Панорама современного естествознания

Панорама  современного естествознания  

Остановимся лишь на ключевых, концептуальных положениях, сгруппировав их в три больших  класса, сообразно масштабу объектов и рассматриваемых процессов: микро-, макро-  и мега- .

       1. Микрофизика. Основными предметами этого раздела естествознания являются элементарные частицы, фундаментальные физические поля, пространство-время и их взаимодействия. Синонимом микрофизики являются «физика высоких энергий» или «физика элементарных частиц». В предыдущем модуле мы уже кратко обсуждали краеугольные камни этого фундаментального раздела современной науки. После открытий Бора, Резерфорда, Эйнштейна и др. квантовая механика продолжала развиваться и к середине 30-х годов 20-го века выросла в мощную, сильную математизированную теорию микромира. Было открыто множество «элементарных» частиц и реакций между ними, в результате которых они превращались друг в друга или рождали новые, неизвестные до той поры частицы. Помимо гравитационного и электромагнитного полей, которые безуспешно пытался объединить в рамках одной теории Эйнштейн, обнаружились еще два фундаментальных физических поля: ядерное (сильное) и слабое, которые по своим свойствам отличались от двух предыдущих. Были открыты ядерные реакции, приводившие к синтезу или распаду ядер на более мелкие осколки, увеличению или уменьшению их электрического заряда на один или два элементарных. Т.е. открылась новая отрасль науки - ядерная химия. Фактически на новом витке развития науки осуществилась вековая мечта полузабытых алхимиков о превращении одного химического элемента в другой. Несколько хорошо оснащенных лабораторий мира продолжают «удлинять» таблицу Менделеева в сторону  с большим атомным номером. В природе не существует элементов тяжелее урана, т.к. они нестабильны и относительно быстро распадаются, если их даже получить искусственно путем ядерной реакции. Причем, чем дальше они отстоят в таблице Менделеева от урана, тем период полураспада делается меньше, уменьшаясь до малых долей секунды. Но в области атомных номеров 114-116 (уран имеет атомный номер 92) теория предсказывает «остров стабильности», где могут существовать химические элементы с совершенно удивительными свойствами. Первые атомы (да-да, не удивляйтесь, в экспериментах по созданию новых химических элементов счет идет буквально на атомы) с такими высокими элементами уже в 21 веке получили российские ученые из Объединенного института ядерных исследований в подмосковном городе Дубна. Росло и число вновь открываемых «элементарных» частиц. Современные справочники содержат сейчас уже около 400 таких частиц (вместе с античастицами, у которых все свойства,  кроме электрического заряда тождественны соответствующим частицам). По всеобщему мнению - это слишком много,  для того чтобы образовывать основу, фундамент нашего мира. Да и большинство из них не являются в буквальном смысле «элементарными«,  т.е. не состоящими из более мелких частиц.  Напротив, о многих из них известно, что в их составе имеются более мелкие образования. Таковы, например, основные частицы атомного ядра - нейтроны, протоны, пи-мезоны.  Сейчас твердо установлено, что они состоят из трех (первые две) или двух (пи-мезоны) частиц, получивших название «кварки». Есть подозрения, что и кварки могут оказаться не вполне элементарными. До каких же пор ученые будут разбирать эту «матрешку» природы? На это никто пока не может дать ответа. Проблема установления полного набора истинно элементарных частиц во Вселенной - одна из наиболее принципиальных нерешенных в современной науке (в физике элементарных частиц она называется проблемой «спектра масс»).

