О.П. Мелехова — к.б.н., с.н.с.
В статье представлена концепция применения синергетики как методологии преподавания наук о жизни в системе общего фундаментального образования в высшей школе. Приведены примеры освещения основных принципов и понятий синергетики в авторских лекционных курсах «Современное естествознание, «Экология» и «Биология с основами экологии».
Определяющим свойством живого является вечное развитие и самовоспроизведение открытых систем с многоуровневой сложной структурой. Биологические науки многочисленны, и большинство из них рассматривает отдельные уровни организации живого и в их пределах механизмы жизненных процессов. Развитие науки неуклонно и естественно ведет к дифференциации знания. Однако когда речь идет о трансформации научных открытий и проблем в сюжеты фундаментального образования, неотложной необходимостью становится синтез частных достижений и интеграция их в целостную картину природы. Мы все чаще говорим о том, что XXI век будет веком синтеза дифференцированной информации в науке и переоценки ценностей в жизни, поиска глубинного единого смысла в многогранной человеческой деятельности. Поэтому в наше время одной из самых актуальных проблем, как образования, так и науки является становление общей методологии, которая помогла бы с единых позиций рассмотреть то ограниченное число общих закономерностей, которые лежат в основе мирового порядка.
Главным вкладом естественных наук XX века в общее постижение мира были представления глобального эволюционизма — движения и развития природы, ее усложнения и совершенствования. Модель развития Вселенной (С.Хокинг) от начального момента «Большого взрыва» показала возможную динамику грандиозного процесса образования и взаимодействия космических тел, а «Антропный принцип» поставил вопрос о «паттерне» — Божественном замысле эволюции Вселенной. Эта мысль ярко выражена в трудах Пьера Тейяра де Шардена. Начальность и конечность, развитие и возможность «плана строения» материального мира, — вот те новые идеи науки, которые постепенно переходят в сознание и мировосприятие любого образованного человека. Другой научной идеей, вышедшей за пределы научных аудиторий в средства массовой информации, является представление о планетарном экологическом кризисе как следствии развития цивилизации.
Науки о жизни и о человеке в современном образовании играют системообразующую роль, являясь фундаментом как научного мировоззрения, так и обыденного, практического восприятия жизни. Поэтому важно построить общую фундаментальную часть вузовского образования таким образом, чтобы гуманитарное и естественнонаучное знание складывались в единую картину. Объединяющим звеном и должны быть те модели, которые разработаны современными науками о живом: историческое развитие биосферы и ноосферы, индивидуальное развитие организмов, динамика развития человечества и цивилизации, взаимодействие природы и общества, биосферы и Космоса. Наконец, те модели, которые помогают осмыслить социальную эволюцию, а также развитие и здоровье личности человека с позиций современной динамической теории систем.
Методологическую основу рассмотрения всех этих разноуровневых нелинейных процессов и взаимодействий дает синергетика (Г.Хакен) — общая теория системного анализа совместного кооперативного действия разнообразных процессов становления в природе. История открытия и быстрого распространения основных закономерностей и понятий синергетики в самые различные области знания неразрывно связана с необходимостью адекватного описания самоорганизации и усложнения неравновесных открытых живых систем. (И.Пригожин). Идея преподавания общих естественнонаучных дисциплин в высшей школе с позиций синергетики и нелинейной динамики реализована в государственных образовательных стандартах по таким дисциплинам, как » Концепции современного естествознания» (для гуманитариев), «Экология» (для технических направлений) и «Биология с основами экологии» (для естественнонаучных направлений).
В данной работе освещается опыт автора соответствующих лекционных курсов в занятиях со студентами. Центральной частью всех трех курсов является глава «Живые системы», в которой обсуждаются проблемы происхождения и динамического состояния Земли, сущности жизни и основных принципов организации живой природы. Здесь, исходя из конкретных примеров, иллюстрирующих поведение живых систем различных уровней организации, формулируются основные свойства и функции, присущие всему живому (субклеточным системам, клеткам, органам, сообществам, экосистемам и биосфере), объясняются и применяются основные положения общей динамической теории систем. В описании живых систем используются кибернетические схемы контуров регуляции, описания обратных связей и «рецепторов результата» (П.К.Анохин, И.И.Шмальгаузен), позволяющих биологическим системам саморегулироваться, воспроизводиться и адаптироваться к изменениям внешней среды. Рассматриваются потоки вещества, энергии и информации между элементами системы или системой и средой. В этой части рассматриваем и те принципы синергетики, которые описывают «бытие» и самосохранение живых систем: это иерархичность и гомеостатичность. Эти понятия являются ключевыми для описания структурной сложности и саморегуляции живых систем. В биологии давно существуют и развиваются соответствующие этим понятиям концепции — уровней биологической организации и гомеостаза. Системный анализ для разных уровней организации живого применен в классических работах И.И.Шмальгаузена, Н.В.Тимофеева-Ресовского, Э.Бауэра, А.А.Ляпунова, П.К.Анохина. Концепция уровней организации живого, сложившаяся в биологии к 60-м гг. нашего века, позволяет обсуждать общие свойства жизни. Еще раньше фундаментальные отличительные черты и функции живого вещества сформулировал В.И.Вернадский в своем учении о биосфере. В тех же известных трудах обсуждаются и проблемы гомеостатической регуляции в живых системах разных уровней, в т.ч. проблемы гомеостаза биосферы. Идея существования физиологических механизмов, поддерживающих постоянство внутренней физико-химической среды организма — условие его свободной жизни, — принадлежит К.Бернару («1″ в.), термин «гомеостаз» прочно вошел в биологию с 1929-30 гг. (У.Кеннон). Понятие гомеостаза является одним из основных в физиологических науках.
