его новым одиночным лидером.
Дело в том, что если учесть постоянное ускорение темпов развития науки и укорочение сроков лидерстрования, то надо признать, что в ближайшие годы должен будет, по предположению, истечь срок ныне действующего группового лидерствования кибернетики, макрохимии, космонавтики и других ведущих сейчас отраслей науки и техники. Если сокращение вдвое каждый раз этого срока - закономерное явление или по крайней мере устойчивое правило, то ныне лидерствующая группа наук вскоре сменится каким-то одиночным лидером. Все чаще в среде ученых раздаются голоса, что уже в самое ближайшее время лидером естествознания должна стать биология, а именно молекулярная биология и связанные с нею междисциплинарные отрасли науки, равно как и близкие к ней генетика и другие разделы науки о живом.
Прежде чем говорить о грядущем лидере естествознания, обращу внимание на то, что в появлении одиночных лидеров есть своя последовательность, своя логика. Сначала механика изучала простейшую сторону всякого макропроцесса, абстракцию от действительных вещей и явлений мира. Затем микрофизика имела дело с более конкретным предметом, самым элементарным из известных пока нам, но неизмеримо более сложным, чем предмет макромеханики. Очевидно, что если продолжить эту линию дальше, то можно сказать, что теперь могла встать задача найти простейшие формы у еще более сложного предмета природы - у живого тела. Предмет, изучаемый каждым из перечисленных одиночных лидеров, становится все сложнее и сложнее, но каждый раз выдвигается методологически одна и та же задача: найти простейшую форму этого предмета.
Несмотря на то что пока не удалось построить эволюционное дерево, а лишь одну его ветвь с очень небольшими, быстро отмирающими ответвлениями, эта работа показала реальную возможность имитации макроэво-люционного процесса уже на современной вычислительной машине. Стремительное развитие вычислительной техники служит залогом того, что в самом ближайшем будущем станет возможным модельное изучение эволюции гораздо более сложных биологических систем.
Так, совместно с доктором биологических наук Б. М. Медниковым нам удалось создать математическую модель эволюции позвоночных животных.
В начале программы, предложенной ЭВМ, в море обитало низшее позвоночное существо, похожее на современного ланцетника, - без черепа, мозга, заботы о потомстве. Предполагалось, что и море, и пресные воды, и суша имели соответствующий запас пищи: растений и членистоногих.
ЭВМ показала, что в результате изменений и отбора из существа, подобного ланцетнику, возникли рыбообразные с челюстями, с хрящевым, а затем и с костным скелетом. Некоторые из них имели панцирь. Те, кто из моря перешел в пресные воды, приобрели иной тип солевого обмена (морские виды в процессе обмена выводят соли, пресноводные - удерживают). По прошествии определенного времени в разнообразных моделях некоторые виды выходили из пресных вод на сушу. Они приобрели ходильные конечности, а в дальнейшем шерстный покров, становились теплокровными и живородящими. Через определенное количество временных шагов появились активные хищники, лишенные хвоста. Передние конечности у них высвободились для иных функций, и они ходили на двух ногах.
Таким образом, машина может проследить путь от ланцетника до австралопитека или какого-нибудь другого отдаленного предка человека. В принципе реально моделирование в машине и той эволюции, которая ведет к человеку. Однако пока машинной памяти недостаточно для того, чтобы имитировать процесс эволюции, который в действительности мог иметь место в биосфере. Лимитирует и ее быстродействие. Ведь для того чтобы произвести оценку всех особей и всех видов биосферы, требуется большое время. Безусловно, ЭВМ будущего, когда объем информации будет на порядок больше, а быстродействие увеличится до миллионной доли секунды, сможет имитировать любую ситуацию, вплоть до появления сознания.
ПОЯСНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕРМИНОВ
Белки - сложные высокомолекулярные вещества, содержащие углерод, водород, кислород, азот, а также обычно серу и фосфор. Один из главных видов химических соединений, имеющихся во всех клетках.
Брожение - расщепление какого-либо органического вещества при помощи ферментов: доставляет клетке энергию для других процессов.
