ФИЛОСОФСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИИ

мета – в данном случае мышления – придется критически сопоставлять не с готовым, заранее известным прообразом его, а с предметом, контуры которого только впервые начинают прорисовываться в ходе критического преодоления идеалистических конструкций» [77]. Предметом является созданный наукой мир, в котором достижения невозможны без эволюционной логики. Мир, в котором мы живем, является в первую очередь синтетическим миром, созданным химией. Может быть, даже профессиональные химики забывают, что до минеральной теории питания растений Либига в 1840 г. и применения удобрений мир мог прокормить только миллиард жителей. Более пяти миллиардов землян во многом обязаны своей жизнью химическим удобрениям. Открытие Либига иногда сравнивают с пятью открытиями Колумба, однако нет на Земле пяти новых континентов. Мы живем в домах, в которых строительные материалы получены химическим синтезом. Мы одеты большей частью в синтетическую одежду. Не надо лукавить. Натуральная одежда во многих случаях лучше, но нет стольких природных ресурсов для ее изготовления. Сталь и чугун не содержатся в природе, их получают из железа, а железо – из руды химической реакцией ее восстановления. Большая часть лекарств получают химическим синтезом. Даже питьевую воду в засушливых регионах мира получают химическими мембранными методами. Мембранные методы позволяют удалить из зараженной воды бактерии и вирусы. Это только основные направления деятельности химиков, которая возможна при эффективном сочетании анализа и синтеза новых материалов.

71

ГЛАВА 3. ОНТОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИИ

Онтология – это учение о бытии, раздел философии, изучающий фундаментальные принципы бытия, наиболее общие сущности и категории сущего (от греч. οντος − сущее, существо). Термин появился в 1613 г. (Гок-

лениус) и был закреплен в философской системе Христиана Вольфа. Если в эпистемологии и логике акцент от объекта перенесен на познающего субъекта, то в онтологии роль объекта познания значительно расширена и даже рассматриваются состояния вселенной, нашей планеты, растительного и животного мира, которых еще не коснулась рука homo sapience.

Существует два диаметрально противоположных воззрения на происхождение окружающего мира. Первый из них, называемый креационизмом, предполагает возникновение вселенной и жизни в результате какого-либо сверхъестественного события в прошлом (лат. creatio – порождение, созидание). Этой гипотезы придерживаются почти все сторонники религиозных учений. Архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) в 1650 г. вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра [78]. Он получил этот результат, сложив возраст всех людей, упомянутых в библейской генеалогии. При этом получилось, что Адам жил во время, когда на Ближнем Востоке, как показали археологические исследования, уже была развитая цивилизация. От ортодоксального креационизма открещивались даже авторитетные теологи. Еще Августин говорил о смехотворности буквальной трактовки шести дней творения. Американский богослов Ч. Барретт считает, что людей прошлого, которые жили в донаучные времена, можно извинить за прочтение историй творения в «Бытии» как буквального объяснения физических начал мира. Немецкий протестантский теолог У. Гербер отмечает, что важнейшей задачей того или тех, кто писал «Бытие», была вовсе не информация о возникновении и развитии мира, а восхваление Бога как всемогущего творца. Cовременный теолог И. Иллиес полагает, что тот, кто сегодня придерживается идеи постоянства видов и шестидневного творения, в своем усердии может даже принести вред христианству [78].

Противоположная точка зрения на процесс возникновения вселенной, жизни на Земле и происхождение живых видов (трансформизм) также имеет давнюю историю. Она возникла в Древнем Китае, Индии и Греции. В новое время идеи трансформизма развивали Лейбниц, Бюффон, Мопертуи, Дидро, Жоффруа Сент-Илер. В истории науки Ламарк обессмертил свое имя введением самого термина «биология» (греч. βιος − жизнь), созданием

концепции развития природы и гипотезы о происхождении человека от обезьяноподобных предков [79]. При этом Ламарк сочетал трансформизм с

72

принципом внутреннего стремления к прогрессу, а также с деизмом. Термин «эволюция» (лат. evolution – развертывание свитка, раскрывание книги) был предложен в 1852 г. Г. Спенсером [16]. Настоящим лидером эволюционного учения стал Ч. Дарвин [80], и дарвинизм на продолжительное время стал символом эволюционизма.

