Феномен науки: Кибернетический подход к эволюции

1
2
СОДЕРЖАНИЕ
В МИРЕ ФИЗИКИ И АСТРОФИЗИКИ
В.Л.Гинзбург Какие проблемы физики и астрофизики представляются
особенно важными и интересными (тридцать лет спустя, причем уже
на пороге XXI века). Успехи физических наук. 1999.Т.169. №4.
С.419 – 442………………………………………………………………..…4
В МИРЕ ХИМИИ
А.Л.Бучаченко Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы.
Успехи химии. 1999. Т. 68. С. 99 – 118........................................................46
ВОЗНИКНОВНИЕ ЖИЗНИ
Р.Нудельман Загадки, тайны и коды жизни. – Ростов н/Д : Феникс,
2007. – 470 с.(Избранное)………………………………………….............78
КИБЕРНЕТИКА И ЭВОЛЮЦИЯ
В.Ф.Турчин Феномен науки: Кибернетический подход к эволюции.
Изд. 2-е М.: ЭТС. – 2000. – 368 с. (Избранное)……………………......165
21 ВЕК – РОЖДЕНИЕ МЕГАНАУКИ
А.А.Крушанов Megasciense: новые рубежи наукогенеза.
СОВРЕМЕННАЯ КАРТИНА МИРА. ФОРМИРОВАНИЕ НОВОЙ
ПАРАДИГМЫ. Сборник статей. – М., 2001, с. 23 – 69……………...…281
3
В МИРЕ ФИЗИКИ И АСТРОФИЗИКИ
В.Л.Гинзбург, академик РАН, лауреат Нобелевской премии по физике
В.Л.Гинзбург Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными (тридцать лет спустя, причем уже на пороге 21 века)? Успехи физических наук. 1999. т.169. №4. С.419–442.
Почти 30 лет назад была опубликована статья автора с похожим названием
[1]. Ее основная цель, в значительной мере имеющая образовательный характер,
состояла в том, чтобы расширить горизонт молодых физиков. Для этого был составлен и прокомментирован некоторый «список» проблем, представляющихся
особенно важными и интересными. Разумеется, любой подобный «список»
субъективен и неполон, но «нельзя объять необъятное», и какое-то его ограничение неизбежно. Автор несколько раз дополнял «список» и пояснения к нему
(последний вариант см. в [2]). В настоящей статье преследуется та же цель, что
и раньше, но с учетом ситуации на конец XX века.
1. Введение
Скорость развития науки в наше время поражает. Буквально в продолжение
одной–двух человеческих жизней произошли гигантские изменения в физике,
астрономии, биологии, да и во многих других областях. Читатели могут проследить сказанное даже на примере своей семьи. Так, мой отец, родившийся в 1863
г., был младшим современником Максвелла (1831–1879). Мне самому было уже
16 лет, когда в 1932 г. были открыты нейтрон и позитрон. А ведь до этого были
известны только электрон, протон и фотон. Как-то нелегко осознать, что электрон, рентгеновские лучи и радиоактивность открыты лишь около ста лет назад,
а квантовая теория зародилась только в 1900 г. Вместе с тем сто лет – это так
мало не только по сравнению с примерно 3 млрд. лет с тех пор, когда на Земле
зародилась жизнь, но и с возрастом современного вида людей (Homo sapiens),
составляющим порядка 50 тыс. лет! Полезно вспомнить и то, что первые великие физики Аристотель (384–322 гг. до н.э.) и Архимед (около 287–212 гг. до
н.э.) отделены от нас более чем двумя тысячелетиями. Но в дальнейшем наука
прогрессировала сравнительно медленно, и не последнюю роль здесь играл религиозный догматизм. Лишь со времен Галилея (1564–1642) и Кеплера (1571–
1630) физика стала развиваться все ускоряющимися темпами. Но, кстати сказать, даже Кеплер считал, что существует сфера неподвижных звезд, которая
«состоит изо льда или кристалла». Общеизвестна и борьба Галилея за утверждение гелиоцентрических представлений, за что он в 1633 г. был осужден инквизицией. Какой путь пройден с тех пор всего за 300–400 лет! Его итог–известная
нам современная наука. Она уже освободилась от религиозных пут и церковь се4
годня, по крайней мере, не отрицает роль науки [3]. Правда, антинаучные
настроения и распространение лженауки (в особенности астрологии) и в наши
дни имеют место, в частности, в России.
