Смысл детерминизма. Фундаментальные взаимодействия в природе

Концепции детерминизма, сменявшие исторически друг друга. Версии временного соотношения между причиной и следствием. Типы фундаментальных взаимодействий в природе. Самоорганизация в термодинамических системах. Клеточная теория строения живых организмов.

Рубрика Биология и естествознание
Вид контрольная работа
Язык русский
Дата добавления 19.10.2012
Размер файла 36,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопрос № 6. В чем смысл детерминизма и какие виды причинно-следственных связей можно выделить?

Детерминизм - методологический принцип, согласно которому из факта, что в мире все взаимосвязано и причинно обусловлено, следует возможность познания и предсказания событий, имеющих как однозначно определенную, так и вероятностную природу. Механический детерминизм - однозначная причинная обусловленность - абсолютное строгое предсказание. Индетерминизм - методологическая позиция, в которой отрицается как объективность причинных связей, так и ценность причинных объяснений в науке. Г. Риккерт: «Причинное объясняет действительно лишь в пределах наук о природе и неприменимо к наукам о духе, т.е. наукам общественным».

Человеческая воля (или в телеологии - воля божественная) рассматривается индетерминизмом как автономная сила, свободная в своих проявлениях от всякой причинности и необходимости, т.е. ничем не обусловленная. Индетерминизм трактует принцип объективной необходимости как фатализм.

Виды детерминации и детерминизма можно также классифицировать по их объектам, предметам, всеобщности и специфике, их универсальности и субординации, стихийности и регулярности, и др. Если учесть универсальные формально-математические способы описания детерминизма, то наиболее общей формой должна быть корреляция, за ней будет следовать функциональность, вероятностная причинность, а затем причинение в его генетическом аспекте, необратимости, повторяемости, линейной (цепной) и ветвлящейся формах, и т.д. Если учесть субстрат, то можно выделить неорганический и его законы, а также органический детерминизм, включающий, как особое, социальный детерминизм. Здесь действует субстратная всеобщность их основы и субординация. Если учесть универсальность законов детерминизм, то можно выделить: 1) объективные, главенствующие, определяющие и всеобщие свойства и законы детерминизма. 2) их алгоритмичность для таких объектов, каковы биологические системы с их программами наследственности, изменчивости и поведения, 3) их целевой и аксиологический характер в человекодеятельных системах - телеология).

Можно выделить несколько форм и концепций детерминизма, сменявших исторически друг друга, но не исчезнувших до сих пор: 1) наивную и стихийно диалектическую (античная); 2) механистическую жесткую и однозначную (лапласовскую); 3) статистическую или вероятностную (естественнонаучную - в XX веке); 4) современную (синтетическую, диалектическую, по сути - синергетическую).

Современный детерминизм является синтезом предыдущих подходов, включая античный детерминизм, особенно в том пункте, когда признается диалектика. Он получил через идею самоорганизации материи, развитую в XX веке в синергетике Пригожиным и Хакеном, новое сильное подкрепление. На базе физической синергетики недавно возникла обобщенная синергетика, которая прояснила то, что раньше подсказывала диалектика, а, именно, общую идею развития, раскрыла механизмы его, она выявила принципы устойчивости / неустойчивости, нестабильности, необратимости, скачкообразности, самоорганизации, нелинейности, вероятности, бифуркаций, наличие аттракторов и их роль, коллективных эффектов и др. В итоге, складывается представление о бoльшей общности синергетики по сравнению с диалектикой. Однако синтез еще не завершен.

Необходимо пояснить, что причин и следствий как самостоятельных феноменов в природе нет. Это, как и многие научные абстракции, ноумены вроде времени, это - те объекты, явления, характеристики и т.п., которые, находясь в отношении следования друг за другом в своем существовании, связаны генетически: сначала идет причина, она вызывает, порождает следствие («производительность причины»). То, что ничего не порождает, не может быть названо причиной. Вместе с тем, причина суть проявление необходимости, тенденций и закономерности, а также и генетической связности того, что было и того, что возникло: в следствии всегда есть что-то от причины.