3.1.Критерий сложности в эволюции и самоорганизация

Вэтимологии термина «эволюция» нет ничего, указывающего исключительно на непрерывность процесса, постепенность, поэтому противопоставление этого понятия понятию революции (лат. revolutio – откатывание, круговорот, поворот назад) как исключительно скачкообразному развитию вряд ли оправдано. Мы в дальнейшем будем пользоваться словом «эволюция» как для непрерывного, так и для дискретного процесса развития.

Понятие эволюции является потребностью всех монистических систем, предполагающих наличие некоторого первоначала, из которого путем эволюции возникает все сущее. В античной философии не рассматривались пути эволюции, но принимались некоторые первоначала. У Фалеса первоначалом была вода, Анаксимен началом всего сущего считал воздух, а Гераклит – огонь. Становлению эволюционных теорий способствовало накопление научных фактов, на основании которых Кант предложил первую эволюционную гипотезу происхождения Земли, а Ламарк и Дарвин создали эволюционное учение в биологии. Накопление информации о социальной истории и биологической эволюции стало основой для создания общего учения. Менее очевидными были представления о физической и химической эволюции, однако в наше время химическая эволюция привлекла внимание многих исследователей [81–83].

Одной из принципиальных проблем эволюции является понятие критерия. Всякая эволюция предполагает наличие ступеней развития, уровней организации. Для того чтобы различать уровень развития, было предложено множество критериев. Наиболее простым из них является критерий сложности, или системный критерий. В соответствии с этим критерием каждый объект представляет собой ансамбль взаимодействующих частей, причем более высокое место в эволюционном ряду занимает комплекс по отношению к составляющим его частям.

Кколичественной характеристике сложности ведет рассмотрение матрицы, содержащей определенное число элементов. Сложность системы возрастает не при увеличении числа элементов, а при увеличении числа взаимодействий. Большей сложности соответствует большее число ненулевых элементов матрицы. Например, транспорт трех разных молекул или ионов через мембрану при малых воздействиях описывается системой линейных уравнений:

73

где Ji − поток, X k − обобщенная термодинамическая сила, действующая на частицы, Lik – феноменологические коэффициенты проводимости. Мат-

рица, составленная из феноменологических коэффициентов проводимости, характеризует сложность системы:

При нулевых перекрестных коэффициентах система перестает существовать как целое и распадается на составляющие:

Применение критерия сложности должно учитывать дифференциацию и интеграцию частей. Эта концепция была предложена Г. Спенсером [69], который полагал, что степень развития определяется степенью дифференциации и интеграции частей системы, поэтому, с его точки зрения, амеба является более сложной, чем звезда. Чем более различаются части новой системы, тем больше потребность в интеграции, синтезе их функций. Эрвин Шрёдингер полагает, что существует «два различных пути построения все больших ассоциаций. Один – это сравнительно однообразный путь повторения снова и снова одной и той же структуры в трех направлениях. Так растет кристалл. Другой путь – построение все более и более увеличивающегося агрегата без скучного механизма повторения. Это случай все более и более сложной органической молекулы, в которой каждый атом, каждая группа атомов играет индивидуальную роль. Мы можем совершенно точно назвать это образование апериодическим кристаллом» [84].

Система может быть сложной на структурном или функциональном уровне. Структурная сложность возрастает с увеличением числа взаимодействующих субъединиц, взаимосвязей между ними, и с изменением плотности вероятности интенсивности взаимодействия между отдельными субъединицами. На функциональном уровне сложность возрастает с увеличением минимальной длины алгоритма, пользуясь которым мы можем полностью восстановить поведение системы. В этом смысле, функциональная сложность системы увеличивается с длиной ее «филогенетического хвоста», а именно ее эволюционной истории, отмеченной дискретной последовательностью эпизодов бифуркации.