Однако лишь победа тоталитаризма (большевизма–коммунизма, фашизма)
может радикально помешать прогрессу в науке в результате возникновения явлений типа лысенковщины. Будем надеяться, что до этого не дойдет. Так или
иначе, можно рассчитывать на то, что в XXI в. наука будет развиваться не менее
быстро, чем в уходящем XX столетии. Трудность на этом пути, быть может, даже главная трудность, как мне кажется, связана с гигантским увеличением
накопленного материала, объема информации. Физика так разрослась и дифференцировалась, что за деревьями трудно разглядеть лес, трудно охватить мысленным взором картину современной физики как целого. Между тем такая картина существует и, несмотря на все ответвления, у физики имеется стержень.
Таким стержнем являются фундаментальные понятия и законы, сформулированные в теоретической физике. Содержание последней ярко отражено в Курсе
Л.Д.Ландау–Е.М.Лифшица–Л.П.Питаевского. Последний из этих авторов продолжает дело своих предшественников. Курс в дополненном виде переиздается,
хотя, к сожалению, недостаточно быстро.
Курс ЛЛП, как и многочисленная другая учебная и монографическая литература, образует ту базу, на которой основывается работа во всех разделах физики и в близких направлениях. Однако все эти книги не могут отражать последнего слова в науке, по ним трудно, или невозможно, чувствовать биение
пульса научной жизни. Такой цели, как известно, служат семинары. Я сам руковожу в ФИАНе одним из таких семинаров уже больше 40 лет. Он проводится
еженедельно (по средам) и продолжается два часа. Типичная повестка дня: новости из текущей литературы, а затем два (или реже один) доклада на самые
различные физические и околофизические темы. 1500-е заседание семинара было проведено 24 мая 1996 г. в форме, близкой к «капустнику», оно отражено в
журнале «Природа» [4]. 1600-е заседание состоялось 13 января 1999 г. На семинаре сейчас бывает в среднем около 100 человек – это научные сотрудники из
ФИАНа и других институтов, а также немногие студенты МФТИ. С некоторым
удивлением должен заметить, что подобных семинаров широкого профиля, повидимому, проводится довольно мало. Преобладают узкопрофессиональные семинары или, особенно за границей, так называемые коллоквиумы. Последние
длятся один час и посвящены только одному обзорному докладу. Зато за границей распространены содержащие много новостей журналы «Nature», «Physics
Today», «Physics World», «Contemporary Physics» и некоторые другие. К сожалению, у нас в России все эти журналы сейчас сравнительно малодоступны, особенно без запоздания. Думаю, что «Успехи физических наук» достаточно доступны и приносят немалую пользу. Однако, как я давно считаю, всего этого
мало, и я пропагандирую «проект» (как сейчас стало модно говорить), отраженный в названии настоящей статьи. Речь идет о составлении некоторого списка
проблем, представляющихся в данное время наиболее важными и интересными.
5
Эти проблемы должны в первую очередь обсуждаться или комментироваться в
специальных лекциях или статьях. Формула «все об одном и кое-что. обо всем»
весьма привлекательна, но уже нереальна – за всем не угонишься. Вместе с тем
некоторые темы, вопросы, проблемы как-то выделены по различным причинам.
