Иерархия уровней организации живого

Различие логических подходов в физике и биологии затрудняет взаимодействие между этими науками и  создание достаточно обоснованной физической  теории биологических явлений.  Для  биологии  очевиден  вопрос «для  чего?»,  т. е. формулировки рассматриваемых закономерностей носят финалистический характер. Физика спрашивает «почему?», «вследствие  чего?», т.е.  формулирует  физические  законы  как  казуальные.

Понятно, что истинный научный смысл представляет именно последний подход. Физика и естествознание в целом казуальны — наука ищет причины (causa) явлений. Однако  эти  разные методологические подходы могут быть объединены, поскольку  в действительности  нет  принципиального  противоречия  между  финализмом  и казуальностью,  и,  следовательно,  такое  различие  в  подходах  в  биологии  и  физике является чисто внешним, а не глубинным. Любая физическая закономерность может быть выражена, через  принцип  оптимальности,  или  вариационный принцип.  Сама  идея  вариационного  принципа, состоит  в  отыскании экстремума  или  оптимума,  т.е.  носит  четко  выраженный  финалистический  характер. Поэтому  физические  законы  и  обобщения  на  их  основе  в естествознании  можно формулировать как казуально, так и финалистически. Вариационный финализм сводится к казуальности.

Остановимся еще на одном различии биологического и физического методов познания природы. Биология  как наука о строении и функциях живых  организмов  устанавливает общие  и  частные  закономерности,  присущие живой  природе  во  всех  ее  проявлениях  и особенностях.  Несмотря  на  сохранившийся  до  появления  молекулярной  биологии  и генетики  описательный  характер  изучения  живого,  биология  в  целом  с материалистических,  естественно-научных  позиций  объясняет  эволюцию  мира  живой природы и место в ней человека. В  то же  время классической физике была чужда идея эволюции.  Она  действительно  пыталась  согласно  своим  представлениям  ответить  на вопросы, «почему» и «как»  устроен  реальный физический мир, но не могла  объяснить, почему  именно  так,  а  не  иначе.  Это  идет  от  классической  ньютоновской  посылки: «...причину же  этих  свойств  силы тяжести  я  до  сих  пор  не  мог  вывести  из  явлений, гипотез же я не измышляю ... Довольно того, что тяготение на самом деле существует и  действует  согласно  изложенным  нами  законом  и  вполне  достаточно  для  объяснения всех  небесных  тел  и  моря».  Хотя количественные  законы  движения,  изменения положений  реальных  объектов  в  определенных  условиях  классическая  механика прекрасно  описывает.  Но  сейчас  мы  понимаем,  что  этого  мало,  и  привлекаем  в постнеклассической физике антропный принцип (АП).

1.4. Антропный принцип  в физике живого

Антропный принцип - один из фундаментальных принципов современной космологии, который фиксирует связь между крупномасштабными свойствами нашей Вселенной (Метагалактики) и существованием в ней человека, наблюдателя. Термин “антропный принцип” предложил английский математик Б. Картер (1973): “то, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей”.

Антропный  принцип,  по  мнению  многих  космологов,  является  единственной систематической  попыткой  научно  объяснить  кажущуюся  таинственной  структуру физического  мира.  Этот  принцип  вводит  в  физику  некие  новые  ощущения,  не свойственные ей как классической науке, например, роль человека как наблюдателя,  соучастника  эксперимента  становится  неустранимой,  становится  уже фундаментальным представлением. Антропный принцип претендует ответить на вопрос: почему Вселенная такова, какой мы ее наблюдаем?

Более того, этот принцип затрагивает понятие целеполагания, целевую функцию процесса эволюции. В телеологическом смысле из АП вытекает, что «подгонка» фундаментальных физических констант, благоприятная для нашего человеческого возникновения и существования, обусловлена тем, что именно человек выступает целью происходящих в природе эволюционных процессов. Такая интерпретация АП в эволюции живого хорошо воспринимается в биологии, так как в ней идея развития - главная, она распространяется на основные законы живой природы. И эти биологические закономерности возникают вместе со становлением самой жизни.

В то же время классическая физика начиная с Ньютона не ставила перед собой проблемы объяснения действующих во Вселенной физических законов. Наоборот, фундаментальный принцип любого физического исследования - объективная воспроизводимость эксперимента - основан, по существу, на неизменности физических законов: в различные моменты времени законы природы действуют одинаково. Получается, что во времени нет выделенных точек, в которых бы менялся характер изучаемых физикой законов. Хотя даже простая логика подсказывает, что может быть как раз несоответствие существующих законов, применяемых к объяснению неизвестных, непознанных физикой явлений, и свидетельствует, что в этом изменяющемся мире должны изменяться и законы физики.

