2. Структурные уровни организации материи

В современной науке широко используется метод структурного анализа, при котором учитывается системность исследуемых объектов. Ведь структурность - это внутренняя расчлененность материального бытия, способ существования материи.

Структурные уровни организации материи строятся по принципу пирамиды: высшие уровни состоят из многочисленного числа низших уровней. Низшие уровни являются основой существования материи. Без этих уровней невозможно дальнейшее построение «пирамиды материи». Высшие (сложные) уровни образуются путём эволюции – постепенно переходя от простого к сложному. Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо вида и характеризуются особым способом взаимодействия между составляющими их элементами. Применительно к трем основным сферам объективной действительности эти уровни выглядят следующим образом:

Неорганическая природа	Живая природа	Общество
1.Субмикроэлементарный	Биологический макромолекулярный	Индивид
2.Микроэлементарный	Клеточный	Семья
3. Ядерный	Микроорганический	Коллективы
4.Атомарный	Органы и ткани	Большие социальные группы (классы, нации)
5. Молекулярный	Организм в целом	Государство (гражданское общество)
6. Макроуровень	Популяция	Системы государства
7. Мегауровень (планеты, звездопланетные системы, галактики)	Биоценоз	Человечество в целом
8. Метауровень (метагалактики)	Биосфера	Ноосфера

5. Дискретность и непрерывность материи.

В конце 1924 г. французский физик Луи Виктор де Бройль, приписав любой частице некий внутренний периодический процесс и рассмотрев единым образом частицы вещества и света, предложил синтез корпускулярных и волновых представлений. Он развил представления Эйнштейна о двойственности природы света и распространил их на вещество, объединив формулу Планка и формулу Эйнштейна, связывающую энергию и массу, из чего получил соотношение, показывающее, что любой частице при определённых массе и скорости соответствует своя длина волны. Сама волна не несёт энергию, а только отображает «распределение фаз» некоего периодического процесса.

Эту фиктивную волну Бройль назвал «фазовой волной», форма лучей которой определяется принципом наименьшего времени распространения, выдвинутого ещё Ферма. Вслед за Гамильтоном, он сравнивает принцип Ферма в оптике с принципом наименьшего действия в классической механике и приходит к выводу, что объединение этих экстремальных принципов должно стать основой объединения волновых и корпускулярных представлений, синтеза волн и квантов, объединения дискретности и непрерывности материи.

В 1921 г. американский физик Клинтон Джозеф Дэвиссон, работавший тогда в фирме «Белл телефон», обнаружил, что электроны, отражаясь от никелевой пластинки, рассеиваются под определённым углом. Тогда он не сумел найти подходящего объяснения этому явлению. Но после появления работ Луи де Бройля Дэвиссон провёл дополнительное исследование и в 1927 г. вместе с американским физиком Л. Джермером получил чёткую картину рассеяния электронов, которая соответствовала теории Бройля.

Примерно в это же время Джордж Паджет Томсон совершенно независимо открыл явление дифракции электронов при рассеянии быстрых электронов через металлическую фольгу. По дифракционным картинам он вычислил длину волны для электронов. Так был экспериментально подтверждён корпускулярно-волновой дуализм электронов.

После успешного обнаружения волновых свойств у электронов были проведены сложнейшие опыты по их обнаружению у атомов и молекул. Поскольку длина волны Бройля равна h/mv, то у частиц большего масштаба она существенно меньше, однако терну удалось её измерить. Впоследствии дифракционные, а значит, и волновые, свойства были обнаружены у атомных и молекулярных пучков.

Таким образом, вся материя имеет двойственную дискретно-непрерывную, корпускулярно-волновую структуру. Чем меньше масса частицы, тем больше проявляется непрерывность её, и наоборот, чем больше масса частицы, тем больше проявляется её дискретность.

8. Как возникают структуры из хаоса в неорганической и живой материях? Каковы условия образования упорядоченных структур из хаоса, примеры из разных областей естествознания.

Согласно системному подходу при изучении объектов, процессов и явлений любой объект Вселенной рассматривается как единое целое, состоящее из элементов, организованных в целостность. В рамках этого подхода стоит остановиться на характеристике закрытой и открытой систем. Системой называется совокупность элементов со связями между ними. Закрытой системой называют систему, между элементами которой действуют внутренние силы, называемые консервативными силами. Открытая система – это система, между элементами которой кроме консервативных сил действуют внешние силы, называемые диссипативными.