Зрительный пурпур - родопсин - вещество, содержащееся в палочках светочувствительных клетках органов зрения большинства позвоночных.
Вирусы (от лат. "вирус" - яд) - формы значительно более мелкие, чем бактерии, едва превышающие размером некоторые крупные молекулы белков или нуклеиновых кислот. Вирусы можно фотографировать только при помощи электронного микроскопа.
Вирус табачной мозаики - был первым из открытых вирусов. Открытие принадлежит Д. И. Ивановскому (1892 г.). Табачная мозаика - болезнь листьев табака.
Гипоталамус - часть головного мозга, расположенная под зрительными буграми; от гипоталамуса на тонкой ножке свисает нижний мозговой придаток гипофиз. Гипоталамусу принадлежит основная роль в поддержании уровня обмена веществ, в регуляции деятельности пищеварительной, сердечно-сосудистой, эндокринной и других физиологических систем. Он связан большим числом нервных путей с выше- и нижележащими отделами центральной нервной системы. Передние отделы гипоталамуса регулируют поддержание относительного постоянства внутренней среды организма (го-меостаз).
Гипофиз - нижний мозговой придаток, одна из желез внутренней секреции, расположенная под головным мозгом, на основании черепа. Каждая из долей гипофиза (их различают три) выделяет в кровь различные специфические вещества - гормоны.
Каталитическая активность белков - способность белков быть катализаторами. Катализатор не вступает в реакцию и не расходуется во время ее, но регулирует ее скорость.
Мутации - любые наследственные изменения в хромосомах или генах, происходящие под влиянием внешней или внутренней среды. Понятие "мутация" резкое, скачкообразное изменение формы - было введено впервые голландским ботаником де Фризом. Мутагены - буквально: "вызывающие мутацию" - это вещества, способные реагировать с определенными основаниями в молекуле ДНК и изменять их свойства.
Нуклеиновые кислоты - органические молекулы-полимеры, построенные из нуклеотидов - сложных звеньев, состоящих из фосфатной группы, остатка углевода рибозы и азотистого основания.
Стрессовое состояние - состояние напряжения, вызванное необычной обстановкой, волнением, страхом, тревогой и т. п.
Ферменты - белковые катализаторы, синтезируемые живыми клетками. Они регулируют скорость и специфичность тысяч химических реакций, протекающих в клетке.
Филогенез - эволюционная история какой-либо группы организмов. Как правило, имеется в виду история развития какого-либо вида.
Цитология (от греч. "цитос" - клетка, "логос" - наука) - наука, изучающая строение, химический состав, процессы жизнедеятельности и размножения клеток.
Энтропия - физическая величина, характеризующая тепловое состояние тела или системы тел. При всех процессах, совершающихся в замкнутых системах, она или возрастает (необратимые процессы), или остается постоянной (обратимые процессы). Согласно второму закону термодинамики, все процессы в замкнутых системах совершаются таким образом, что энтропия систем увеличивается.
Вместо заключения
Б. М. Кедров,
Академик
О закономерностях развития естествознания
В развитии естествознания можно отметить одну важную закономерность: оно движется вперед не сплошным ровным фронтом, а выдвигая вперед попеременно то одну, то другую из своих отраслей в качестве ведущей, влияющей существенным образом на другие его отрасли и на все его развитие в целом. Такая отрасль науки, выдвинувшаяся вперед в данный период и определяющая собой развитие всех остальных ее отраслей, становится на время лидером всего научного прогресса. Она накладывает свой отпечаток на другие связанные с нею отрасли науки, сообщает им свои масштабы и критерии, передает выработанные ею понятия - словом, ведет их за собой и прокладывает путь для их дальнейшего развития.
Опыт истории естествознания показывает, что, после того как данная отрасль научного знания выполнит функцию лидера всего научного движения, она уступает ее целому комплексу, компактной группе отраслей науки. В итоге одиночный лидер сменяется групповым. По-видимому, роль одиночного лидера как раз и состоит в том, чтобы проложить путь для дальнейшего движения вперед всему естествознанию в целом.
