Текст книги "История и философия науки: учебное пособие"
Автор книги: Лев Зеленов
Жанр:
История
сообщить о нарушении
Текущая страница: 11 (всего у книги 33 страниц) [доступный отрывок для чтения: 12 страниц]
Прогресс радиоастрономических исследований определяется уровнем экспериментальной техники. Можно указать на два достижения, которые составляют основу современной радиоастрономии. Первое – разработка апертурного синтеза и синтезированных радиотелескопов, радиоинтерферометров со сверхбольшой базой. Принцип работы систем состоит в том, что сигналы, принятые разными антеннами, определенным образом складываются. В итоге удается воссоздать картину, которую дала бы одна очень большая и потому очень остронаправленная антенна. И вот результат: в радиоастрономии уже удалось получить разрешающую силу в десятитысячные доли угловой секунды, что на несколько порядков выше разрешения наземных оптических телескопов.
Второе – разработка на основе ЭВМ многоканальных систем космической радиоспектроскопии, создание радиотелескопов-спектрометров. Они позволили исследовать структуру мазерных источников, открыть в космосе более 50 различных органических молекул, в том числе сложные молекулы, состоящие более чем из 10 атомов.
Через 50 лет, надо полагать, будут открыты (если они имеются) планеты у ближайших к нам 5—10 звезд; скорее всего, они будут обнаружены в оптическом, инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах волн с внеатмосферных установок. Начнут создавать межзвездные корабли-зонды для посылки к одной из ближайших звезд в пределах расстояний 5—10 световых лет, разумеется, к той, возле которой будут обнаружены планеты. Такой корабль сможет двигаться со скоростью не более 0,1 скорости света с помощью термоядерного двигателя.
В радиоастрономии будут использованы гигантские космические системы апертурного синтеза с размерами радиотелескопов более 100 м и расстоянием между ними до нескольких сотен тысяч километров (сейчас наибольшее расстояние между радиотелескопами ограничено размерами Земли).
В первой трети XXI в. будет обсуждаться проблема ограничения производства термоядерной энергии, которая к тому времени станет доминирующей. И будут предприниматься серьезные шаги, чтобы использовать фоновую энергию, существующую на Земле всегда (энергию ветра, приливов, солнечную энергию и т. п.), утилизация которой не приводит к дополнительному нагреву планеты.
И последнее: очень вероятно, что будут построены специальные большие радиотелескопы для наблюдения и поиска электромагнитных сигналов разумного (искусственного) происхождения во всем перспективном диапазоне волн. Будут проведены наблюдения сигналов от значительной части звезд Галактики. Получит дальнейшее развитие теория возникновения и развития внеземных цивилизаций.
Среди научных дисциплин, значение которых на рубеже третьего тысячелетия все больше повышается, занимает биофизика, как всякая наука, стоящая на грани соседних областей.
Первый Институт биологической физики создан в нашей стране в 1919 г. В 30-х годах на основе квантовых представлений о природе света была определена чувствительность зрительного аппарата человека (П. Лазарев, С. Вавилов) и обнаружено, что в условиях темновой адаптации (привыкание к полной темноте) человек в состоянии регистрировать отдельные кванты света. Был поставлен вопрос (на него и сегодня еще не получен однозначный ответ): действуют ли короткие и ультракороткие электромагнитные волны, производящие несомненный физиологический эффект, только тепловым способом или существует и другой механизм их воздействия? Исследования в этой области, но, естественно, на новой методической базе, ведутся и сейчас.
В другой области биофизики интересные результаты получил В. Шулейкин в ходе исследования гидро– и аэродинамики рыб и птиц. Например, был изучен механизм движения летучей рыбы, которая аккумулирует энергию, отталкиваясь от поверхности воды, и дальнейший полет ведет планированием. Оказалось, что пространственное расположение птиц в летящей стае и рыб в косяке отвечает минимуму затрат энергии, расходуемой на движение, и что существует ограниченное число форм расположения стаи, отвечающих этим условиям. Результаты имели не только теоретическое значение, но и практические приложения при конструировании летательных аппаратов и водных транспортных средств нового поколения.
Н. Бернштейн создал новый раздел биофизической науки – количественную биомеханику, имеющую широкие практические приложения в спорте, физиологии труда и предотвращении профессиональных заболеваний, а сегодня его теория нашла применение в создании роботов.
Можно смело сказать, что многие биофизические исследования 30-х годов вошли в «золотой фонд» науки.