       Помимо  чисто познавательного интереса, работы в этой области подогреваются  еще и тем, что опускаясь все  ниже по ступенькам структуры материи  вглубь, мы сталкиваемся и овладеваем все большими и большими силами  и энергиями в Природе. Так, например, если в самой энергонасыщенной химической реакции (это фактически реакция между наружными, слабоудерживаемыми электронами в атомах, не затрагивающая ни глубоких электронных орбиталей, ни тем более атомных ядер), может выделиться несколько электрон-вольт энергии в расчете на реагирующий атом, то в ядерной реакции, когда происходят изменения в составе реагирующих ядер, может выделиться 10 миллионов электроно - вольт энергии на каждое реагирующее ядро. Напомним, что в мире атомов электрон - вольт является удобной единицей измерения энергии, которая равна дополнительной энергии, приобретаемой электроном в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 Вольт. Если уподобить электрон-вольт рублю, то можно сказать, что в мире химических реакций (будь то горение угля, бензина, газа, пороха, взрыв детонирующего взрывчатого вещества и т.п.) расчет всяких обменов и продаж ведется рублями, а в мире ядерных реакций - сразу десятками миллионов рублей. Причем, заметьте, эти силы заключены в одном и том же атоме, только химические - в электрических полях атома и валентных электронах,  а ядерные - глубже, в ядре, в поле неизмеримо более мощных ядерных сил. При переходе на еще более глубокий, более тонкий уровень строения материи мы можем получить доступ к еще более мощным источникам энергии. Пока это, правда, тоже только лишь задача будущего. Парадокс заключается в том, что для исследований все более мелких частиц необходимо строить все более крупные исследовательские приборы – детекторы и ускорители, и разгонять в них частицы до все более больших энергий, чтобы преодолеть все более мощные силы природы, связывающие элементарные частицы в известные нам более крупные образования.

       2. Макрофизика. Это наиболее обширная, “густо заселенная” учеными и наиболее понятная публике область естествознания. Поскольку она стоит ближе к практике, чем многие другие направления фундаментальной науки, ей больше уделяют внимание общественность, пресса и органы, финансирующие исследования. Однако идеологическая нагрузка этого большого раздела современной науки не так велика, как ее количественные характеристики. Поэтому остановимся лишь на тех проблемах, которые имеют очевидный междисциплинарный или мировоззренческий характер.

       2.1. Системы с малой и дробной размерностью. В обычной жизни мы привыкли к трехмерным, евклидовым объектам, имеющим три измерения и простую форму (сфера, куб, призма, параллелепипед, конус и т.д.). Однако в природе существуют и такие объекты, которые характеризуются меньшим числом измерений. Так, например, тонкие пленки или поверхностные слои атомов жидкости, твердого тела или границ между ними являются квазидвумерными системами. После создания так называемых “планарных” технологий изготовления современной полупроводниковой  техники внимание к ним сильно возросло. Выяснилось, что свойства таких объектов могут радикально отличаться от таковых в объемных трехмерных телах, составленных из тех же атомов. Можно себе представить и квазиодномерные объекты в виде тонкой нити, для которых существенной является только одна координата - вдоль длины (таковы, например, органические полимерные молекулы, из которых состоит все живое и мы с вами). Физика низкоразмерных систем выделилась в самостоятельную интересную дисциплину, а ее приложения уже сейчас дали много очень полезных результатов.

       В отличие от человека, который создает  искусственно в основном предметы с  целым числом размерностей, природа  более изощрена и часто порождает  объекты с дробной или, как  еще говорят, фрактальной размерностью, т.е. не целым числом, например, 1, 2 или 3, а имеющими значение между единицей и двойкой, или двойкой и тройкой. Таковы с точки зрения геометрии контуры облаков, деревьев, береговых линий морского побережья, снежинок и много другого. Введение в широкий научный оборот понятия фрактала дает возможность посмотреть на окружающий мир под новым углом зрения, найти в нем некоторые новые “универсалии”, обобщения. Например, рассматривая кучевые или пористые облака на небе, скорее всего, вы не найдете и двух похожих друг на друга по своей геометрии. Но оказывается, что фрактальные размерности облаков определенного типа (или, скажем, деревьев определенного вида в лесу) есть величина неизменная для них и характеризующая их всего одним числом. Это позволяет сильно “свертывать “ информацию об объекте, если его потом нужно просто распознавать и классифицировать, а не изучать в мельчайших подробностях.