Однако через какое-то время наступает такой момент, когда ситуация повторяется: снова возникает необходимость в том, чтобы одна какая-то вполне определенная отрасль науки выдвинулась резко вперед в качестве одиночного лидера и проложила бы путь для дальнейшего движения всем остальным отраслям естествознания. По выполнении этой ее функции вновь происходит смена одиночного лидера групповым, но уже на гораздо более высокой ступени научного развития.
Возникновение научного лидера и смена одиночного лидера групповым, а группового - снова одиночным придают своеобразный пульсирующий характер процессу развития естествознания. Это первая черта, свойственная процессу научного прогресса.
Вторая черта состоит в том, что процесс развития науки неуклонно ускоряется, а значит, убыстряется и переход ее с одной ступени на другую, более высокую. Соответственно этому быстрее сменяются и лидеры ее. Это означает, что время лидерствования одной отрасли науки или группы отраслей становится все короче, что все быстрее происходит переход от очередного одиночного лидера к сменяющему его групповому лидеру, а потом - к новому одиночному.
Третья черта процесса развития науки заключается в том, что выдвижение одиночного лидера происходит не случайным образом, а обусловливается двумя взаимосвязанными и взаимодействующими факторами: потребностями техники и вообще материальной общественно-исторической практики людей, во-первых, и внутренней логикой развития научного познания, потребностями развития самого естествознания, во-вторых. Именно совпадение тех и других запросов практики и самой науки - определяет, какая именно отрасль науки и в какой именно исторический период становится узловой, ведущей, обусловливающей своим состоянием и развитием движение всего естествознания, всех его отраслей на данный отрезок времени.
О запросах и потребностях практики я скажу дальше. Сейчас же хочется обратить внимание на тот факт, что в процессе познания всегда возникает задача выяснить природу более сложных явлений, связанных с более развитыми объектами природы, стоящими на более высоких ступенях ее развития, исходя из более простых явлений, связанных с менее сложными, менее развитыми объектами природы, стоящими на более низких ступенях ее развития. В идеале познание человека стремится найти самые простые, самые элементарные (при данных условиях, для данного уровня знаний) формы внешнего мира (природы), из которых можно было бы вывести и с помощью которых можно было бы объяснить (понять) остальные явления природы.
В пределах каждой отрасли знания существуют свои наиболее простые, элементарные формы изучаемого предмета, которые в силу своего абстрактного характера выступают как своего рода "клеточки" этого предмета. Если такая "клеточка" найдена, то уже можно ставить задачу раскрыть, как из нее в ходе последующего движения самого изучаемого предмета (и соответственно тех понятий, в которых этот предмет отображается) возникают более сложные его формы.
Именно так, по сути дела, ставится задача и по отношению ко всему естествознанию в целом: для того чтобы объяснить и понять, - а значит, изучить, исследовать - объекты природы, стоящие на различных уровнях сложности и развития, необходимо отыскать то, что лежит в их основе. Тогда изучение этой основы будет способствовать общему прогрессу науки, а та ее отрасль, которая эту основу изучает, сделается на время лидером всего естествознания.
Для иллюстрации сказанного обратимся к истории естествознания, а после попытаемся наметить - разумеется, весьма осторожно и условно - некоторые возможные перспективы. При этом будем все время помнить, что три основные "вехи" времени тут органически и закономерно связаны между собой: настоящее есть закономерное продолжение прошлого, а будущее - столь же закономерное продолжение настоящего и прошлого. Отсюда - возможность прогнозирования, основанного на точном учете и обобщении того, что дала история науки и что дает анализ ее современного состояния.
Хорошо известно, что первым лидером только что возникшего в качестве самостоятельной науки естествознания стала механика. Ее выдвижение в XVII XVIII вв. в роли лидера всего естествознания, которому она придала механический характер, было строго закономерно. Оно вытекало из отмеченного выше совпадения обоих факторов научного движения - материального (потребности техники и производства) и идеального (внутренней логики самого научного познания).