Во второй половине XX в. появился новый термин «биотехника»; он относится к биологическим наукам, в частности биофизике, используется в решении технических проблем, например, при совершенствовании промышленных технологий. Вот несколько примеров. Из всех способов преобразования химической энергии в механическую живая система использует наиболее эффективный: преобразование идет при комнатной
температуре, низком давлении и сравнительно высоком коэффициенте полезного действия – свыше 30 %. Биологические системы отличаются от существующих технических высоким уровнем «миниатюризации», большими концентрациями энергии, низкими коэффициентами трения и высокой надежностью. Существующие плотности энергии в технических системах, например, создаваемые электрическими и магнитными полями в газовой среде, составляют соответственно 102 Дж/кв. м и 106 Дж/кв. м. В биологических системах в двойном электрическом слое, возникающем на границе твердой фазы и раствора электролита, плотность энергии обычно 108 Дж/кв. м. Кроме того, используется эффективный вид «смазки» – отталкивающиеся электрические заряженные молекулярные слои.
Надежность биологических систем определяется самовосстановлением и системой дублирования рабочих элементов. Сердце человека, этот хемоэлектромеханический насос, делает за жизнь свыше 109 сокращений, в то время как самые надежные механические системы обеспечивают не более 10 переключений, т. е. в 100 раз меньше. Возможность создания нового типа механохимического двигателя доказана экспериментально. Функционирование его основано на том, что равновесие между двумя формами полимера, имеющего разные механические свойства, сдвигается при изменении химического потенциала среды. Полимер, таким образом, находится то в растянутом, то в сжатом состоянии.
Если раньше исследователи шли в основном по пути воспроизведения в технике принципов, используемых в живых системах, то сегодня создаются гибридные системы, в которых одна часть выполнена в металле, а другая состоит из биоэлементов. Предпринимаются попытки создать компьютер, использующий элементы, характерные для нервной системы. Его предполагают снабдить датчиками на биологической основе и исполнительными устройствами, принцип работы которых построен на применении молекулярных механизмов мышечного сокращения.
Природа едина, и деление на науки условно. При решении любой практической проблемы необходимо учитывать возможное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. В связи с этим видятся большие возможности биофизики с ее разносторонним подходом к исследованию биологических проблем и арсеналом эффективных физико-математических методов.
Можно назвать несколько глобальных научных проблем начала XXI в., в решение которых биофизика могла бы внести заметный вклад. Это, во-первых, создание эффективных методов контроля за изменениями среды обитания человека; во-вторых, дальнейшее развитие профилактики, диагностики, поддержания и восстановления нашего здоровья; в-третьих, поиск путей гарантированного обеспечения человека пищей; в-четвертых, определение вариантов рационального использования уменьшающихся запасов полезных ископаемых.
Одна из важнейших задач биофизики состоит в том, чтобы разобраться в цикличности процессов, протекающих в биосфере, и сформулировать конкретные предостережения, предупредить возможное трагическое приближение к границам устойчивости биосферы.
Мы еще достаточно далеки от понимания механизмов живой природы, и призыв древних «Познай самого себя» не только остается актуальным сегодня, но и смело может быть адресован будущим поколениям биофизиков.
Революция в генетике еще только начинается. В XX в. древо генетики начало давать обильные плоды. Выделение и внедрение генов карликовости обеспечили стремительное распространение по всему миру короткостебельных неполегающих сортов злаков, способных давать урожай зерна до 100 ц с гектара. Именно они послужили основой «зеленой революции». Разработка методов прогнозирования эффекта гетерозиса – резкого повышения продуктивности гибридов первого поколения – позволила получить множество гибридов кукурузы, риса, подсолнечника, а также кур, свиней, тутового шелкопряда,
ежегодно дающих миллионы тонн дополнительной продукции. Вышел на поля первый искусственно созданный человеком вид культурного растения тритикале – амфидиплоид, в клетках которого функционируют хромосомы ржи и пшеницы. С помощью новейших методов генетики, в том числе и химического мутагенеза, созданы сотни новых сортов растений, а также штаммов микроорганизмов – сверхпродуцентов биологически активных веществ, например, антибиотиков и витаминов.
Поразительные возможности для изучения механизмов генетических процессов и управления ими создались в связи с возникновением новой ветви биологической науки – молекулярной биологии. Открытие основного канала передачи наследственной информации путем комплементарного синтеза молекул нуклеиновых кислот и связанных с этим очень сложных, изумительно скоординированных биохимических процессов позволило заглянуть в поражающую воображение бездну эволюции макромолекул, создавшей такие совершенные структуры, как хлоропласты, митохондрии, рибосомы, молекулы гемоглобина и ферментов. Вместе с тем в последние годы было показано, что только очень небольшая часть заключенных в хромосомах высших организмов – эукариот (т. е. имеющих ядра) – молекул ДНК, кодирует синтез белков, а функциональная роль более 90 % ДНК еще не известна.