В наших курсах принципы иерархичности и гомеостатичности рассматриваются на примерах клеточного, организменного и биоценотического уровней жизни, с кратким объяснением механизмов саморегуляции и устойчивости живой системы в каждом случае. Особенное внимание уделяется способности живых организмов не только получать, накапливать и выдавать информацию, но и оценивать ее значимость для реализации основных потребностей живого существа: самосохранения, самовоспроизведения и успешной конкуренции за жизненные ресурсы. Приводится яркий пример нейроэндокринной регуляции процессов размножения у животных, включающий увлекательные и загадочные явления ориентировки организма во времени и в пространстве, навигационных и «часовых» механизмов, многоуровневой гормональной регуляции кардинальной перестройки организма, видовую наследственную программу продолжительности жизни, центральные нейрогуморальные связи и прочее. Такие примеры необходимы для того, чтобы у студентов формировалось чувство восхищения совершенством живой природы, и не возникал соблазн подмены объяснения тонких механизмов саморегуляции простым их обобщающим названием. О такой опасности вульгаризации в описании природных процессов предупреждал в свое время и родоначальник современной общей теории систем — Л.фон Берталанфи. Подобные примеры показывают, что простые общие закономерности динамического поведения живого, описываемые общей теорией систем и синергетикой, приобретают своеобразие в каждом отдельном случае благодаря тонкой биохимической специфичности явлений рецепции, матричного синтеза, ферментативного катализа, иммунного ответа.
Плодотворным оказывается также обсуждение на примерах живых систем таких ключевых понятий синергетики как «хаос» и «порядок». При этом формула «порядок из хаоса» служит образным определением одного из основных свойств жизни — ее атиэнтропийности. Это свойство лежит в основе таких фундаментальных биологических процессов как индивидуальное развитие организма и эволюция живой природы. Понятие «хаос» трактуется двояко: в философском смысле — как одна из первооснов устройства мира, первичное состояние материи. Однако к биологическим сложным системам более приложимо представление о временном состоянии динамического хаоса как неустойчивого состояния системы при перемене регуляционного режима. В индивидуальном развитии организма такие фазы запрограммированы и закономерно предшествуют детерминации (определению пути дифференцировки) клеточных популяций (О.Мелехова). Сложные процессы развертывания структурного многообразия на основе единой наследственной программы в современной биологии исследуются методами генетического анализа — регистрации времени и места включения определенных генов и влияния продуктов их экспрессии на дифференцировку соседних групп клеток. Экспериментальный анализ раннего развития животных, продолжающийся более ста лет, представлен многими томами морфологических и биохимических описаний. Синергетический подход дает возможность сравнить динамические характеристики фундаментальных явлений природы — онтогенеза и филогенеза, протекающих в различных временных и пространственных масштабах. Такой подход позволяет обнаружить в этих процессах ряд важнейших общих черт, соответствующих синергетическим «принципам становления», из которых В.Г.Буданов главными считает нелинейность, неустойчивость, незамкнутость, динамическую иерархичность и эмерджентность, наблюдаемость.
Незамкнутость (открытость) биологических систем является основным условием их существования. Это положение не требует доказательств, и его легко иллюстрировать на примерах как отдельного организма, так и экосистемы и биосферы в целом. Однако в определенных фазах эволюции Земли можно найти изменения в режиме освещенности Земли, а также примеры интенсификации потоков вещества из ее глубин. Эти фазы развития Земли коррелировали с достижением новых уровней в живой природе (О.П.Иванов). В раннем онтогенезе также значение триггеров развития имеют фазы запуска потоков вещества (например, при оплодотворении, в процессе гаструляции).