Производственная практика и техника в то время опирались в первую очередь на широкое использование механического движения, способов его передачи (рычаги, блоки и т. д.), механических инструментов и таких сложных механических устройств, как, например, часы и мельница. Ручной труд, мускульная сила человека и животных, а также использование стихийных "сил" природы (вода, ветер) - все это делало необходимым, с точки зрения интересов техники и производства того времени, всестороннее изучение именно механических явлений, открытие их законов.
В XVII в. возникло стремление сводить более сложные формы движения обязательно к механическому, которое якобы исчерпывает их без остатка. Такой подход к явлениям природы, сведение качества к количеству назвали механицизмом. Механицизм явился неправомерной экстраполяцией тех несомненных успехов, которые принесла с собой механика в бытность свою лидером естествознания, причем отголоски его дошли до наших дней. Но за столь явное преувеличение ее собственных возможностей сама механика, разумеется, не несет ответственности, как не отвечает кибернетика за то, что в наши дни некоторые чересчур рьяные ее поклонники объявили ее способной заменить собой полностью даже самого человека с его умственной деятельностью.
Успехи механики в XVII - XVIII вв. были связаны с тем, что она изучала реальную сторону реальных процессов природы - а именно их механическую сторону - и давала в руки ученых способы и средства осуществлять такую задачу. Средневековая схоластика, провозгласившая учение о скрытых качествах, о всякого рода таинственных и неуловимых субстанциях, мешала изучать действительные вещи и их свойства, не давала возможности двигаться человеку вперед в познании природы. Механика впервые позволила не на словах, а на деле раскрывать и познавать реальные стороны реальных вещей. Этим все естественнонаучное знание впервые ставилось на научную основу, поскольку во всех объектах природы, как бы сложны они ни были, имеется механическая сторона и, следовательно, их движение включает в себя так или иначе механическое движение.
К началу XIX в. механика выполнила свою функцию первого одиночного лидера естествознания. Теперь, развивая полученный от нее мощный толчок, рванулись вперед прежде всего химия (атомистика Дальтона, 1803 г.) и биология (эволюционное учение Ламарка, 1809 г.), затем геология (Лайель), органическая химия (начиная с синтеза Велера, 1828 г.), электрохимия (Дэви, Петров, начало века; особенно Фарадей, 30-е годы). Во второй трети XIX в. совершаются три великих открытия в естествознании: создается клеточная теория (Шлейден и Шванн), формулируется закон сохранения и превращения энергии (Майер), появляется эволюционная теория в биологии (Дарвин). Естествознание утрачивает свой первоначальный "механический" характер. Его лидером становится теперь вся совокупность его главных отраслей, в первую очередь химия, физика и биология.
Под знаком этого группового лидера идет научное развитие и в последней трети XIX в., начиная с создания Бутлеровым теории химического строения органических соединений (1861 г.) и открытия Менделеевым периодического закона (1869 г.) и кончая открытиями в области биологии (Мендель, 1865 г.), физики (Максвелл, Герц и др.) и созданием физической химии.
Срок одиночного лидерствования механики можно считать равным 200 годам, срок же для сменившего ее в XIX в. группового лидера оказался вдвое меньше - около 100 лет. Это свидетельствует о том, что процесс научного движения за это время ускорился по меньшей мере вдвое.
Здесь нет возможности более подробно проследить взаимодействие обоего рода факторов при выдвижении вперед всего комплекса естественных наук в XIX в. Укажу лишь на то, что к концу века все явственнее стала назревать необходимость проникновения физики в глубь атома, который до тех пор оставался не преодоленным еще наукой нижним пределом разложения вещества.
В самом конце XIX в. в физике, а через нее и во всем естествознании началась "новейшая революция", как ее назвал В. И. Ленин. Суть ее состояла в том, что наука перешагнула порог, на котором она остановилась в XIX в., порог микромира. Открытия лучей Рентгена (1895 г.), радиоактивности (1896 г.), электрона (1897 г.) и радия (1898 г.) положили начало коренному перевороту во взглядах на материю и ее строение, на ее считавшиеся неделимыми (мельчайшие) частицы - атомы.