Установлено мозаичное строение гена, т. е. чередование последовательности ДНК, кодирующих часть белковой молекулы – экзонов, с нетранслируемыми последовательностями – нитронами. Открыты мобильные генетические элементы – последовательности ДНК, которые при смене поколений могут перемещаться по геному, «включая» и «выключая» отдельные гены, в том числе и онкогены, запускающие механизм злокачественного перерождения клетки. Роль этих «прыгающих генов» в функционировании хромосомного набора и эволюции выяснена еще далеко не полностью, и здесь мы можем встретиться с самыми неожиданными открытиями.
Все это стало возможным благодаря разработке целой серии оригинальных методов манипулирования с молекулами нуклеиновых кислот и белков. Были созданы условия не только для расшифровки кода отдельных генов, но и для искусственного синтеза работающих генов. Возникла новая область науки – генетическая инженерия – конструирование рекомбинатных молекул. Сегодня мы можем выделить природный ген или химически синтезировать его, вставить в кольцевую молекулу ДНК – плазмиду и с ее помощью заставить клетки микроорганизмов продуцировать нужные человеку вещества, например, гормон роста, инсулин, интерфероны и т. д. Современная биотехнология основана на культивировании клеток или одноклеточных организмов рекомбинантными молекулами.
Во второй половине XX в. в естествознании произошли грандиозные события. Достаточно перечислить новые области науки. Это – молекулярная биология и генная инженерия, биоорганическая и бионеорганическая химия, кибернетика и теория информации, неравновесная термодинамика и синергетика. Много замечательного сделано в этих новых областях. Представим краткий перечень важнейших работ:
• расшифровка генетического кода;
• исследования биополимеров – белков и нуклеиновых кислот, показавшие, в частности, что высокая эластичность каучуков и ферментативная активность белков – родственные явления;
• открытие и изучение онкогенов, выяснение природы иммунитета, открытие и изучение подвижности генов, раскрытие механизмов работы биологических мембран;
• физическое моделирование эволюции;
• нейтралистская теория молекулярной эволюции;
• создание синергетики – процессов, далеких от равновесия открытых систем, в которых упорядоченность
возникает из хаоса. К этой области, созданной трудами И. Пригожина, Г. Хакена и других, относятся и периодические процессы в химических и биологических системах – в частности, ставшая заслуженно знаменитой реакция Белоусова – Жаботинского.
Перечень можно продолжить. Ограничимся общим выводом: установилось глубокое единство физики, химии и биологии в понимании основных явлений жизни. Мировоззрение естествоиспытателя изменилось радикально. И это обещает многое.
Оценивая общие тенденции и уже имеющиеся результаты научно-технического развития накануне XXI в., можно говорить о том, что мир вступает в новую эволюционную фазу, условно называемую вторичной эволюцией, когда в противостоянии находятся технология и эволюция. Влияние технологии начинает превалировать, радикально меняя и биосферу, и самого человека. На значительных исторических отрезках отчетливо видны взаимосвязи и взаимозависимости социальных, политических, научно-технических и всех других факторов, характеризующих целостное развитие цивилизации.
XX век изменил само понятие «технология». Подобно тому как к математике стали относиться области, абстрагированные от количеств, например, общая топология и логика высказывания, некорректно поставленные задачи и т. п., к физике – динамика систем с непредсказуемым поведением (странный аттрактор) и другие, технология включила процессы и средства обработки и передачи информации, социального управления и жизнеобеспечения. Сегодня технологию можно определить как совокупность всех алгоритмов, процессов и средств их реализации. Понимая под алгоритмами традиционную технологическую рецептуру, под процессами‑только физико-химическое, под средствами – материалы, оборудование и строительные сооружения, мы получим классическое определение технологии матермального производства. Относя к алгоритмам поведения законодательную систему, традиции и морально-этические установки общества, к процессам – его социальную динамику, к средствам – государственный аппарат, систему социальных институтов, мы получим определение технологии социального управления. Аналогичными подстановками можно получить определения медицинской технологии, технологии образования и т. д.
Все высокие технологии, определяющие лицо научно-технической цивилизации конца века, появились в форме фундаментальных исследований, как правило, комплексного, междисциплинарного плана. Особенно это характерно для химической технологии, функции которой в XX в. совершенно преобразились.
На своих нижних ярусах химическая технология врастает в ткань добывающих производств благодаря новым методам комплексного, полного, энергетически и экологически более экономного извлечения элементов, в том числе из отвалов и руд, которые ранее считались бесперспективными, из творческих отходов и отслуживших изделий и, наконец, благодаря методам превращения «пустой породы» и технологических отходов в строительные материалы и другую полезную продукцию. Кроме того, тонкие химические технологии включаются в состав горнорудных комплексов, поэтому, начиная от первичного сырья, они завершают свои производственные циклы выпуском такой продукции, как сверхчистые вещества и монокристаллы.