Здесь может играть роль важность темы для судеб человечества (выражаясь высокопарно), вроде проблемы управляемого ядерного синтеза с целью получения
энергии. Выделены, конечно, и вопросы, касающиеся самого фундамента физики, ее переднего фронта (эта область часто именовалась и именуется физикой
элементарных частиц). Несомненно, особое внимание привлекают и некоторые
вопросы астрономии, которую сейчас, как и во времена Галилея, Кеплера и
Ньютона, трудно (да и не нужно) отделять от физики. Вот такой список (разумеется, меняющийся со временем) и составляет, по моему убеждению, некий «физический минимум». Это темы, о которых каждый физик должен иметь некоторое представление, знать, о чем идет речь. Быть может менее тривиально мнение, что достичь подобной цели вовсе не так уж трудно, не так уж на это нужно
потратить много времени и сил. Но для этого необходимы известные усилия не
только со стороны «обучающихся», но и со стороны «старших товарищей».
Именно, нужно отобрать темы для «физминимума», составить соответствующий
«список» и прокомментировать его, пояснить, наполнить содержанием. Это я и
попытался сделать на кафедре проблем физики и астрофизики МФТИ, организованной в 1968 г. Для этой цели читались специальные дополнительные лекции
(всего их было прочтено около 70, прекратились они «по техническим причинам»; см. [2, с.229]). Для этой же цели в 1970 г. была написана статья [1], носившая похожее название, как и настоящая. В дальнейшем статья неоднократно
переиздавалась (конечно, с изменениями), ее последний вариант открывает книгу [2], изданную в 1995 г. За прошедшие с тех пор несколько лет не так уж много появилось нового. Такой недостаток можно компенсировать. Хуже другое –
за 30 лет все мое изложение в какой-то мере морально устарело. Трудно это четко сформулировать, но такова судьба всех статей и книг подобного типа. Кстати
сказать, в юности для меня большую роль сыграла такая книга О.Д.Хвольсона
«Физика наших дней (новые понятия современной физики в общедоступном изложении)», опубликованная в 1932 г. четвертым «просмотренным и дополненным» изданием [5]. Она, как мне сейчас представляется, уже тогда несколько
устарела, если говорить о самом новом (тогда – о квантовой механике). А
О.Д.Хвольсон (1852-1934) был тогда даже немного моложе, чем я в настоящее
время. В общем, если бы я даже захотел сейчас написать нужную (на мой
взгляд) книгу заново, то не смог бы этого сделать. Но, как известно, «лучшее –
враг хорошего» и в надежде, быть может иллюзорной, что мой «проект» все же,
если не «хорош», то полезен, пишу настоящую статью. Ниже предлагается
«список» 1999 г. тех проблем, которые представляются «особенно важными и
интересными». Как я полагаю, каждый физик должен быть знаком с этим «физминимумом» – знать, пусть и поверхностно, о чем идет речь в отношении каждого из перечисленных вопросов.
6
Нужно ли подчеркивать, что выделение «особенно важных и интересных»
вопросов ни в какой мере не эквивалентно объявлению массы других физических вопросов неважными или неинтересными? Это же очевидно, но привычка к
перестраховке побуждает все же сделать еще пару замечаний. «Особенно важные» проблемы выделяются не тем, что другие не важны, а тем, что на обсуждаемый период времени находятся в фокусе внимания, в какой-то мере находятся
на главных направлениях. Завтра эти проблемы могут оказаться уже в тылу, на
смену им придут другие. Выделение «особенно важных» проблем, конечно,
субъективно, возможны и нужны различные взгляды на этот счет. Однако я решительно хотел бы отмести упрек в том, что выделение производится под диктовку собственных научных интересов, собственной активной работы в физике.
Так, больше всего мне в моей научной деятельности были и остаются дороги
вопросы, связанные с излучением равномерно движущихся источников [6], но
их в «списке» не было и нет. К сожалению, пришлось сталкиваться с осуждением «списка» по той причине, что там нет темы, интересующей критикующего.
