Естествознание как отрасль научного познания

1. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ КАК ОТРАСЛЬ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ.

Естествознание - это раздел на­уки, основанный на воспроизводимой эмпирической проверке гипотез и создании теорий или эмпирических обобщений, описывающих природные явления.

Предмет естествознания — факты и явления, которые воспринимаются нашими органами чувств. Задача учено­го — обобщить эти факты и создать теоретическую мо­дель, включающую законы, управляющие явлениями природы. Следует различать факты опыта, эмпирические обобщения и теории, которые формулируют законы на­уки. Явления, например тяготение, непосредственно да­ны в опыте; законы науки, например закон всемирного тяготения, — варианты объяснения явлений. Факты на­уки, будучи установленными, сохраняют свое постоянное значение; законы могут быть изменены в ходе развития науки, как, скажем, закон всемирного тяготения был скорректирован после создания теории относительности. Значение чувств и разума в процессе нахождения ис­тины — сложный философский вопрос. В науке признает­ся истиной то положение, которое подтверждается вос­производимым опытом. Основной принцип естествознания гласит: знания о природе должны допускать эмпирическую проверку. Не в том смысле, что каждое частное утвержде­ние должно обязательно эмпирически проверяться, а в том, что опыт в конечном счете является решающим аргу­ментом принятия данной теории. Естествознание в полном смысле слова общезначимо и дает «родовую» истину, т.е. истину, пригодную и прини­маемую всеми людьми. Поэтому оно традиционно рас­сматривалось в качестве эталона научной объективности. Другой крупный комплекс наук — обществознание, — на­против, всегда был связан с групповыми ценностями и интересами, имеющимися как у самого ученого, так и в предмете исследования. Поэтому в методологии общест­воведения наряду с объективными методами исследова­ния приобретают большое значение переживание изучае­мого события, субъективное отношение к нему и т.п.

От технических наук естествознание отличается наце­ленностью на познание, а не на помощь в преобразовании мира, а от математики тем, что исследует природные, а не знаковые системы.

Следует учитывать различие между естественными и техническими науками, с одной стороны, и фундамен­тальными и прикладными — с другой. Фундаментальные науки — физика, химия, астрономия — изучают базисные структуры мира, а прикладные занимаются применением результатов фундаментальных исследований для реше­ния как познавательных, так и социально-практических задач, В этом смысле все технические науки являются прикладными, но далеко не все прикладные науки отно­сятся к техническим. Такие науки, как физика металлов, физика полупроводников, являются естественными при­кладными дисциплинами, а металловедение, полупро­водниковая технология — техническими прикладными науками.

Однако провести четкую грань между естественными, общественными и техническими науками в принципе нельзя, поскольку имеется целый ряд дисциплин, зани­мающих промежуточное положение или являющихся комплексными по своей сути. Так, на стыке естественных и общественных наук находится экономическая геогра­фия, на стыке естественных и технических — бионика, а комплексной дисциплиной, которая включает и естест­венные, и общественные, и технические разделы, являет­ся социальная экология.

2. ТЕОРИЯ ЕДИНОГО ПОЛЯ: ЭЛЕКТРОСЛАБОЕ, ВЕЛИКОЕ

ОБЪЕДИНЕНИЕ, УНИВЕРСАЛЬНОЕ ПОЛЕ.

Известны четыре основных физических взаимодейст­вия, которые определяют структуру нашего мира: силь­ные, слабые, электромагнитные и гравитационные.

I. Сильные взаимодействия происходят между адронами (от греч. «адрос» — сильный), к которым относятся барионы (греч. «барис» — тяжелый) — это нуклоны (протоны и нейтроны) и гипероны, и мезоны. Сильные взаимодейст­вия возможны только на малых расстояниях (радиус при­мерно 10"13 см).

Одно из проявлений сильных взаимодействий — ядер­ные силы. Сильные взаимодействия открыты Э. Резерфордом в 1911 г. одновременно с открытием атомного ядра (этими силами объясняется рассеяние а-частиц, проходя­щих через вещество). Согласно гипотезе Юкавы (1935 г.) сильные взаимодействия состоят в испускании промежу­точной частицы — переносчика ядерных сил. Это л-мезон, обнаруженный в 1947 г., с массой в 6 раз меньше массы ну­клона и найденные позже другие мезоны. Нуклоны окру­жены «облаками» мезонов.

Нуклоны могут приходить в возбужденные состоя­ния — барионные резонансы — и обмениваться при этом иными частицами. При столкновении барионов их обла­ка перекрываются и «возбуждаются», испуская частицы в направлении разлетающихся облаков. Из центральной области столкновения могут испускаться в различных направлениях более медленные вторичные частицы. Ядерные силы не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях величина заряда сохраняется.

II.  Электромагнитное взаимодействие в 100—1000 раз слабее сильного взаимодействия. При нем происходит ис­пускание и поглощение «частиц света» — фотонов.