На самом деле мы в этом неоднократно убеждались: в квантовом мире и Космосе требуются свои механики. Но в целом здесь очередной парадокс между биологическими и физическими подходами к изучению единой природы и необходимость правильного истолкования АП. Мы же не можем применить к настоящей науке богословский аргумент Божьего замысла. Как и со «стрелой времени», этот парадокс в настоящее время преодолевается через синергетическое понимание эволюции сложных неравновесных когерентных самоорганизующихся открытых систем, формирование, по И.Р. Пригожину, физики возникающего. Такое понимание физики возникающего на основе современных представлений теории самоорганизации и может стать физикой живого.

Сейчас  можно  считать  общепринятым  положение,  что  живые  организмы  являются открытыми  неравновесными  системами,  и,  естественно,  поэтому  хочется  применить  к ним те же физические законы, которые используются для объяснения физико-химических процессов в объектах неживой природы и даже управления ими. В этом направлении на базе  синергетики  были  получены  некоторые  конкретные  результаты,  однако  построить окончательную  физическую  модель  живого  не  удалось,  хотя  такое  желание,  конечно, есть.  Синергетический  подход  пока  очень  хорошо  вписывается  в  холистическое восприятие и объяснение мира и позволяет в какой-то мере с общих позиций описывать и живую, и неживую природу и говорить об их единстве.

Антропный принцип может быть использован  как  универсальный  инструмент  в  исследовании  сложных  систем  любой природы. Он оказывается принципом существования сложного в нашем мире: чтобы на макроуровне  было  возможно  образование  сложных  систем,  элементарные  процессы  на микроуровне должны проходить очень избирательно,  т.е. в соответствии с «подгонкой» фундаментальных констант по антропному принципу, в том числе и констант — параметров, определяющих жизнедеятельность организма.

Пределы  изменения  этих  параметров  очень  узки (вспомним,  например,  диапазон температур,  давлений  и  других  условий,  в  которых  может  существовать  человек): достаточно небольшого изменения, их и жизнь становится невозможной.

Используя  принцип  дополнительности  Бора,  можно  считать,  что  нельзя  судить  о содержании  общих  биологических  закономерностей,  оставаясь  только  в  рамках  чисто биологических  воззрений,  тем  более  что  биология  сообщает  множество  интересных  и важных подробностей о человеке, упуская, тем не менее, нечто принципиальное. Нужно, по Бору, дополнение в лице физики! Бор считал, что познание живого организма в виде атомно-молекулярной  системы  принципиально  дополнительно  к  изучению  этого организма как целостной системы и ни один результат биологического исследования не может быть однозначно трактован, если не использовать представления физики и химии. Именно  в  этом  смысле  следует  понимать,  что  лишь  одними  законами  биологии  или физики невозможно объяснить феномен живого.

2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ЭВОЛЮЦИИ ЖИВОГО

2.1. Биологическая эволюция  Ч. Дарвина

Имеется противоречие между моделью эволюции Больцмана для неупорядоченных, но стремящихся к равновесию изолированных систем неживой природы и эволюцией Дарвина для высокоупорядоченных структур живого организма. В общем смысле под эволюцией понимается процесс длительных, постепенных, в основном медленных изменений, приводящих к образованию уже других структур, форм, организмов и их видов.

В 1859 г. Ч. Дарвин и А. Уоллес представили в лондонское Линнеевское общество совместный доклад о механизме, обеспечивающем направленность эволюции. В этом же докладе была высказана главная идея этого механизма - естественный отбор, согласно которому живые организмы могут самосовершенствоваться, эволюционировать в сторону все большей приспособленности к среде обитания и таким образом виды живых организмов могут изменяться. На большом фактическом материале ими было показано, что в целом развитие организмов в историческом плане идет от простых одноклеточных до многоклеточных млекопитающих, т.е. по восходящей линии - от простого к сложному, упорядоченному.7

Более того, Дарвина и Уоллеса можно считать в известном смысле предтечами биологической синергетики, поскольку из этих идей вытекало, что порядок и целесообразность могут спонтанно возникать из беспорядка. Механизмом такой эволюции является естественный отбор, а материалом для отбора - наследственная изменчивость. Следует также заметить, что заслугой Дарвина не является сама идея эволюции, этим вопросом занимались и Аристотель, К.Линней, Ж.Б.Ламарк и другие ученые, а то, что он первым увидел в природе принцип естественного отбора.