74

Эволюция в целом может быть представлена как динамическая иерархическая система, важнейшим свойством которой является самоорганизация [85]. Самоорганизация является процессом, в котором происходит нечто нетривиальное без видимых причин и внешнего вмешательства. Наряду

с самоорганизацией распространен термин «синергетика», который обозначает теорию самоорганизующихся систем (греч. συνεργητικος – совмест-

ный, согласованно действующий). Существуют различия между организацией эволюционирующих систем и создаваемых человеком. Для самоэволюционирующих систем характерны устойчивость относительно внешних воздействий, самообновляемость, возможность к самоусложнению, росту, развитию, согласованность всех составных частей. Для систем, созданных человеком, – резкое ухудшение функционирования даже при сравнительно небольшом изменении внешних воздействий или ошибках в управлении. Это позволяет сделать вывод, что необходимо заимствовать опыт построения организации, накопленный природой, и использовать его в нашей деятельности. Отсюда вытекает одна из задач синергетики – выяснение законов построения организации, возникновения упорядоченности. В отличие от кибернетики здесь акцент делается не на процессах управления и обмена информацией, а на принципах построения организации, ее возникновении, развитии и самоусложнении [86].

Синергетика стала междисциплинарной наукой, имеющей общую методологию. Д. С. Чернавский видит в этом две основные причины [93]. Вопервых, многие из явлений, происходящих в физике, химии и биологии, описываются одинаковыми базовыми моделями. Во-вторых, сформулировано главное требование к базовым моделям – грубость (термин предложен Андроновым), при котором любые малые искажения грубой модели не могут существенно изменить результаты. Синергетика является молодой наукой, делающей первые шаги, поэтому для решения большинства задач самоорганизации в настоящий момент мы вынуждены ограничиться более тривиальным пониманием критерия эволюции на основе принципа сложности.

Принцип сложности лежит в основе космологической гипотезы эволюции Вселенной. Гипотеза носит чисто метафизический характер, несмотря на усилия физиков интерпретировать некоторые участки на фотографиях окружающего нас мира как «черные дыры» и даже приписать некоторым факт регистрации поглощения звезд черными дырами. Современная гипотеза космической эволюции стартовой точкой предполагает время около 15 миллиардов лет назад, когда произошел Большой взрыв. Можно не искать точку, в которой он произошел: она там, где вы находитесь сейчас и где на-

ходятся все остальные [32]. Вычисление температуры через 10−43 с после Большого взрыва (планковское время) дает порядок 1032 Ê (рис. 5). Мате-

риальным субстратом на начальном этапе эволюции была плазма, содержащая аннигилирующие лептоны в фононы, которые затем вновь превра-

75

щаются в частицы и античастицы. Рис. 5 представляет явление инфляции, которое характеризуется быстрым, экспоненциальным расширением Все-

ленной на крайне малом временном отрезке времени от 10−36 до 10−34 с. Далее в ходе расширения и охлаждения образовались три группы кварков, из

которых через 10−5 с после Большого взрыва, стало возможным образование протонов и нейтронов. Примерно через сотую долю секунды условия стали такими, что начали формироваться ядра первых элементов периодической системы (водорода и гелия). Этот период называют первичным нуклеосинтезом. После нескольких тысяч лет, когда температура упала до нескольких тысяч градусов, летавшие до этого с большими скоростями электроны, замедлили их до скоростей, позволивших атомным ядрам захватывать электроны и образовывать нейтральные атомы. С этого момента Вселенная стала прозрачной, так как возникли условия для свободного движения фотонов, которые до этого отклонялись или поглощались заряженными частицами. Через миллиард лет после Большого взрыва, когда Вселенная достаточно охладилась, и из сжатых гравитацией комков первичных элементов стали формироваться галактики, звезды, а затем планеты.

Рис. 5. Временная шкала эволюции и ключевые моменты

вистории Вселенной [32]

Впоисках первоначала современная наука обратилась к моделям, использующим для простоты струны малого размера (гиперструны). Теория гиперструн утверждает, что если бы мы могли исследовать любые частицы

сболее высокой точностью, то обнаружили бы, что они не являются точеч-

76

ными образованиями, а состоят из одномерной петли [32]. Внутри каждой частицы находится вибрирующее, колеблющееся волокно. С древних времен музыка является источником метафорических образов для тех, кто пытается разгадать тайны Вселенной. С открытием теории суперструн музыкальные метафоры приобрели удивительную реальность, поскольку согласно этой теории микромир заполнен крошечными струнами, звучание которых оркеструет эволюцию мироздания. Из теории скрипичных струн известно существование резонансных мод колебаний, на которых между концами струны укладывается целое число максимумов и минимумов. Согласно теории суперструн свойства элементарных частиц – их массы и константы различных взаимодействий – также в точности определяются резонансными модами колебаний, реализуемыми внутренними струнами этих частиц. На рис. 6 показана схема петель гиперструн, которая иллюстрирует разные интенсивности колебаний гиперструн.