Характеризуя закрытую систему, используют такие понятия, как положительный процесс – процесс перехода порядка в беспорядок, т.е. хаос, протекающий самопроизвольно в результате перехода энергии механической (которая характеризует порядок в системе) в энергию тепловую. Положительный процесс – процесс расширения. Также для характеристики перехода порядка в беспорядок вводят физическую величину, которая называется энтропия и обозначается буквой S. Клаузиус охарактеризовал энтропию как 1) термодинамическую функцию; 2) меру хаоса и показал, что энтропия в закрытой системе уменьшаться не может. В закрытой системе для необратимых процессов она всегда возрастает, для обратимых – остается величиной постоянной.

При характеристике открытой системы используют понятие «самоорганизация». Самоорганизация – это развитие любой открытой неравновесной системы от простого к сложному. Она может протекать скачком или катастрофой. В первом случае самоорганизация определяется как скачкообразный процесс перехода неравновесной термодинамической открытой системы, достигшей в своем развитии критического состояния, на новый более организованный упорядоченный уровень в своем развитии. Суть «теории катастроф» же состоит в том, что катастрофа – резкое изменение условий существования открытой термодинамической системы – выводит систему на следующую ступень своего развития. Точкой бифуркации называется точка, где идет раздвоение траектории в движении при развитии системы. Процесс, включающий в себя несколько уровней развития системы, которым соответствуют точки бифуркации, называется бифуркацией.

Концепция эволюции. Ее суть заключается в том, что в природе нет объекта, находящегося вне развития. Все объекты Вселенной находятся в развитии, начиная с исторического прошлого.

Длительное время в науке доминировало представление об отсутствии явления самоорганизации в неживой природе. Считалось, что объекты неорганического мира способны изменяться только в направлении дезорганизации. Последнее означает, что в соответствии со вторым началом термодинамики, системы неживой природы могут «эволюционировать» лишь в сторону возрастания их энтропии, а значит, хаоса. Считалось, что самоорганизующиеся процессы присущи только живым системам.

Постепенно в науке накапливалось все большее число фактов, свидетельствовавших о возникновении упорядоченных структур и феномена самоорганизации в неживой природе при наличии определенных условий. Даже повседневные наблюдения (образование, например, песчаных дюн, вихрей на воде и т. п.) свидетельствуют о том, что и в неживой природе, - наряду с дезорганизацией, - происходит также и самоорганизация, которая проявляется в возникновении новых материальных структур.   

Указанные наблюдения и соответствующие обобщения привели к возникновению синергетики – междисциплинарного научного направления, изучающего общие и универсальные механизмы самоорганизации, т. е. механизмы самопроизвольного возникновения и относительно устойчивого существования макроскопических упорядоченных структур самой различной природы. Синергетика стирает, как казалось, непреодолимые грани между физическими и химическими процессами, с одной стороны, и биологическим и социальными процессами – с другой, ибо исследует общие механизмы самоорганизации и тех, и других.

9. Научные революции 20-ого столетия в биологии и антропологии.

XX в. в целом и его вторая половина, характеризовавшаяся научно-технической революцией, принесли громадные достижения в области биологии, которые выдвинули эту науку ряды лидеров естествознания. Развитие биологии и, особенно, её составной части – генетики не только укрепило дарвиновскую теорию эволюции живой природы, но и позволило дать ей современное толкование. Понятия изменчивости и наследственности, которым Дарвин придавал большое значение, были более глубоко осмыслены в свете достигнутых успехов молекулярной биологии XX века.

Если в первой половине истекшего столетия прогресс в области изучения макромолекул был ещё сравнительно медленным, то во второй половине этого столетия, т. е. в эпоху НТР, эти исследования существенно ускорялись благодаря технике физических методов анализа. На основе полученных данных о структуре живого вещества удалось воссоздать строение ряда белков и полипептидных гормонов, а также синтезировать некоторые менее сложные вещества. Химия белков, которая ранее казалась малоперспективной областью естествознания, выдвинулась на передний край науки, а раскрытие в середине XX в. структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) послужило началом интенсивных исследований в химии и биологии.

Было выяснено, что нуклеиновые кислоты, являющиеся носителем и передатчиком наследственных качеств и играющие основную роль в синтезе клеточных белков, образуют группы веществ, важность которых трудно переоценить. Выдвинутая в начале 50х гг. гипотеза, согласно котрой должны существовать особые молекулы нуклеиновых кислот, выполняющие функции перевода языка нуклеиновых кислот на язык белков, достаточно скоро получила экспериментальное подтверждение. К началу 60-х гг. у учёных-биологов уже сложилось чёткое понимание основных процессов передачи информации в клетке при синтезе белка. Дальнейший прогресс исследований в этой области позволил известному советскому биологу Ю. А. Овчинникову констатировать в начале 80-х гг., что «наибольших успехов биологическая наука достигла в последние 20-25 лет, когда она сумела заглянуть внутрь живой клетки и понять биологические механизмы на уровне молекулярных взаимодействий».