III.Слабые взаимодействия слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. Радиус действия на два порядка меньше радиуса сильного взаимодействия. За счет слабого взаимодействия светит Солнце (протон превра­щается в нейтрон, позитрон и нейтрино). Испускаемое нейтрино обладает огромной проникающей способнос­тью — оно проходит через железную плиту толщиной миллиард км. При слабых взаимодействиях меняется за­ряд частиц.

Слабое взаимодействие представляет собой не кон­тактное взаимодействие — оно осуществляется путем об­мена промежуточными тяжелыми частицами — бозонами, аналогичными фотону. Бозон виртуален и нестабилен.

IV.     Гравитационное взаимодействие во много раз сла­бее электромагнитного. «Спустя 100 лет после того, как Ньютон открыл закон тяготения, Кулон обнаружил такую же зависимость электрической силы от расстояния. Но закон Ньютона и закон Кулона существенно различаются в следующих двух отношениях. Гравитационное притяже­ние существует всегда, в то время как электрические силы  существуют только в том случае, если тела обладают элек­трическими зарядами. В законе тяготения имеется только притяжение, а электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч. С. 65).

Одна из главных задач современной физики — создать общую теорию поля и физических взаимоотношений. Но действительное развитие науки далеко не всегда совпада­ет с планируемым.

Новый диалог с природой возникает и в результате изучения механизмов эволюции неживых систем в новой науке — синергетике. «Установившееся в результате ее (науки — А. Г.) успехов, ставшее для европейцев традици­онным видение мира — взгляд со стороны. Человек ставит опыты, ищет объяснение их результатам, но сам себя час­тью изучаемой природы не считает. Он — вне ее, выше. Теперь же начинают изучать природу изнутри, учитывать и наше личное присутствие во Вселенной, принимать во внимание наши чувства и эмоции» (Пригожий И. Краткий миг торжества).

3. ЛИПИДЫ И ИХ ФУНКЦИИ.

Переходя от проблемы происхождения жизни к про­блеме строения живого, отметим, что научное знание в этой области в большей степени достоверно за счет успе­хов, достигнутых новой наукой — молекулярной биологи­ей. Можно сказать, что примерно в середине столетия произошла научная революция в биологии, вторая в на­шем веке после научной революции в физике, и благода­ря ей биология выбилась в лидеры «соревнования» между науками.

Во второй половине XX в. были выяснены веществен­ный состав, структура клетки и процессы, происходящие в ней. «Клетка — это своего рода атом в биологии. Точно так же, как разные химические соединения сложены из атомов, так и живые организмы состоят из огромных скоплений клеток. Из работ физиков мы знаем, что все атомы очень похожи друг на друга: в центре каждого ато­ма находится массивное, положительно заряженное ядро, а вокруг него вращается облако электронов — это как бы Солнечная система в миниатюре! Клетки, подобно ато­мам, также очень сходны друг с другом. Каждая клетка со­держит в середине плотное образование, названное ядром, которое плавает в «полужидкой» цитоплазме. Все вместе заключено в клеточную мембрану» (Кендрью Дж. Нить жиз­ни. М., 1968).

Основное вещество клетки — белки, молекулы кото­рых обычно содержат несколько сот аминокислот и похо­жи на бусы или браслеты с брелоками, состоящими из главной и боковой цепей. У всех живых видов имеются свои особые белки, определяемые генетическим аппара­том. В клетке и происходит процесс воспроизводства бел­ков в соответствии с генетическим кодом организма. Без клетки генетический аппарат не мог бы существовать.

Если же случится, что в организм животного попадут вредные для него бактерии и другие инородные тела, то с ними вступает в бой иммунная система, в которую входят клетки. У низших животных они играют роль пищевари­тельных органов, а у высших животных, в том числе чело­века, их значение заключается именно в защите специфи­ческого строения данного организма (теория иммунитета разработана русским ученым И.И. Мечниковым).

О размерах клетки и содержании в ней веществ свиде­тельствует такая аналогия. «Представьте себе, что мы уве­личим человека до размеров Великобритании. Тогда одна его клетка будет примерно такой же величины, как фаб­ричное здание. Внутри клетки находятся большие моле­кулы, содержащие тысячи атомов, в том числе молекулы нуклеиновой кислоты. Так вот, даже при этом огромном увеличении, которое мы себе вообразили, молекулы нук­леиновой кислоты будут тоньше электрических прово­дов».

Сопоставление клетки с фабрикой не случайно. «Лю­бой живой организм можно уподобить гигантской фабри­ке, на которой производится множество разнообразных химических продуктов; на ней производится и энергия, приводящая в движение всю фабрику. Более того, она мо­жет воспроизводить самое себя (что для обычных фабрик совершенно невозможно!). И если теперь вспомнить, на­сколько сложны все эти производственные процессы, то станет ясно, что весь сложный комплекс операций, про­изводимых на фабрике, нельзя вести как попало, без должной организации, без подразделения на цеха, внутри которых установлены рядами станки и машины, и т.д. Иными словами, для того чтобы в живом организме все процессы протекали согласованно, необходима какая-то определенная организация составляющих его структур». Ученые выясняют, как работает эта «фабри­ка» и каков механизм ее воспроизводства.