Вспоминаю в этой связи, как мой старший друг А.Л.Минц (1895-1974) после появления статьи [1] сказал мне: «Если бы Вы написали эту статью до избрания
академиком, то никогда не стали бы им». Возможно, что он был прав, но все же
верю в большую широту взглядов коллег.
2. «Список» особенно важных и интересных проблем 1999 г.
Как говорится в известной поговорке: «Чтобы узнать, каков пудинг – нужно его есть» (The proof of the pudding is in the eating).
Поэтому перейду к делу и предъявлю «список», о котором упоминалось.
1. Управляемый ядерный синтез.
2. Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость.
3. Металлический водород. Другие экзотические вещества.
4. Двумерная электронная жидкость (аномальный эффект Холла и некоторые другие эффекты).
5. Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктуры в полупроводниках, переходы металл-диэлектрик, волны зарядовой и спиновой плотности,
мезоскопика).
6. Фазовые переходы второго рода и родственные им. Некоторые примеры
таких переходов. Охлаждение (в частности, лазерное) до сверхнизких температур. Бозе-эйнштейновская конденсация в газах.
7. Физика поверхности. Кластеры.
8. Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики.
9. Фуллерены. Нанотрубки.
10. Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях.
11. Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные аттракторы.
12. Разеры, гразеры, сверхмощные лазеры.
7
13. Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра.
14. Спектр масс. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика. Кваркглюоновая плазма.
15. Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. W±- и Z°бозоны. Лептоны.
16. Стандартная модель. Великое объединение. Суперобъединение. Распад
протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи.
17. Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры.
18. Несохранение СР-инвариантности.
19. Нелинейные явления в вакууме и в сверхсильных электромагнитных
полях. Фазовые переходы в вакууме.
20. Струны. М-теория.
21. Экспериментальная проверка общей теории относительности.
22. Гравитационные волны, их детектирование.
23. Космологическая проблема. Инфляция. Λ-член. Связь между космологией и физикой высоких энергий.
24. Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые звезды.
25. Черные дыры. Космические струны (?).
26. Квазары и ядра галактик. Образование галактик.
27. Проблема темной материи (скрытой массы) и ее детектирования.
28. Происхождение космических лучей со сверхвысокой энергией.
29. Гамма-всплески. Гиперновые.
30. Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции.
Выделение именно 30 проблем (точнее, пунктов в «списке»), конечно,
крайне условно. Да и некоторые из них можно было бы разделить. В [1] было 17
проблем, в [2] их было уже 23.
В заметке [7] перечислены 24 проблемы. В письмах, поступивших в
«Physics Today» по поводу этой заметки, высказывалось мнение [8], что в список
нужно было бы поместить также образование звезд, атомную и молекулярную
физику (я, правда, не знаю, что конкретно имеется в виду), вопрос о некоторых
очень точных измерениях. Пришлось мне познакомиться и с другими предложениями дополнить «список». Некоторые из них учтены, но другие (например, касающиеся квантовых компьютеров, «оптики» атомных пучков, полупроводниковых приборов и т.д.) пришлось оставить без внимания.
Несомненно, любой «список» не догма, что-то можно выбрасывать, что-то
дополнять в зависимости от интересов лекторов и авторов соответствующих
статей. Более интересен вопрос об эволюции «списка» со временем, ибо это отражает процесс развития физики. В «списке» 1970–1971 гг. [1] кваркам было
уделено лишь три строчки при перечислении различных попыток объяснить
спектр масс. Это не свидетельствовало о моей проницательности, что признано
в [2]. Однако тогда (в 1970 г.) ведь кваркам было всего лет 5–6 (в смысле возраста соответствующей гипотезы), и судьба представлений о кварках была действи8
тельно не ясна. Сейчас ситуация, конечно, совершенно иная. Правда, самый тяжелый t-кварк был обнаружен лишь в 1994 г. (его масса, по данным на 1999 г.,
составляет wt=176±6 ГэВ). В «списке» [1] нет, естественно, фуллеренов, открытых в 1985 г.[9], нет гамма-всплесков (первое упоминание об их обнаружении
было опубликовано в 1973 г.; см. [2] и ниже). Высокотемпературные сверхпроводники были синтезированы в 1986–1987 гг., но в «списке»[1], тем не менее,
эта проблема рассматривалась довольно подробно, ибо она обсуждается начиная
с 1964 г. Вообще за 30 лет в физике сделано немало, но, по моему мнению, не
так уж и много появилось существенно нового. Во всяком случае, [1;2] и вышеприведенный в какой-то мере характеризуют развитие и состояние физической и
астрофизической проблематики с 1970–1971 гг. и по настоящее время.