Кстати, по поводу того, что Ч.Дарвин был первым. Как это часто бывает в науке, к идее естественного отбора пришел практически одновременно с          Ч. Дарвином и малоизвестный натуралист (ставший, правда, впоследствии основателем зоогеографии) А. Уоллес, который использовал в своих предположениях работу английского экономиста Мальтуса «Опыт о законе населения». Свои результаты в виде небольшой брошюры в 20 страниц он и отослал Дарвину в 1858 г., результатом чего явился их совместный доклад. Однако, когда в 1859 г. появилась книга «Происхождение видов путем естественного отбора», то автором ее был только Ч. Дарвин. И мы теперь связываем эту теорию именно с Ч. Дарвином. Книга вышла 24 ноября 1859 г. и все 1250 экземпляров были распроданы в первый же день. Как говорили современники Дарвина, по своему воздействию на человеческое мышление она уступала только Библии.

Основные принципы эволюционной теории Ч. Дарвина.

 Сущность дарвиновской  концепции эволюции сводится  к ряду логичных, проверяемых  в эксперименте и подтверждённых огромным количеством фактических данных положений:8

1. В пределах каждого  вида живых организмов существует  огромный размах индивидуальной  наследственной изменчивости по  морфологическим, физиологическим, поведенческим  и любым другим признакам. Эта  изменчивость может иметь непрерывный, количественный, или прерывистый  качественный характер, но она  существует всегда.

2. Все живые организмы  размножаются в геометрической  прогрессии.

3. Жизненные ресурсы для  любого вида живых организмов  ограничены, и поэтому должна  возникать борьба за существование  либо между особями одного  вида, либо между особями разных  видов, либо с природными условиями. В понятие «борьба за существование»  Дарвин включил не только собственно  борьбу особи за жизнь, но и  борьбу за успех в размножении.

4. В условиях борьбы  за существование выживают и  дают потомство наиболее приспособленные  особи, имеющие те отклонения, которые  случайно оказались адаптивными  к данным условиям среды. Это  принципиально важный момент  в аргументации Дарвина. Отклонения  возникают не направленно —  в ответ на действие среды, а случайно. Немногие из них  оказываются полезными в конкретных  условиях. Потомки выжившей особи, которые наследуют полезное отклонение, позволившее выжить их предку, оказываются более приспособленными  к данной среде, чем другие  представители популяции.

5. Выживание и преимущественное размножение приспособленных особей Дарвин назвал естественным отбором.

6. Естественный отбор отдельных изолированных разновидностей в разных условиях существования постепенно ведёт к дивергенции (расхождению) признаков этих разновидностей и, в конечном счёте, к видообразованию.

На этих постулатах, безупречных с точки зрения логики и подкреплённых огромным количеством фактов, была создана современная теория эволюции.

2.2. Физическая эволюция  Л. Больцмана

В то время как биологические источники этих идей восходят к дарвиновской теории эволюции, физические примеры необратимых процессов впервые стали обсуждаться в термодинамике. Исходные принципы термодинамики были разработаны Карно (1824). Они были открыты при анализе механических сил, порождаемых паровыми машинами. Грубо говоря, первое начало термодинамики утверждает, что энергия не может ни создаваться, ни уничтожаться. Если не учитывать механическую работу, электрическую энергию и химические превращения, на которые постоянно расходуется энергия в природе, полная энергия внутри замкнутой системы остается неизменной. Фундаментальное значение второго начала для физической эволюции было отмечено Клаузиусом (1865), который ввёл сам термин «энтропия» от греческого слова, обозначающего эволюцию или преобразование. Математически изменение энтропии системы определяется как обратимое добавление теплоты к системе, делённое на ею абсолютную температуру. Энтропия в естественных науках - мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов.

Физическая  эволюция  Больцмана  для  изолированных  систем  в  рамках  равновесной термодинамики,  вела  именно  к  установлению  равновесия,  к равновесному  распределению  хаотических  состояний.  Может  быть,  поэтому классическая  физика  не  интересовалась  развитием  систем.  Классические  физические представления,  в  том  числе  и  квантовая  механика,  могли  объяснить,  как  устроена природа на атомно-молекулярном уровне, но не отвечали на вопросы, каким образом она получилась  именно  такой  и  как  правильно  определить,  в  каком  направлении  должно развиваться  живое.  Таким  образом,  согласно  Ч.  Дарвину,  имеется  высокая упорядоченность  живой  материи  и  имеется  полная  разупорядоченность,  в  конечном итоге, в неживой природе по физической модели Больцмана.