Весь мир здесь выглядит как гигантская машина, где исключена случайность, все необходимо, закономерно, все можно предвидеть, где причина равна следствию (см. второй закон Ньютона), причинная связь бесконечна, действие передается мгновенно. Французский математик Лаплас впервые и выразил такую модель мироздания во всей полноте. Богу здесь отведено место лишь создателя мира. Владея полной информацией о мире и ее законах, опираясь на абсолютую точность и истинность законов математики, всеобъемлющий ум («Демон Лапласа») сможет решить все уравнения движения и предсказать все возможные состояния объектов в сколь угодно отдаленном будущем в любой точке мира. Повернув стрелу времени, этот Демон сможет узнать однозначно и до конца всю прошлую историю любого объекта. Брешь в этом безукоризненном здании учения о причинности пробили эволюционное учение Дарвина и концепция близкодействия в электродинамике Максвелла. Теория относительности - вершина классической физики - внесла идею или принцип ограниченности скорости передачи взаимодействия и причинения. Она утвердила инвариантность порядка следования причины и следствия, когда наблюдатели рассматривают каждый в своей системе отсчета смену событий или состояний в наблюдаемой системе. Понятие вероятностной причинности и детерминации резко порывает с классическим Д. Согласно В.А.Фоку, одназначная на уровне потенциальных возможностей причинная связь оказывается в опытах по диффракции электронов вероятностной на уровне реализованных возможностей.

По их форме можно различать: одно - однозначные отношения и связи причин и следствий, одно - многозначные, много - многозначные, много - однозначные. Ветвление причинных и других отношений детерминации находится внутри такого различения. Развитое в синергетике понятие бифуркации суть минимальный случай предпоследней из форм.

Сущность причинения нельзя понять без обращения к категории взаимодействия, то есть взаимной связи явлений, процессов, состояний, объектов разного рода. Здесь происходит перенос материи и движения , их превращения из одного вида в другой, а также в бихевиоральных системах - перенос и превращения информации. Взаимодействия суть источник изменений, направленности, результативности (эффективности) разного рода. Одностороннее действие - это фактически идеализация. Связь причины со следствием надо понимать как обоюдную, как прямую и обратную связь.

Существуют три версии временного соотношения между причиной и следствием: 1) сначала возникает причина, а за ней сразу же следствие (большая «теснота связи»); они непереставимы и неодновременны - «классическая» концепция; 2) в условиях близкодействия и конечной скорости взаимодействия между причиной и следствием есть интервал; 3) причина и следствие одновременны: зарождение причины сразу же вызывает появление следствия и тогда причина «затухает» в своем следствии. Можно привести немало аргументов в пользу той или другой версии. По-видимому их выполнимость зависит от природы компонентов и условий взаимодействия. Так, в элементарных частицах причинность реализуется безотносительно к критерию «раньше - позже» и приходится, учитывая требования принципа наблюдаемости, говорить о «комке событий». Качественно - количественные отношения соотношения и меры возможного и действительного характеризуют понятием вероятности, которое получило соответствующее выражение в математических формах в теории вероятностей.

Одним из самых острых вопросов детерминизма является вопрос о сущности случайности в ее связи с необходимостью и причинностью. Правда, определения необходимости как непреложности, как того, что обусловлено всем предшествующим развитием и должно непременно произойти, не вызывают особых споров. Случайное можно трактовать как то, что не вытекает из внутренней закономерности, а следует из внешних связей и отношений, длящихся к тому же кратко и действующих неустойчиво, спорадически. Случайность как бы не имеет оснований в главных и существенных детерминирующих факторах, а лишь в чем до дополнительном, частном. Подобный подход восходит к Аристотелю и Гегелю. Однако было бы ошибкой отказывать случайности иметь причину в себе самой или разделять необходимость и случайность как внутреннее и внешнее, хотя это в каких-то аспектах и так. В.П. Бранский показал, что необходимое связано с причинами устойчивыми, постоянно и однообразно действующими, а случайное - результат перекрещивания причинных цепей, к тому же развивающихся неустойчиво, нерегулярно, неоднообразно, так что событие (следствие) может наступить, а может и не наступить. В целом различие случайного и необходимого относительно и подвижно. Примеры из теории естественного отбора показывают как накопление случайных различий у организмов в ходе естественного отбора приводят к изменениям необходимых видовых признаков и возникновению новых. Все это происходит под влиянием наследственности. Можно говорить, что нет случайности и необходимости вообще, а лишь в определенном и конкретном отношении.