Для общего описания биологических систем, разнообразных, высоко гетерогенных и вечно развивающихся, особое значение приобретают понятия «параметры порядка» и «аттрактор». Очень привлекательна идея описания бесконечно сложной системы с помощью небольшого числа переменных, которые и определяют потенциал к развитию всей системы. Исходя из представлений Э.Бауэра, в эволюционном процессе среди параметров порядка главенствующую роль играет энергетический (повышение коэффициента полезного действия процессов биологического окисления в конечном счете приводит к увеличению возможностей «внешней работы» организмов, что и является основным залогом биологического прогресса). Другими параметрами порядка в описании сложных процессов эволюции всей живой природы можно считать показатели усложнения структуры — прогрессивной специализации клеток, а в описании прогрессивной эволюции животного мира — показатели развития и усложнения центральной нервной системы. Экспериментальное изучение раннего онтогенеза показывает, что и в этом случае показатели энергообмена могут считаться параметрами порядка, определяющими как пространственный, так и временной «паттерн» начальных периодов эмбриогенеза (О.П.Мелехова). Успехи в биологии развития в последнее десятилетие связаны с методами генетического анализа, позволившего изучать механизмы реализации программы развития, закодированной в геноме. Но если само существование такой программы онтогенеза не вызывает сомнений, то вопрос о возможности генетической программы эволюции — один из наиболее интригующих и дискуссионных. Освещение механизмов и движущих сил эволюции с позиций современного дарвинизма («синтетической теории эволюции») и теории самоорганизации обрисует картину исторического развития живой природы с разных сторон, что и представляет интересную тему для обсуждения со студентами. Представления синергетики о немонотонности, креодичности процессов развития, о роли флуктуаций, состояний неустойчивости и пространственной неоднородности внутренней среды в усложнении организации зародыша в теории онтогенеза приняты, разрабатываются и имеют исторически сложившиеся корни (концепции «эпигенетического ландшафта» Уодцинггона, критических периодов онтогенеза П.Г.Светлова и др.).
Представления о немонотонности хода развития человечества, о смене цивилизаций, о череде экологических кризисов в историческом развитии биосферы — также играют очень существенную роль в современной научной картине мира.
Для человека, стоящего на пороге жизни, знание критериев и значения кризисных ситуаций и умение сделать правильный выбор образа действий — это не только показатель образованности, но и важнейший показатель качества личности.
В описании поведения разнообразных живых существ, их адаптации к изменениям среды обитания важными моментами являются наличие порогов чувствительности к внешним воздействиям, парадоксальная реакция на сверхслабые дозы, явления кумулятивного и синергического, интегрального действия многочисленных факторов среды на организмы. Как для успешного моделирования биосферных процессов, так и для экологически грамотного поведения в повседневной жизни чрезвычайно важно освоение того способа восприятия действительности, которое сейчас часто называют «нелинейным мышлением» (Г.Ю. Ризниченко). Главные его черты — это представления о ведущей роли многообразия как элементов, так и их реакций, в устойчивости биологических систем, и о неоднозначности прогнозов поведения при любых воздействиях извне. С этих позиций в наших курсах рассматривается история взаимодействий природы и общества, смены цивилизаций, антропогенных экологических кризисов. Обсуждаются модели демографических процессов, возможные сценарии будущего человечества (Д. Медоуз, Д. Форрестер, С.П. Капица и С.П.Курдюмов).
Таким образом, синергетика предоставляет нам единый тезаурус для обсуждения и сравнения динамики различных процессов развития в природе и обществе, полезную основу современной естественнонаучной картины мира.
Литература:
1. Тимофеев-Ресовский Н.В., Воронцов 11.И., Яблоков А.В. Краткий очерк теории эволюции. М., 1977.
2. Шмальгаузен И.И. Пути и закономерности эволюционного процесса. М., 1983.
3. Уоддинггон К. Морфогенез и генетика. М., 1964.
4. Хакен г. Синергетика. М., 1980.
5. Пригожин И.Р., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.
6. Ризниченко г.Ю. Нелинейное естественнонаучное мышление», в сб. «Математика, компьютер, образование. М., 1998. В. 5.
7. Иванов О.П. Особенности самоорганизации Земли и биосферы в процессе эволюции \\ Синергетика. М., 1998.
8. Мелехова О.П. Предпосылки синергетической модели пространственной организации эмбриогенеза \\ Синергетика. М., 1998.
9. Курдюмов С.П. и др. Модели синергетики и развитие человечества \\ Синергетика и образование. М., 1997.