Практически по каждому пункту можно было бы привести большое число
ссылок на литературу. Но это представляется здесь явно неуместным. К тому же
возникла бы проблема приоритета, касаться которой особенно не хотелось бы.
Ниже я старался свести число ссылок к минимуму, иногда они носят случайный
характер, предпочтение отдавалось, естественно, ссылкам на УФН, а также на
«Physics Today».
3. Некоторые комментарии (макрофизика)
В [2] статья того же названия, что и настоящая, занимает 155 страниц. В
ней по каждой проблеме «списка» сделаны пояснения. Поступить здесь так же
невозможно. Поэтому я ограничусь отдельными, иногда отрывочными замечаниями и комментариями.
Их основная цель – отразить развитие за последние 4–5 лет, т.е. после
[2].Проблема управляемого ядерного синтеза (номер 1 в «списке») все еще не
решена, хотя ей уже, как раз, 50 лет. Я помню, как работа в этом направлении в
СССР зародилась в 1950 г.
А.Д.Сахаров и И.Е.Тамм рассказали мне об идее магнитного термоядерного
реактора, и я был рад заняться этой проблемой, ибо в разработке водородной
бомбы мне тогда делать уже, практически, было нечего (обо всем этом рассказано в сборнике [10] в статье [9, с.205]. Работа эта считалась тогда сверхсекретной
(гриф «Строго секретно, особая папка»). Кстати сказать, я тогда и долгое время
впоследствии думал, что интерес к «термояду» был в СССР обусловлен желанием создать неиссякаемый источник энергии. Однако, как мне уже в недавнее
время рассказал И.Н.Головин, термоядерный реактор тогда интересовал «кого
надо» в основном вовсе по другой причине–как источник нейтронов (и) для
производства трития (t) (очевидно, с помощью реакции 6Li + n → t + 4Не + 4,6
МэВ). Так или иначе, проект считался столь секретным и важным, что меня (то
ли в конце 1951 г., то ли в начале 1952 г.) от него отстранили – просто-напросто
перестали выдавать в 1-м отделе рабочие тетради и собственные отчеты по этой
работе. Такова была вершина моей «спецдеятельности». К счастью, уже в хрущевские времена И.В.Курчатов и его коллеги поняли, что проблему «термояда»
9
быстро решить нельзя, и в 1956 г. она была рассекречена. В качестве реакции на
пережитое я в 1962 г. опубликовал свои термоядерные отчеты [11], хотя и отнюдь не претендую на то, что сделал в этой области что-либо существенное.
За границей работы над «термоядом» также начинались (примерно в тот же
период), в основном как секретные, и их рассекречивание в СССР (совершенно
нетривиальное для нашей страны по тем временам) сыграло большую положительную роль–решение проблемы стало объектом международных конференций
и сотрудничества. Но вот прошло уже 45 лет, а работающий (дающий энергию)
термоядерный реактор еще не создан и, вероятно, до этого момента придется
ждать еще лет 10, а может быть, и больше (см. [2, §1]; последний известный мне
общедоступный обзор на эту тему–статья [12]; ссылки на советские работы см. в
[13]). Работа над термоядерным синтезом ведется во всем мире и довольно широким фронтом. Особенно продвинута и является фаворитом система токамак.