Функциональная связь, хорошо изучена в разных формах в математике. В науке в свое время Э.Мах предлагал выбросить понятие причинности и заменить его понятием функции как более общей формой описания последовательных состояний, безотносительной к субстрату и содержанию отношений между А и В. Вместе с тем, математике известно огромное число всевозможных функций и функций от функций (функционалов). Их можно обобщенно представлять при помощи многомерных функциональных пространств, где равноправно будет присутствовать время. Безусловно, это очень удобное, сжатое и эвристически ценное выражение подобных отношений. Зная начальные условия, форму функции и интервал существования можно количественно точно отобразить некое конечное искомое состояние в шкале времени. Подобные зависимости удобны и как формы выражения связи причин со следствиями, а также связи состояний во времени и пространстве. Здесь может быть действительно совпадение форм связи как, например, траекторий движения и связи событий, выражающих закон эволюции объекта. Однако, это не означает, что таким образом мы всегда выражаем все содержание причинности и т.п. К примеру, связь сосуществующих характеристик, выраженная функцией, может и не означать на деле причинную связь. Так, в законе Бойля - Мариотта давление и объем не являются причинами друг друга, хотя они связаны функционально в формуле pV = Const. Проще говоря, здесь все же требуется содержательный анализ, а не формальное понимание такого сходства. Заметим, что математика способна выразить разные виды связей, включая непрерывные, одно и многозначные, много - многозначные, разрывные и интервальные, прямые и обратные, положительные и отрицательные (как в теориях управления), другие связи. С этими фактами связаны попытка формализовать теорию причинности.

Корреляционная связь выражает количественно определенное соотнесение объектов, свойств, состояний и т.п., их соответствие друг другу при изменениях, параллельность при наличии слабой тесноты связи, нередко, вызванной наличием промежуточных объектов и большой временной дистанции. Это своеобразное, эхо, отклик одного на другое, который может быть выражен математически в формулах корреляции. Аппарат корреляционного анализа тесно связан с вероятностным анализом и статистикой. Термин корреляция предложил в свое время Ж.Кювье, а обосновал важность этого метода для биологии в 1846 г. французский биолог Браво. Корреляционный анализ затем нашел широкое применение в экономической теории и практике, в социологии и др.

Вопрос № 34. Дайте характеристику четырех типов фундаментальных взаимодействий в природе: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого

Все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям. В порядке возрастания интенсивности эти фундаментальные взаимодействия представляются следующим образом: гравитационное взаимодействие; слабое взаимодействие; электромагнитное взаимодействие; сильное взаимодействие. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в природе, именно они являются источником всех преобразований материальных тел, процессов. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия.

Прежде всего, следует сказать о том, что является общим для этих фундаментальных взаимодействий. Иначе говоря: как понимает современная физика сущность взаимодействия? Как уже отмечалось, еще в середине XIX в. с созданием теории электромагнитного поля выяснилось, что передача взаимодействия осуществляется не мгновенно (принцип дальнодействия), а с конечной скоростью посредством некоторого посредника -- непрерывно распределенного в пространстве поля (принцип близкодействия). Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света.

Однако уже в первой четверти XX в., с появлением квантовой механики значительно углубилось представление о физическом поле. В свете квантово-волнового дуализма любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру, ему должны соответствовать определенные частицы, кванты этого поля. Например, квантами электромагнитного поля являются фотоны. Когда заряженные частицы обмениваются между собой фотонами, это приводит к появлению электромагнитного поля. Фотоны и являются переносчиками электромагнитного взаимодействия.

Аналогичным образом и другие виды фундаментальных взаимодействий имеют свои поля и соответствующие частицы, переносящие это полевое взаимодействие. Изучение конкретных свойств, закономерностей этих полей и частиц -- носителей фундаментальных взаимодействий -- главная задача современной физики.

Гравитация.

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в XVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Релятивистской теорией гравитации является ОТО, которая в области слабых гравитационных полей переходит в теорию тяготения Ньютона.

Гравитация обладает рядом особенностей, резко отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Поэтому в описании взаимодействий элементарных частиц оно обычно не учитывается. В микромире гравитация ничтожна.

Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело во второй удивительной черте гравитации -- ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас.

Кроме того, гравитация -- дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.

Весьма трудно развиваются представления о квантовании гравитации. Тем не менее согласно общим теоретико-физическим представлениям гравитационное взаимодействие должно подчиняться квантовым законам так же, как и электромагнитное. (Иначе возникают множественные противоречия в основаниях современной физики, в том числе связанные с принципом неопределенности и др.) В таком случае гравитационному взаимодействию должно соответствовать поле с квантом гравитации -- гравитоном (нейтральная частица с нулевой массой покоя и спином 2). Квантовая гравитация приводит к появлению представления о дискретности свойств пространства-времени, понятиям элементарной длины, кванта пространства r ? 10-33см, и элементарного временного интервала, кванта времени t ? 10-43 с. Последовательная квантовая теория гравитации пока не создана.