Приводимые рассуждения относятся к одномерной струне, которую впоследствии стали называть 1-брана. Аналогично двумерная мембрана (2- брана) может обернуть и полностью покрыть собой двумерную сферу. Соответственно 3-браны могут окутывать и полностью покрывать трехмерные сферы. Всего теория суперструн оперирует 11-мерным пространством, которое свернуто в трехмерное пространство.

Рис. 6. Схематическое изображение гиперструн разной интенсивности [32]

С точки зрения критерия сложности общий эволюционный ряд в природе имеет в линейном приближении последовательность, состоящую из элементарных частиц: кванты и лептоны → мезоны → барионы → атомы → молекулы → полимеры и супермолекулы (белки, нуклеиновые кислоты). Эволюция апериодических кристаллов, использующих для роста более простые конструкции, приводит к биологической форме материи (Опарин, 1924; Холдейн, 1928). Биологическая эволюция направлена от простейших к беспозвоночным, далее – к позвоночным (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие). Приведенная цепь в действительности не является линейной последовательностью, что затрудняет анализ эволюции.

Наиболее трудным для современной науки остается переход от неживой к биологической форме организации материи. Для того чтобы найти

77

начало, необходимо знать и путь, по которому идет биологическая эволюция. Однако именно в этом вопросе, который совсем недавно представлялся простым тем, кто ограничивался дарвинистскими учебниками, оказалось нерешенных проблем значительно больше решенных. Дарвин был не только вожаком эволюционизма в биологии, получившего от него свое направление, содержание и имя. Лейтмотивом его учения стал естественный отбор. Родившись в биологии, эта идея захватила умы физиков, химиков, математиков.

В 1969 г. Руденко была предложена теория саморазвития открытых каталитических веществ [81]. В ее основе лежит положение, согласно которому отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом параллельных химических реакций и обладали каталитическим действием. В процессе саморазвития каталитических систем происходил естественный отбор тех центров катализа, которые обладали наибольшей активностью. Те центры, изменение которых связано с ошибками, постепенно исключаются из каталитического континуума, «не выживают». Эволюция открытых каталитических систем сопровождается уменьшением бесполезного рассеивания энергии базисной реакции при одновременном повышении степени использования этой энергии на полезную работу.

От естествознания она перекинулась в сферу гуманитарных наук, всюду демонстрируя свою продуктивность. Однако и самая плодотворная идея может не выдержать испытания временем. Накапливаются новые факты и представления, меняются подходы и приемы познания, пока вкупе они не достигают критической массы, меняющей принципиально парадигму. Дарвин писал в своей автобиографии, что он «работал подлинно бэконовским методом и без какой-либо предварительной теории собирал в весьма обширном масштабе факты». Однако он не мог наблюдать главного, что составляло содержание его работ, – он не мог видеть происхождение видов. «Дарвин написал книгу о происхождении видов, а в этой книге отсутствует именно происхождение видов» (Flourans) [87].

К. Поппер был очарован дарвинизмом с юности. «Я не вижу, – писал он, – как без этой теории могло бы вырасти наше знание. Хотя это и метафизическая теория, она основательно прояснила конкретные и совершенно практические вопросы» [88]. Лучшее свидетельство высокой оценки К. Поппером дарвинизма является принятие им концепции эволюционной эпистемологии.

С нашей точки зрения, метафизические гипотезы предполагают возможность фальсификации экспериментальной проверкой. Испытание теории Дарвина многочисленными экспериментами привело к выводу, что дарвинизм стал только частью причин биологической эволюции. Нельзя сказать, что есть дарвинизм или антидарвинизм. Существует множество эволюцион-

78

ных принципов, среди которых малая часть была изложена Ч. Дарвиным. Среди этого множества особенно выделяется открытие мобильных генетических элементов и их непосредственного участия в переносе генетической информации между организмами вне зависимости от степени их таксонометрической удаленности друг от друга. С помощью мобильных элементов могут обмениваться информацией вирусы и человек, растения и животные, прокариоты и эукариоты. Оказалось, что те генетические преобразования, которые, следуя традиционным путем эволюции, требуют для своей реализации многих миллионов лет, могут осуществляться совсем другим способом и практически в одном или нескольких поколениях. Благодаря этому эволюция может резко ускоряться, а это решающее условие выживания в условиях внезапной смены обстановки. В мировоззренческом аспекте наиболее существенно, что благодаря этому открытию биологические виды предстали как информационно открытые системы.