«Верхние ярусы» химической технологии стремительно изменяются вместе с возникновением и развитием новых методов и новых технологий, в первую очередь – микротехнологии кристаллических информационных структур, в которых синтез вещества, формирование и даже монтаж деталей в готовое устройство высшего уровня сложности (например, сверхбольшие схемы, кристаллические микроустройства и т. п.) органически сливаются на физико-химической основе.
Глубинные основы химической технологии также преображаются. Во-первых, квантово-химическая теория строения вещества в сочетании с моделирующими возможностями суперЭВМ позволяет точно прогнозировать свойства синтезируемого вещества и путь его синтеза. Во-вторых, развитие тонких методов катализа, «прицельной» химии расщепления и сшивки крупных молекулярных фрагментов и т. д. превращают химика как бы в зодчего новых химических форм. Наконец, ведется интенсивный поиск путей самоформирования еще более высокоорганизованных химических структур. Этот поиск опирается на тонкие механизмы селективности химических реакций, сложные процессы самоупорядочивания в тепломассопереносах и вдохновляется общими идеями естественных наук конца XX в., обозначаемых термином «синергетика» (подобно тому как наиболее общие идеи в области автоматического управления и самоуправляемых систем получили родовое обозначение «кибернетика»). Почти фантастические перспективы развития в этом направлении наметились в области химии быстропротекающих процессов – взрыва, пламени, плазмы. Эти процессы, играющие ключевую роль в автомобильном, воздушном и морском транспорте, космонавтике, гидрометаллургии и т. д., остаются до настоящего времени малоизученными. Во второй половине 80-х годов началось интенсивное исследование тонких механизмов быстрых реакций методом комбинационного рассеяния в скрещенных лучах лазеров, что позволяет осуществить как бы томографию пламени. Задача в конечном счете сводилась к синтезу композиции веществ, которые обеспечат саморегулирование быстрых процессов и их эффективное протекание в требуемом направлении.
По стремительным темпам развития химической технологии не уступает механическая. На базе использования гибких автоматизированных линий и обрабатывающих центров преобразуется парк металлообрабатывающих станков, сформировалась новая научно-технологическая область твердотельной микромеханики, в туннельных и других зондовых микроскопах достигается субатомная точность микромеханического (точнее – наномеханического) привода, быстро возрастает число степеней свободы в механических системах роботов, развивается космическая механика свободного полета и невесомости и т. п.
Развитие структурного принципа проектирования и управления производственными процессами вверх, его распространение на технологические комплексы положило начало слиянию, синтезу разнородных технологий с отдаленной целью образования единой и органичной метатехнической системы. Но в то же время материальная технология продолжает интенсивное развитие в части изучения более глубоких уровней строения материи. Это проявляется прежде всего в микротехнологии, на которую опирается вся аппаратная база информатики, в генной инженерии, в работах, направленных на их синтез в рамках программ «молекулярной электроники» и «нанотехнологии».
Если предшествующая «сверхфаза» развития технологии предусматривала создание искусственного макромира на базе естественного микромира молекулярных и кристаллических структур, элементарных физико-химических процессов как на готовом фундаменте, то наступающая новая «сверхфаза» – создание искусственного микромира, собственного фундамента технологии. Начало этому новому процессу было положено с двух сторон: микротехнологии информационных структур и микробиотехнологии – генной и белковой инженерии. На исходе XX в. начался штурм первого субмикронного рубежа – диапазона «проектных норм» в окрестности 0,1 мкм, что потребовало значительно более радикальной реконструкции всего арсенала аппаратных и методических средств микротехнологии, равно как и принципов проектирования ее конечной продукции. Не менее существенные изменения должны претерпеть принципы работы микроэлектронных устройств и основанных на них информационных машин и систем. Квантовые вероятностные и коллективные электронные процессы станут органической основой действия элементов вычислительных систем, и если в машинах пятого поколения удается эффективно имитировать некоторые функции человеческого интеллекта исключительно средствами дискретной математики, то в новых системах будет сделан шаг к созданию творческих партнеров человека, способных отражать случайные явления реального мира и принимать неожиданные решения.
Но наиболее волнующий синтез шаг за шагом готовится в области биоподобных структур. Этот синтез основывается на микробиологических исследованиях на молекулярном и субклеточном уровнях, медико-биологических исследованиях иммунных механизмов, прогрессе и понимании нейронных и биоэнергетических механизмов жизнедеятельности, а также на напряженном поиске функциональных устройств молекулярного уровня, которые совмещали бы в себе принципы действия электронных и биологических систем.