К сожалению, возможности современной экспериментальной гравитационной физики и астрономии не позволяют зафиксировать квантовые эффекты гравитации в силу их чрезвычайной слабости. Тем не менее явления, в которых проявляются квантовые свойства гравитации, по-видимому, существуют. Они проявляют себя в очень сильных гравитационных полях, где происходят квантовые процессы рождения частиц (точка сингулярности, начальные моменты возникновения Вселенной, гравитационный коллапс, черные дыры.

Электромагнетизм.

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). Но долгое время электрические и магнитные явления изучались независимо друг от друга. И только в середине XIX в. Дж. К. Максвелл объединил учения об электричестве и магнетизме в единой теории электромагнитного поля. А существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 1890-е гг. Но не все элементарные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. Этим электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные -- притягиваются. Но в отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами -- северный полюс и южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс -- монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные теории допускают возможность существования магнитного монополя.

Электромагнитное поле неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неотрывно от этих частиц. Но при ускоренном движении частиц электромагнитное поле «отрывается» от них и участвует в независимой форме электромагнитных волн. При этом радиоволны (103--1012 Гц), инфракрасное излучение (1012-- 3,7 1014 Гц), видимый свет (3,7 1014--7,5 1014 Гц), ультрафиолетовое излучение (7,5 1014--3 1017 Гц), рентгеновское излучение (3 1017-- 3 1020 Гц) и гамма-излучение (3 102--1023 Гц) представляют собой электромагнитные волны различной частоты. Причем между соседними диапазонами резких границ нет (длина электромагнитной волны с ее частотой связана соотношением: л = c/v, где л -- длина волны, v -- частота, с-- скорость света).

Электромагнитное взаимодействие (как и гравитация) является дальнодействующим, оно ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи -- в мегамире, макромире и микромире.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. В то же время электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и молекул (положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны). Оно отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных): силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются свойства агрегатных состояний вещества, химических превращений, оптические явления, явления ионизации, многие реакции в мире элементарных частиц и др.

Слабое взаимодействие.

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц. Поэтому с его проявлением столкнулись при открытии радиоактивности и исследовании бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Создавалось впечатление, что в этом распаде как будто нарушается закон сохранения энергии, что часть энергии куда-то исчезает. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она -- нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Но предсказание нейтрино -- это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами, но было известно, что внутри ядер нет таких частиц. Как же они возникали? Выяснилось, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино. Какие же силы вызывают такой распад? Анализ показал, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой, которой соответствует некоторое «слабое взаимодействие».

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного. Там, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительные расстояния. Радиус слабого

взаимодействия очень мал (10-16 см). Потому оно не может влиять не только на макроскопические, но даже на атомные объекты и ограничивается субатомными частицами. Кроме того, по сравнению с электромагнитным и сильным взаимодействиями слабое взаимодействие протекает чрезвычайно медленно.

Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие играет в природе очень важную роль. Оно является составной частью термоядерных реакций на Солнце, звездах, обеспечивая синтез пульсаров, взрывов сверхновых звезд, синтез химических элементов в звездах и др.

Теория слабого взаимодействия была создана в конце 1960-х гг. Создание этой теории явилось крупным шагом на пути к единству физики.

Сильное взаимодействие.

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий -- сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, -- Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием (при существенном участии и слабого взаимодействия). Но и человек научился вызывать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено и получило название «сильное взаимодействие».

Выяснилось, что, хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, за пределами ядра оно не ощущается. Сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10-13 см. Главная функция сильного взаимодействия в природе -- создание прочной связи между нуклонами (протонами и нейронами) в ядрах атомов. При этом столкновение ядер или нуклонов, обладающих высокими энергиями, приводит к разнообразным ядерным реакциям, в том числе реакции термоядерного синтеза на Солнце, которая является основным источником энергии на Земле.

Вместе с тем выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы.

Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 1960-х гг., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой -- малого радиуса (сильное и слабое). Мир физических процессов развертывается в границах этих двух полярностей и воплощает единство предельно малого и предельно большого -- микромира и мегамира, элементарной частицы и всей Вселенной.