Все эти и последовавшие в начале XX в. новые открытия (теория квантов, измерение давления света, теория радиоактивного распада, теория относительности с законом неразрывной связи массы и энергии и другие вплоть до создания Н. Бором в 1913 г. модели атома) носили четко выраженный физический характер. Физика, точнее, атомная и субатомная физика сделалась на этот раз очередным одиночным лидером естествознания. Ее прогресс стал накладывать свой отпечаток на все другие отрасли науки: на химию (учение о химической связи и о химическом сродстве), на макрофизику, астрономию, геологию, биологию. Достаточно назвать только два физических метода, вошедшие в биологические исследования и вызвавшие здесь глубокий переворот, чтобы понять, что в первой половине XX в., особенно во второй его четверти, физика действительно стала лидером всего естествознания.
Речь идет о создании электронного микроскопа и о введении способа "меченых атомов" (радиоактивных изотопов). Оба этих физических метода позволили перевести биологические исследования с клеточного уровня, на котором они велись в XIX в., на субклеточный, а затем и на молекулярный, открывая тем самым пути для изучения самых тонких, интимных сторон процессов жизнедеятельности.
Выдвижение микрофизики (атомной и субатомной) в качестве очередного одиночного лидера было опять-таки продиктовано совпадением запросов обоих факторов развития науки - материального (практики) и идеального (логики развития самого познания). По сути дела, на рубеже XIX и XX вв. стали складываться предпосылки грядущей научно-технической революции. Первым проявлением ее было практическое освоение атомной энергии в начале 40-х годов нашего века. Для того чтобы решить такого рода задачу, необходимо было предварительное широкое (фронтальное) изучение вновь открытого явления природы (радиоактивности), а затем и вообще ядерных превращений. Физика взяла на себя выполнение этой задачи, в решении которой была кровно заинтересована практика, столкнувшаяся с фактором существования нового мощного источника энергии. Без помощи физики практика не могла даже и мечтать подойти к его использованию.
С другой стороны, к этому вела логика развития самого научного познания: после открытия периодического закона химических элементов и создания теории электролитической диссоциации с ее центральным понятием иона (электрозаряженного осколка молекулы) наука вплотную подошла к тому, чтобы от сущности одного порядка (менее глубокой), когда познавались атомы и молекулы, перейти к сущности следующего, более глубокого порядка, проникнуть в глубь атомов, в их внутренние сферы. Благодаря этому только и могла быть раскрыта физическая причина найденной Менделеевым периодичности свойств химических элементов. Атомная и субатомная (в том числе и в особенности ядерная) физика стала, таким образом, узловым пунктом, в котором сошлись, совпали запросы практики и логики развития науки.
Это была область простейших из известных дотоле видов материи. Так как все более сложные образования материи - макрофизи-ческие, химические, геологические, биологические - должны возникать генетически и состоять структурно из этих простейших, элементарных физических видов материи, то их понимание и объяснение на современном уровне могло быть достигнуто только путем их рассмотрения, исходя из соответствующих физических представлений. На новый лад в XX в. повторилась та же ситуация, какая сложилась в естествознании XVII и XVIII вв., когда механика претендовала на то, чтобы давать ключ к истолкованию и изучению всех более сложных явлений природы. Только на этот раз в качестве простейших форм движения материи выступили уже не макромехани-ческие, а квантовомеханические и ядерно-физические.
Для решения задач практического освоения атомной энергии потребовались быстродействующие вычислительные устройства, так что зарождение ядерной энергетики, в свою очередь, стало стимулировать создание электронно-вычислительной техники. Отсюда выросла кибернетика. Сначала все это находилось лишь в зачаточной фазе, и только к концу 40-х годов нашего века произошли события, получившие наименование научно-технической революции, что было связано опять-таки с тем, что ранее существовавший и действовавший одиночный лидер в развитии естествознания - микрофизика сменился групповым. Это дало себя знать как быстрый рывок вперед целого комплекса естественных и технических наук, приведший к коренному перевороту в науке и технике.