Попадающие в организм белки расщепляются на ами­нокислоты, которые затем используются им для построе­ния собственных белков. Нуклеиновые кислоты создают ферменты, управляющие реакциями. Например, для одного процесса брожения нужна дюжина ферментов, каждый из которых управляет одной реакцией и действует только на строго определенный вид молекул. Все ферменты — белки. Фермент похож на дирижера, который играет всегда со своим оркестром. В каждой клетке несколько тысяч «ди­рижеров-ферментов». Это станки и машины «фабрики».

В качестве примера процессов, проходящих в клетках и тканях организма, рассмотрим роль гемоглобина — глобу­лярного белка красных кровяных клеток — эритроцитов, цепи которого свернуты в сферу. По словам Дж. Кендрью, «...присутствием гемоглобина обусловлен красный цвет крови. Функция этого белка состоит в том, чтобы перено­сить кислород из легких к тканям. Гемоглобин обладает за­мечательной способностью связывать молекулярный кис­лород. Точнее говоря, одна молекула гемоглобина может связать одновременно четыре молекулы кислорода. В лег­ких, где давление кислорода выше, происходит присоеди­нение молекул кислорода к гемоглобину. Гемоглобин до­ставляет их к тканям, но там давление ниже, и кислород ос­вобождается. Далее происходит диффузия кислорода внутрь клеток. В клетке молекулы кислорода встречаются с другим белком — миоглобином... Это как бы младший брат гемоглобина; его молекула в четыре раза меньше и способ­на связать не четыре, а только одну молекулу кислорода. Миоглобин тоже красный; этим объясняется красный цвет мяса. Молекулы кислорода переходят от гемоглобина к миоглобину, где и хранятся до тех пор, пока не потребуются клетке».

Молекулярная биология, изучающая биологические процессы на молекулярном уровне, — один из наиболее ярких примеров конвергенции двух наук — физики и би­ологии.

4. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА БИОСФЕРУ.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ И НРАВСТВЕННЫЙ ИМПЕРАТИВЫ.

В развитие биологии в XX в. большой вклад внесли русские ученые. Русская биологическая школа имеет славные традиции. Первая научная модель происхожде­ния жизни создана А.И. Опариным. В.И. Вернадский был учеником выдающегося почвоведа В.В. Докучаева, который создал учение о почве как своеобразной оболоч­ке Земли, являющейся единым целым, включающим в себя живые и неживые компоненты. По существу, учение о биосфере было продолжением и распространением идей Докучаева на более широкую сферу реальности. Развитие биологии в этом направлении привело к созда­нию экологии.

Значение учения о биосфере Вернадского для эколо­гии определяется тем, что биосфера представляет собой высший уровень взаимодействия живого и неживого и глобальную экосистему. Результаты Вернадского поэтому справедливы для всех экосистем и являются обобщением знаний о развитии нашей планеты.

Основные положения учения

Существует два основных определения понятия «био­сфера», одно из которых и дало начало применению дан­ного термина. Это понимание биосферы как совокупнос­ти всех живых организмов на Земле. В.И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, пе­реосмыслил понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.

Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни. Из нескольких вариан­тов (1) жизнь возникла до образования Земли и была за­несена на нее; 2) жизнь зародилась после образования Земли; 3) жизнь возникла вместе с формированием Зем­ли) Вернадский придерживался последнего и считал, что нет убедительных научных данных, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Иными словами, биосфера была на Зем­ле всегда.

Под биосферой Вернадский понимал тонкую оболоч­ку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагает­ся на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы. В атмо­сфере верхние границы жизни определяются озоновым экраном — тонким (в несколько миллиметров) слоем озо­на на высоте примерно 20 км. Океан населен жизнью це­ликом до дна самых глубоких впадин в 10—11 км. В твер­дую часть Земли жизнь проникает до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях).

Занимаясь созданной им биогеохимией, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, Вернадский пришел к выводу, что нет практиче­ски ни одного элемента из таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Он сформулировал три биогеохимических принципа.

1. Биогенная миграция химических элементов в био­сфере всегда стремится к максимальному своему проявле­нию. Этот принцип в наши дни нарушен человеком.

2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Этот принцип при антропогенном из­мельчании средних размеров особей биоты Земли (лес сменяется лугом, крупные животные — мелкими) начина­ет действовать аномально интенсивно.

3.       Живое вещество находится в непрерывном химиче­ском обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся на Земле космической энергией Солнца. Вследствие нарушения двух первых принципов космические воздействия из поддерживающих биосферу
могут превратиться в разрушающие ее факторы.

Данные геохимические принципы соотносятся со сле­дующими важными выводами Вернадского, 1. Каждый организм может существовать только при условии посто­янной тесной связи с другими организмами и неживой природой. 2. Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распро­странялись по планете, стимулируя перераспределение энергии и вещества.

Эмпирические обобщения Вернадского

1. Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы. «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в ме­ханизме биосферы» (Вернадский В.И. Биосфера...). Стро­ение Земли, по Вернадскому, есть согласованный меха­низм. «Твари Земли являются созданием сложного косми­ческого процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма». Само живое вещество не является случайным созданием.

Страницы: 1, 2