Вопрос № 43. Что такое самоорганизация в термодинамических системах? Возможны ли аналогии при анализе самоорганизации в системах другой природы?

Человек всегда стремился постичь природу сложного, пытаясь ответить на вопросы: как ориентироваться в сложном и нестабильном мире? Какова природа сложного и каковы законы его функционирования и развития? В какой степени предсказуемо поведение сложных систем? Среди сложных систем особый интерес вызывают самоорганизующиеся системы. К такого рода сложным открытым самоорганизующимся системам относятся биологические и социальные системы, которые более всего значимы для человека.

В 1970-е гг. начала активно развиваться теория сложных самоорганизующихся систем. Результаты исследований в области математического моделирования сложных открытых систем привели к рождению нового мощного научного направления в современном естествознании -- синергетики. Как и кибернетика, синергетика -- это некоторый междисциплинарный подход. Но если в кибернетике акцент делается на процессах управления и обмена информацией, то синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения.

Мир самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем мир закрытых, линейных систем. Вместе с тем его сложнее моделировать. Как правило, для (приближенного) решения большинства возникающих здесь нелинейных уравнений (порядок выше первого) требуется сочетание современных аналитических методов и вычислительных экспериментов. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.п.

Методами синергетики осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики и автоколебательных процессов в химии до эволюции звезд и космологических процессов, от электронных приборов до формирования общественного мнения и демографических процессов. Основной вопрос синергетики -- существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций.

Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие. Например, жидкость, подогреваемая снизу, совершенно равномерно обретает в результате самоорганизации макроструктуру, образуя шестиугольные ячейки.

Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присущи природе, -- систем, способных к самоорганизации, саморазвитию.

Основные свойства самоорганизующихся систем -- открытость, нелинейность, диссипативность. Теория самоорганизации имеет дело с открытыми, нелинейными диссипативными системами, далекими от равновесия.

Напомним, что объект изучения классической термодинамики -- закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией, а центральным понятием термодинамики является понятие энтропии. Оно относится к закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой Т. Изменение энтропии определяется формулой: dE = dQ/T, где dQ-- количество теплоты, обратимо подведенное к системе или отведенное от нее (см. 8.1.2).

Именно по отношению к закрытым системам были сформулированы два начала термодинамики. В соответствии с первым началом в закрытой системе энергия сохраняется, хотя может приобретать различные формы. Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. Согласно этому началу, запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная неизбежно приближается к «тепловой смерти». Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, чтобы воспрепятствовать возрастанию энтропии. Со временем способность Вселенной поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. По мере того как иссякает запас энергии и возрастает энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что Вселенную ждет все более однородное будущее.

Вместе с тем уже во второй половине XIX в., и особенно в XX в., биология, прежде всего теория эволюции Дарвина, убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к снижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. История и эволюция Вселенной развивают ее от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному. Иначе говоря, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. Такая возможность появилась только с переходом естествознания к изучению открытых систем.

Открытые системы -- это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне и (или) стока вовне вещества, энергии или информации. Причем приток и сток обычно носят объемный характер, т.е. происходят в каждой точке данной системы. Так, во всех компонентах биологического организма (ткани, органы, клетки и т.д.) происходит обмен веществ, приток и отток вещества (с помощью кровеносных сосудов, эндокринной и других систем). Постоянный приток (и сток) вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных, неустойчивых состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному состоянию.

Неравновесность, неустойчивость открытых систем порождается постоянной борьбой двух тенденций. Первая -- это порождение и укрепление неоднородностей, структурирования, локализации элементов открытой системы. И вторая -- рассеивание неоднородностей, «размывание» их, диффузия, деструктурализация системы. Если побеждает первая тенденция, то открытая система становится самоорганизующейся системой, а если доминирует вторая -- открытая система рассеивается, превращаясь в хаос. А когда эти тенденции примерно равны друг другу, тогда в открытых системах ключевую роль -- наряду с закономерным и необходимым -- могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается.

Открытые системы -- это системы необратимые; в них важен фактор времени.

Главная идея синергетики -- идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой. Например, в химии такое явление называют автокатализом. В неорганической химии автокаталитические реакции довольно редки, но, как показали исследования последних десятилетий в области молекулярной биологии, петли положительной обратной связи (вместе с другими связями -- взаимный катализ, отрицательная обратная связь и др.) составляют саму основу жизни.