Таким образом, развернулся второй цикл развития в истории естествознания. Причем на этот раз продолжительность лидерствова-ния микрофизики оказалась в 2 раза меньше, чем продолжительность лидерствования предшествующего ей группового лидера.
Подобно тому как на плечах механики вырвались вперед и стали быстро развиваться химия, физика, геология и биология в XIX в., так и в настоящее время на плечах физики вырвались вперед и стали развиваться еще быстрее, чем это было в XIX в., связанные с физикой отрасли естествознания и техники наших дней. Это их развитие проходило и проходит буквально на наших глазах. Прежде всего следует назвать автоматизацию и кибернетизацию производственных процессов, а также многих других сторон жизни и деятельности современного человека. Эти новые отрасли науки и техники представляют собой главный стержень научно-технической революции, подобно тому как в XVIII в. изобретение рабочих машин (прядильного, токарного и других станков) представляло самую суть технической революции того времени.
Наряду с ними важнейшими направлениями научно-технической революции являются новая энергетика, макрохимия, космонавтика (ракетная техника), а также молекулярная биология и физико-химическая генетика, расшифровавшая структуру материальных носителей наследственности (ДНК). Несомненно, физика, по-прежнему один из важнейших участников общего научно-технического движения. Речь идет о микрофизике, ищущей решение задачи о закономерностях атомного ядра и элементарных частиц, о физике твердого тела (полупроводниковой технике), о квантовой электронике (лазерной технике) и т. д.
Особенность научно-технического прогресса в наше время состоит в том, что все его направления находятся в тесном и постоянном взаимодействии между собой, решительно влияют одно на другое, переходят одно в другое. Все они в конце концов были индуцированы успехами микрофизики первой половины XX в., но сегодня приобрели самостоятельное значение и развиваются своими собственными путями. Но хотя они уже вышли из-под опеки физики, они все еще продолжают опираться на ее достижения.
За последние двадцать с небольшим лет, прошедших с тех пор, как возникла и быстро развивается научно-техническая революция, выявились многие новые проблемы науки и практики, для решения которых важно не только отмеченное выше комплексное исследование и взаимодействие всех наук и отраслей техники, но и выдвижение вперед в качестве ведущей определенной отрасли естествознания, которая, по-видимому, в ближайшее время будет призвана стать во главе научно-технического движения его новым одиночным лидером.
Дело в том, что если учесть постоянное ускорение темпов развития науки и укорочение сроков лидерстрования, то надо признать, что в ближайшие годы должен будет, по предположению, истечь срок ныне действующего группового лидерствования кибернетики, макрохимии, космонавтики и других ведущих сейчас отраслей науки и техники. Если сокращение вдвое каждый раз этого срока - закономерное явление или по крайней мере устойчивое правило, то ныне лидерствующая группа наук вскоре сменится каким-то одиночным лидером. Все чаще в среде ученых раздаются голоса, что уже в самое ближайшее время лидером естествознания должна стать биология, а именно молекулярная биология и связанные с нею междисциплинарные отрасли науки, равно как и близкие к ней генетика и другие разделы науки о живом.
Прежде чем говорить о грядущем лидере естествознания, обращу внимание на то, что в появлении одиночных лидеров есть своя последовательность, своя логика. Сначала механика изучала простейшую сторону всякого макропроцесса, абстракцию от действительных вещей и явлений мира. Затем микрофизика имела дело с более конкретным предметом, самым элементарным из известных пока нам, но неизмеримо более сложным, чем предмет макромеханики. Очевидно, что если продолжить эту линию дальше, то можно сказать, что теперь могла встать задача найти простейшие формы у еще более сложного предмета природы - у живого тела. Предмет, изучаемый каждым из перечисленных одиночных лидеров, становится все сложнее и сложнее, но каждый раз выдвигается методологически одна и та же задача: найти простейшую форму этого предмета.