Уже несколько лет разрабатывается международный проект ITER (International
Termonuclear Experimental Reactor). Это гигантский токамак стоимостью около
10 млрд долл., который предполагалось построить к 2005 г. в качестве подлинного прообраза термоядерного реактора будущего. Однако сейчас, когда конструирование в основном закончено, возникли трудности финансового характера. Кроме того, некоторые физики считают целесообразным раньше обдумывать
альтернативные конструкции и проекты меньшего масштаба (см. [12] и, например, [14]). Дискуссия на этот счет ведется на страницах «Physics Today» и других журналов, но представляется неуместным останавливаться на ней в настоящей статье.
В общем, сомнений в возможности создать реальный термоядерный реактор уже нет, и центр тяжести проблемы, насколько я понимаю, переместился в
инженерную и экономическую области. Однако столь гигантская и уникальная
установка, как ITER или какая-то конкурирующая с ней, сохраняют, конечно,
свой интерес для физики.
Что касается альтернативных путей синтеза легких ядер для получения
энергии, то надежды на возможности «холодного термояда» (например, в электролитических элементах) оставлены [133], а мюонный катализ очень изящен (и,
как я считаю, должен освещаться в Курсе общей физики), но представляется нереальным источником энергии, по крайней мере, без комбинации с делением
урана и т.п. Существуют также проекты использования ускорителей с различными ухищрениями, но об успехах в этом направлении я не знаю. Наконец, возможен инерционный ядерный синтез и, конкретно, «лазерный термояд». Строятся гигантские соответствующие установки, но о них мало известно в силу засекреченности – на них, видимо, надеются имитировать термоядерные взрывы.
Впрочем, возможно, что я просто не знаю ситуацию. Так или иначе, проблема
инерционного синтеза явно важна и интересна.
Проблема управляемого ядерного синтеза теперь уже скорее техническая,
чем физическая. И, во всяком случае, здесь нет какой-то таинственности, характерной для ряда нерешенных физических задач. Поэтому существует мнение,
10
что проблему ядерного синтеза можно в наш «список» не вносить. Речь, однако,
идет об очень важном вопросе, но все же еще не решенном. Поэтому я бы убрал
эту проблему из «списка» лишь после того, как заработает первый эффективный
термоядерный реактор.
Теперь о высокотемпературной и комнатнотемпературной сверхпроводимости (кратко ВТСП и КТСП, проблема 2). Человеку, далекому от физики твердого тела, может показаться, что проблему ВТСП пора из «списка» выбросить.
В 1970 г. [1] ВТСП еще созданы не были, их получение было мечтой, насчет которой некоторые ехидничали. Но ведь в 1986-1987 гг. такие материалы созданы,
пусть они по инерции фигурируют в [2], но не пора ли перевести их в категорию
огромного числа других веществ, изучаемых физиками и химиками? На деле это
совершенно не так. Достаточно сказать, что механизм сверхпроводимости в
купратах (наивысшая температура Тс = 135 К достигнута для HgBa2Ca2Cu3O8+x
без давления; под довольно большим давлением для этого купрата уже Тс ≈ 164
К) остается неясным [15–17]. Нет сомнений, у меня во всяком случае, что очень
существенную роль играет электронно–фононное взаимодействие с сильной
связью, но этого мало. Нужно еще «что-то», быть может, какое-то экситонное
или спиновое взаимодействие. В общем, вопрос открыт, несмотря на огромные
усилия, затраченные на изучение ВТСП (за 10 лет на эту тему появилось около
50 тыс. публикаций).
Но главный вопрос в этой области, конечно, тесно связанный с предыдущим, это возможность создания КТСП. Ничему такая возможность не противоречит [15], но и быть уверенным в успехе нельзя. Положение здесь вполне аналогично имевшему место до 1986–1987 гг. в отношении ВТСП.