Самоорганизующиеся системы -- это обычно очень сложные открытые системы, которые характеризуются огромным числом степеней свободы. Однако далеко не все степени свободы системы одинаково важны для ее функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое количество ведущих, определяющих степеней свободы, к которым «подстраиваются» остальные. Такие основные степени свободы системы получили название аттракторов. Аттракторы характеризуют те направления, в которых способна эволюционировать открытая нелинейная среда. (В закрытой системе аттрактор один, и он определяется вторым началом термодинамики -- максимальная энтропия.) Иначе говоря, аттракторы -- это те структуры (и цели), по направлению к которым протекают процессы самоорганизации в нелинейных средах. Для наглядной иллюстрации понятия аттрактора часто используют образ конуса «воронки», который втягивает в себя траектории эволюции нелинейной системы.

В процессе самоорганизации возникает множество новых свойств и состояний. Очень важно, что обычно соотношения, связывающие аттракторы, намного проще, чем математические модели, детально описывающие всю новую систему. Это связано с тем, что аттракторы отражают содержание оснований неравновесной системы. Поэтому задача определения аттракторов -- одна из важнейших при конкретном моделировании самоорганизующихся систем.

Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Система самоорганизуется не гладко и просто, не неизбежно. Самоорганизация переживает и переломные моменты -- точки бифуркации. Вблизи точек бифуркаций в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных факторов резко возрастает.

В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры -- лазерные пучки, неустойчивости плазмы, флаттер, химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке бифуркации система как бы колеблется перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.

Переход от Хаоса к Порядку вполне поддается математическому моделированию. Более того, в природе существует не так уж много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых разных сферах действительности (в природе и обществе -- его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию.

Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы -- это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации -- от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).

детерминизм самоорганизация клеточное строение

Вопрос № 52. Приведите основные положения клеточной теории строения живых организмов

Клетка -- основная структурная и функциональная единица организма.

Долгое время биология изучала свойства животных и растений основе их макроскопического строения (видимого невооруженным глазом). Глубже в строение и функции организмов она проникла после открытия их клеточного строения и изучения клетки как основной структурной и функциональной единицы.

Размеры клеток обычно порядка нескольких микрометров 1 мкм - 0,001 мм); самые мелкие--от 0,5 до 1,2 мкм, что делает недоступными для изучения невооруженным глазом. Открытие исследование клетки тесно связано с изобретением и усовершенствованием микроскопа.

В 1665 г. английский естествоиспытатель Роберт Гук с помощью микроскопа впервые установил «клеточное строение» на случайно выбранном для наблюдения растительном объекте -- мертвой Щи, пробке. Он ввел понятие «клетка» для обозначения наблюдения в пробке пустых ячеек, поэтому свойства живой материи Гук ошибочно связывал с клеточной стенкой.

В последней трети XVII в. в работах голландского ученого А.. Левенгука были описаны выдающиеся открытия, в частности клеточное строение животных, но только в 30-е годы прошлого столетия было установлено, что клетки не полые пузырьки, а заполнены полужидким содержимым -- «протоплазмой». В 1831 г. Р. Броун впервые описал ядро.

В 1838 г. немецкий ботаник М. Шлейден пришел к заключению, что ядро является обязательным компонентом всех растительных клеток. Его соотечественник зоолог Т. Шванн, сопоставив клетки животных и растительных организмов, сделал вывод, что все они сходны. Это дало основание М. Шлейдену и Т. Шванну сформулировать основное положение клеточной теории: все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по строению.

В 1858 г. немецкий ученый Р. Вирхов внес в клеточную теорию важное дополнение. Он доказал, что число клеток в организме увеличивается в результате их деления, так как клетка происходит только от клетки.

Открытие клеточного строения у живых организмов Ф. Энгельс отнес к числу трех важнейших открытий XIX столетия в области естествознания наряду с законом сохранения энергии и эволюционным учением Ч. Дарвина. Хотя клеточная теория не сразу получила всеобщее признание, тем не менее она явилась мощным стимулом интенсивного изучения клетки. Появились новые замечательные открытия. В 1877--1881 гг. Э. Руссов и И. Горожанкин впервые наблюдали и описали цитоплазматические соединения между растительными клетками -- плазмодесмы. Позднее их формирование и структуру изучали немецкие ботаники Э. Страсбургер и Ю. Сакс. Таким образом были доказаны взаимосвязь клеток в тканях и органах и, следовательно, материальная основа целостности организма.