Сущность мобильной эволюции состоит в опровержении центральной догмы молекулярной биологии, утверждающей, что генетическая информация передается только по каналу

(транскрипция) (трансляция)

ДНК → РНК → белки

слева направо как универсального высказывания. Были обнаружены обратные переходы транскрипции и трансляции. Был даже открыт нематричный синтез ДНК, иными словами, доказана возможность перехода информации от белка к ДНК [87].

В любом руководстве по эволюции начало описывают с генетических изменений популяций как элементарного эволюционного явления, вызванного мутациями на молекулярном уровне. Эволюция развертывается в направлении снизу вверх. В. И. Назаров полагает, что в учебниках следующего поколения эволюцию начнут с «верхних этажей», и тем самым станет реальностью общая теории эволюции, в которой видообразование займет подчиненное положение. Это будет вполне логично, потому что такие перемены приведут описание эволюции в соответствие с естественным ходом событий и будут отвечать требованию их системного отображения. В своей монографии он приводит мнение авторитетных специалистов, полагающих, что сейчас мы имеем дело не столько с биологической эволюцией, сколько с деградацией биосферы и ее компонентов, когда рассогласование в работе биологических систем разных уровней дошло до распада видовых генетических программ. Действительно, кроме как в мире микробов и вирусов, мы не видим, чтобы происходило бурное видообразование, зато вымирание видов вследствие антропогенного изменения окружающей среды идет семимильными шагами. Нам надо менять стратегию, пока у нас, возможно, еще есть время. Будем действовать, чтобы, проснувшись однажды, не почувствовать, что у нас не осталось шансов на будущее.

79

3.2. Информационный критерий эволюции

Если бы эволюционный ряд был линейной последовательностью, то критерия сложности было бы достаточно для описания синтеза высших форм эволюции из низших. Однако эволюция более похожа на ветвящееся дерево, чем прямую дорогу, поэтому с позиций критерия сложности трудно, а чаще невозможно, найти место объекту в эволюционном ряду. Из атомов углерода, водорода и кислорода могут быть синтезированы спирты, эфиры, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты. Однако на вопрос о том, какой класс стоит выше в эволюционной лестнице, критерий сложности не дает ответа.

Создатель синергетики Г. Хакен предложил для оценки самоорганизации систем использовать понятие «информация» [86]. Он предупредил, что понятие «информация» является многозначным и его использование встречается с многими проблемами, потому что есть различия информации, полученной при телефонном разговоре, заложенной в элементарных частицах и химических соединениях, особенно в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК), рибонуклеиновой кислоте (РНК) или белках. Этот список легко продолжить. Клод Шеннон, развивая теорию связи, предложил понятие информационной энтропии H :

ницы для информационной энтропии он взял предложенную Д. Тьюри величину бит (Binary digit), примененную для обозначения одного двоичного разряда сообщения, принимающего значения 0 и 1.

Ю. А. Жданов предложил упрощенный метод применения уравнения Шеннона для расчета информационной энтропии [89]. Для примера в глицине, имеющем эмпирическую формулу C2H5O2 N, общее число атомов 10,

вероятность содержания водорода 1/2, углерода и кислорода по 1/5, азота 1/10. Отсюда информационная энтропия имеет величину:

H = − 12 ld 12 (H ) − 15 ld 15 (C) − 15 ld 15 (O) −101 ld 101 (N ) =1,75 бит. (3.5)

Заметим, что Ю. А. Жданов в своей работе использовал десятичные логарифмы вместо двоичных [89], поэтому приведенный у него численный результат отличается от нашего. Однако для относительной оценки величин информационной энтропии и информации это не имеет принципиального значения. Расчет величин информационной энтропии для гомологического ряда алканов показал возрастание этой величины от 0,72 у метана до 0,81 у декана. Непосредственный анализ этих величин не дает ответ на вопрос о наличии эволюции, так как информационная энтропия выражает только не-

80