    Генетика  (от греческого - происхождение, рождение).

    Генетика - важнейшая и сейчас ведущая часть  современных биологических знаний. Она охватывает широкий круг явлений  наследственности и изменчивости всех живых организмов, начиная с фагов  и вирусов и заканчивая человеком. Генетика ставит своей задачей не только изучение механизмов наследственности и изменчивости, но и сознательное управление ими с целью выведения новых организмов, лечения болезней и направление развития в желательную сторону.

    Генетика  прошла в своем развитии несколько  этапов. Австрийский монах Г. Мендель, скрещивая разные сорта гороха, открыл в середине 19 века феноменологические законы наследственности. А. Вейсман  показал в конце 19-го века, что  половые клетки обособлены от остального организма и не подвержены влияниям, действующим на соматические клетки. Голландец Гуго де Фриз в начале 20-го века открыл существование наследственных мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Мутации - это своеобразные опечатки, возникающие под действием естественных флуктуаций (подробнее смотрите следующий пункт этого модуля) и внешних причин (химических, радиационных) в переиздающейся программе жизни следующего поколения. В результате мутаций наследственные признаки не являются постоянными, а могут скачкообразно изменяться, меняя в конечном итоге свойства белков, синтезируемых организмом. Перед 2-ой мировой войной Дж. Бидл и Э. Татум выявили генетическую основу процесса биосинтеза (Нобелевская премия 1952г.). К концу сороковых годов стало ясно, что материальными носителями наследственной информации являются макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и через несколько лет Ф. Крик и Дж. Уотсон предложили модель двойной спирали молекулярной структуры ДНК и механизм ее репликации, за что и получили Нобелевскую премию в 1962 г.

    Российские  ученые до начала 40-х годов занимали ведущие позиции в генетике (Н. Кольцов, Н. Тимофеев-Ресовский, В. Сахаров, И. Раппопорт, Н. Дубинин, Н. Вавилов и др.). Однако политические репрессии и известная сессия ВАСХНИЛ, проведенная под идеологическим руководством “народного академика” Лысенко в 1948 году, надолго отбросила российскую генетику в положение догоняющей.

    По  своей значимости открытие законов  наследственности и ее молекулярных механизмов стоит в одном ряду с самыми выдающимися достижениями естествознания. Началась новая эра  в биологии, связанная с бурным развитием  молекулярной биологии, т. е. рассмотрением основ жизни на молекулярном уровне.

    Каковы  же ее успехи, перспективы, проблемы?  После того как было твердо установлено, что основной функцией ДНК является кодирование будущего синтеза белков, и эта информация заключена в определенной последовательности всего четырех букв, роль которых выполняют азотные основания (гуанин, аденин, тимин и цитазин) - открылись принципиальные возможности сознательного управления наследственностью. Однако до практической реализации этой идеи в полном объеме - путь не близкий. Конечно, уже сейчас методами генной инженерии созданы десятки новых штаммов полезных микроорганизмов, сортов высокоурожайных растений и т. д. Однако для работы не вслепую, а по “чертежам”, необходимо выяснить не только генотип каждого организма, с которым начинается работа, т. е. последовательность всех “букв” длинного текста - генов, но и их конкретные функции. Учитывая, что молекула ДНК - это практически самая большая молекула в организме (да и в природе вообще), даже при наличии очень производительной техники анализа требуются многие годы, чтобы проделать секвенирование (от латинского – «последовательность», т. е. установление последовательности генов в конкретной молекуле ДНК) даже для простейших организмов. Так, за несколько лет непрерывной работы в нескольких лабораториях, оснащенных по последнему слову техники, была проделана работа по секвенированию ДНК знаменитого биологического объекта - плодовой мушки дрозофилы, в работе с которой ранее было выяснено большое число законов генетики. В ее ДНК содержится 1,8 млрд. букв - азотных оснований, что ненамного уступает ДНК человека (около 3,5  млрд. оснований). Близки к завершению исследования генома риса (вероятно, работа потребует еще 2 - 3  лет). Начаты исследования геномов пшеницы, кукурузы и других видов, составляющих основу продовольственной базы человека. Практически закончена работа и по секвенированию ДНК человека (какого именно - большой секрет  для общества!). Его опубликование будет заметной вехой в культурной истории человека. Однако работа с геномом человека только начинается. Мало знать последовательность букв и слов в книге, надо еще ее прочесть и понять смысл. Пока бóльшая часть этого текста остается непонятной. Для чего она нужна? Каковы функции так называемых спящих генов, никак себя не проявляющих? Рано или поздно это конечно будет выяснено. Ответы на эти вопросы дадут возможность бороться с тяжелыми наследственными заболеваниями (эпилепсия, шизофрения, гемофилия и т. д.), возможно, с онкологическими болезнями, выращивать искусственные органы для пересадки, бороться с мутациями, вызванными неблагоприятными условиями (например радиацией), точно идентифицировать личность по очень малым количествам биоматериала и т. д. А пока разрабатываются методы удаления или замены отдельных участков ДНК различных организмов, что дает возможность изменять их наследственную природу и свойства уже в следующем поколении, а не через десятки-сотни, как при обычной селекции.