Целая эпоха в развитии наших знаний о внутриклеточной структуре и физиологии клетки связана с открытием и изучением деления ядер -- кариокинеза -- и деления клеток - цитокинеза (работы П. Чистякова, Э. Страсбургера, Л. Гиньяра и др.).

Развитие наших знаний о клеточном строении основывалось на данных светового микроскопирования. Но разрешающая способность светового микроскопа ограничена. С помощью светового микроскопа нельзя рассматривать ультраструктуры клетки, измеряемые нанометрами (1 нм - 0,001 мкм). С открытием же электронного микроскопа, который позволяет увеличивать тонкие структуры клетки в 100 000 раз и больше, возможности изучения клетки резко возросли.

Современные методы исследования позволяют учитывать взаимосвязь структуры и функции, т.е. изучать клетки в единстве с физиологией. Так, один из биохимических методов -- хроматография -- позволяет установить не только качественные, но и количественные соотношения внутриклеточных компонентов; метод фракционного центрифугирования -- изучить отдельные компоненты клетки -- ядро, пластиды, митохондрии, рибосомы и др.

Современная клеточная теория включает следующие положения: клетка -- основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого; клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ; размножаются клетки путем деления, каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки; в многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы. Значение клеточной теории заключается в том, что она доказывает единство происхождения всех живых организмов на Земле.

Список литературы

Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. М., 2004.

Пахомов Б.Я. Становление современной научной картины мира. М., 1995.

Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. Курс лекций. М., 2004.

Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. М., 1998.

1. Размещено на www.allbest.ru


Подобные документы

  • Концепция детерминизма - одна из фундаментальных онтологических идей, положенных в основу классического естествознания. Сущность небесной механики — раздели астрономии, применяющего законы механики для изучения движения небесных тел. Механика Ньютона.

    реферат [65,3 K], добавлен 26.03.2011

  • Особенности фундаментальных взаимодействий в природе. Что такое ядерная и термоядерная реакции. Строение атома. Важные элементы для жизнедеятельности. Основные признаки живого, теории происхождения жизни Миллера и Опарина. Устойчивость биосферного уровня.

    контрольная работа [80,8 K], добавлен 10.11.2009

  • Многообразие клеток в природе. Принципы строения организмов. Структуры, ограничивающие клетки и внутриклеточные органоиды. Поверхностный полисахаридный слой мембраны. Сигнальные углеводы и рецепторные белки. Механизм поступления веществ в клетку.

    презентация [4,8 M], добавлен 26.05.2012

  • Фундаментальные взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое; их понятие и краткая история. Взаимосвязь всех материальных объектов микро, макро и мегамира. Электромагнитное взаимодействие между телами в космических масштабах.

    реферат [332,4 K], добавлен 10.07.2011

  • Цитология как наука о клетках – структурных и функциональных единицах почти всех живых организмов. Основные положения клеточной теории. Открытие клетки. Основные свойства живых клеток. Открытие закона наследственности. Достижения современной цитологии.

    контрольная работа [1,5 M], добавлен 28.10.2009

  • Понятие и свойства обратной связи, ее распространенность и значение в живой природе, технике и обществе. Сущность теории двойственной связи как важной стороны управления в живых системах. Отличительные признаки положительных и отрицательных связей.

    реферат [23,9 K], добавлен 27.06.2010

  • Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие, — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе, его переносчики. Отличительные свойства слабого взаимодействия, его характеристика интенсивности. Операция пространственной инверсии.

    реферат [46,2 K], добавлен 27.03.2015

  • Зависимость сил взаимодействия между молекулами от расстояния между ними. Взаимодействие агрегатных состояний вещества, характер движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах. Закон трех взаимодействий (активной, пассивной и нейтрализующей сил).

    контрольная работа [29,1 K], добавлен 11.10.2010

  • Принципы осмысления действительности. Принципы нелинейной термодинамики неравновесных процессов в синергетике. Синергетика как научная теория о самоорганизации в природе и обществе как открытых системах. Катастрофы и бифуркации синергетической системы.

    реферат [32,4 K], добавлен 24.06.2010

  • Формы живого в природе и их промышленные аналоги. Применение в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур природы. Моделирование живых организмов, архитектурно-строительная бионика; основные направления работ.

    презентация [92,7 K], добавлен 31.03.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.