Становление биотехнологии было связано с успехами биологии в познании особенностей организации молекулярных структур живого и процессов этого уровня, осуществлением искусственного синтеза отдельных генов и их включением в геном бактериальной клетки. Это позволило контролировать основные процессы биосинтеза в клетке, создавать такие генетические системы бактериальной клетки, которые способны осуществлять биосинтез определенных соединений в промышленных условиях. На решение таких задач ориентируется ныне ряд направлений биотехнологии. Биологическая технология определила возникновение нового типа производства – биологизированного. Примером такого производства могут быть предприятия микробиологической промышленности. Биологизация производства – это новый этап научно – технического прогресса, когда наука о живом превращается в непосредственную производительную силу общества, и ее достижения используются для создания промышленных технологий.

Информационная биология относится к числу высоких технологий современной биологии и обеспечивает информационно-компьютерные и теоретические основы генетики и селекции, молекулярной генетики и биологии, генетической и белковой инженерии, биотехнологии, медицинской генетики, генодиагностики, генотерапии, словом, тех наук, благодаря выдающимся достижениям которых биология превратилась в одну из лидирующих наук грядущего столетия. Информационная биология в настоящее время предъявляет самые высокие требования к информационным технологиям.

В результате появления эффективных методических подходов в последние десятилетия уходящего века в биологии произошла научная революция, обеспечившая проникновение на молекулярно-генетический уровень организации жизни. Стала возможна расшифровка протяженных участков геномной ДНК, полных геномов вирусов, бактерий, растений и животных. К 50-летию расшифровки Уотсоном и Криком структуры двойной спирали ДНК было объявлено о первичной расшифровке генома человека.

К середине XX века проблема старости выросла в науку – геронтологию. Открытие молекулярных законов жизни создало предпосылки для создания теории старения, и постепенно разнообразные теоретические представления о механизмах старения стали "фокусироваться" вокруг теорий, согласно которым старение является следствием процессов, происходящих на молекулярных уровнях организации живой материи. Постепенное развитие знания о механизмах старения на основе обобщения, включая широкое использование математических методов, все возрастающего объема экспериментальных данных и результатов клинического применения методов продления жизни (таких как использование антиоксидантов и биорегулирующих веществ) неуклонно приближало ученых к разгадке феномена старения и разработке эффективной терапии старения. Однако очень большая сложность биологических систем, многообразие взаимосвязанных факторов, влияющих на старение, препятствовало и все еще препятствует быстрому прогрессу в этом направлении, совершению качественного скачка в разрешении проблемы старения.

В широком смысле «антропология» - наука о человеке. Но так как человек – объект изучения множества наук, как естественных, так и гуманитарных, то за антропологией в узком смысле осталась проблема происхождения человека и определения специфики его строения и эволюции.

Бурное развитие антропология получила во второй половине XIX – XX в. после создания Ч. Дарвиным теории эволюции. Э. Геккель выдвинул гипотезу о существовании в прошлом промежуточного между обезьяной и человеком вида, который он назвал питекантропом.

В 1960 г. английский археолог Л. Лики открыл в Восточной Африке «человека умелого», возраст которого 2 млн. лет. Объём его мозга составлял 670 куб. см. в этих же слоях были обнаружены предположительно изготовленные им орудия труда из речной гальки, заострённой при помощи нескольких сколов.

Позже, на озере Рудольф в Кении были найдены останки существ того же типа возрастом 5,5 млн. лет. Наличие явно сделанных им орудий труда (если по этому факту судить о становлении человека) дали основание считать его возраст более солидным.

После этого укрепилось мнение, что именно в Восточной Африке в четвертичном периоде кайнозойской эры произошло разделение человека и человекообразных обезьян (не ранее, так как гены тех и других слишком сходны). Именно тогда разошлись эволюционные линии человека и шимпанзе. Эти выводы подтверждены измерениями по так называемым молекулярным часам. Скорость изменения генов за счёт точечных мутаций (изменений отдельных пар оснований ДНК) устойчива на протяжении долгих периодов времени, и её можно использовать для датирования отхождения данной эволюционной ветви от общего ствола.

Что было причиной появления человека конкретно в этом месте? В Восточной Африке отмечены выходы урановых пород и зафиксирована повышенная радиация, что, как доказано генетикой, вызывает мутации. Таким образом, здесь эволюционные изменения могли протекать более быстрыми темпами.

У. Хавеллз утверждает, что человек современного типа возник 200 тыс. лет назад в Восточной Африке. В соответствии с этой версией питекантроп, синантроп и неандерталец – не предки современного человека, а различные группы гоминид (человекообразных существ), вытесненных «человеком прямоходящим» из Восточной Африки. В пользу данной гипотезы свидетельствуют генетические исследования.