    Нет сомнения, что все сложные научные  проблемы будут решены в ближайшие  годы, но уже сейчас возникли небывалые  юридические и морально-этические  вопросы. Вправе ли мы так сильно вмешиваться  в природу живого, тем более  человека? Можем ли мы представить  и потом управлять всеми последствиями, выпуская этого джина из бутылки? Где проходит граница между правами  индивидуума на тайну личной жизни  и интересами общества? Список подобных вопросов очень велик. Они составляют предмет возникших совсем недавно  дисциплин - биоэтика и биоправо, которые пытаются пытаются выработать моральные и юридические нормы поведения человека, разрешения конфликтов, ограничений в новых условиях. Важно, чтобы их разработка и принятие обществом не отставали от научно-технических возможностей.

    Динамические  и статистические закономерности. В модуле 3 мы уже затрагивали центральный вопрос современного естествознания, касающийся всеобщности причинно – следственных связей в окружающей действительности. Природа этой причинности продолжает оставаться в центре внимания физики, социологии, философии. Что управляет телами, живыми существами, обществом? Каково соотношение закономерного и случайного в их поведении? В разные времена люди, принадлежащие к разным социальным, религиозным и культурным слоям, отвечали на эти вопросы по-разному. Два философских направления занимают прямо противоположные позиции в ответах на эти вопросы: детерминизм (от латинского - определять) – учение о причинной материальной обусловленности природных, психических и социальных явлений; и индетерминизм – учение, отрицающее причинную обусловленность событий в окружающем мире и сознании человека. Некоторые философские течения признавали  методологические принципы детерминизма в отношении неживой природы и отвергали его для живых существ, в частности, человека, оставляя за ним «свободу воли», т. е. возможность выбора. Индетерминизм как всеобщий принцип находится вне поля любых научных подходов, и мы его обсуждать не будем.

    Содержание  и смысл термина «детерминизм»  несколько раз претерпевали серьезные  изменения. В результате сейчас принято  формулировать этот принцип с  позиции выяснения соотношения  динамических и статистических законов природы.

    Динамические  законы отображают объективные закономерности в форме однозначной количественной связи физических величин, характеризующих причины, условия и следствия. Вспомним, например, второй закон Ньютона. Он связывает ускорение, получаемое телом, с действующей на него результирующей силой и массой. Торжество классической механики породило ощущение универсальности и всеобщности таких законов. Абсолютизация динамических закономерностей (в наиболее известных формулировках, проведенная П. Лапласом – «лапласовский детерминизм»), привела к распространению механистического детерминизма на все явления природы, что было явно неправомерным, особенно с точки зрения биологов, психологов, значительной части философов.