В «списке» [2, §2] фигурировала также проблема сверхдиамагнетизма –
возможности создания равновесного несверхпроводящего диамагнетика с магнитной восприимчивостью χ, близкой к χ═ –1⁄4π(как известно, формально можно считать, что для сверхпроводников, как раз, χ═ –1⁄4π). На опыте известны
диамагнетики χ═ – (10–4–10–6).
Металлический водород (проблема 3) еще не создан даже под давлением
около 3 млн атмосфер (речь идет о низкой температуре). Однако исследование
молекулярного водорода под большим давлением выявило у этого вещества целый ряд неожиданных и интересных особенностей [18]. Далее, при сжатии
ударными волнами и температуре около 3000 К обнаружен, по-видимому, переход в металлическую (т.е. хорошо проводящую) жидкую фазу.
При высоком давлении обнаружены также своеобразные особенности у воды (точнее, у Н20) и ряда других веществ [18]. Помимо металлического водорода к числу «экзотических» веществ можно отнести фуллерены. Совсем недавно,
кроме «обычного» фуллерена C60, начал исследоваться фуллерен С36, быть может, обладающий при допировании очень высокой температурой сверхпроводящего перехода [19]. Примеры экзотических веществ можно умножить.
Нобелевская премия по физике за 1998 г. присуждена за открытие и объяснение дробного квантового эффекта Холла. Кстати сказать, за открытие цело11
численного квантового холл-эффекта тоже была присуждена Нобелевская премия (в 1985 г.). Я упоминаю здесь и ниже о присуждении Нобелевских премий
не из какого-то особого, иногда наблюдающегося чрезмерного уважения к этим
премиям. Как и всякое дело рук человеческих, присуждение наград не следует
абсолютизировать. В большинстве случаев даже лучшие награды несколько
условны, да и бывают ошибки (см., например, [20;21]). Вместе с тем Нобелевские премии по физике в целом заслужили высокий авторитет и являются вехами, фиксирующими прогресс в физике.
Дробный квантовый холл-эффект был открыт в 1982 г. (целочисленный
квантовый холл-эффект обнаружен в 1980 г.). Квантовый холл-эффект наблюдается при протекании тока в двумерном электронном «газе» (фактически, конечно, в жидкости, ибо взаимодействие между электронами существенно, особенно
для дробного эффекта). Разумеется, «система» (двумерный проводящий слой на
поверхности кремния) находится в перпендикулярном ему магнитном поле, как
и при обычном эффекте Холла. Ограничусь здесь ссылками [22;23] и замечанием, что неожиданной и особенно интересной особенностью дробного квантового холл-эффекта является существование квазичастиц с дробными зарядами е± =
(1/3) е (е – заряд электрона) и другими дробными зарядами. Нужно отметить,
что двумерный электронный газ (или, вообще говоря, жидкость) интересен не
только при исследовании холл-эффекта, но в других случаях и условиях [24;25].
Проблема 5 (некоторые вопросы физики твердого тела) сейчас буквально
безбрежна. Я лишь наметил (в скобках) возможные темы и, если бы читал лекцию, остановился бы на гетероструктурах (включая сюда «квантовые точки») и
на мезоскопике. Просто несколько лучше знаком с этими вопросами, чем с другими из той же области. Ограничусь ссылкой на целый выпуск УФН [24], посвященный этой тематике. Сошлюсь и на последнюю замеченную статью о переходах металл–диэлектрик [26]. Выбрать наиболее интересное нелегко, в этом,
как раз, и нужно помочь читателям и слушателям.
В отношении проблемы 6 (фазовые переходы и т.д.) хочу добавить к [2,§5]
следующее. Открытие низкотемпературных сверхтекучих фаз не отмечено Нобелевской премией по физике за 1996 г. [27].
Особое внимание за последние три года привлекает к себе бозеэйнштейновская конденсация (БЭК) газов. Это, несомненно, очень интересные
работы, но «бум», который с ними оказался связан, по моему мнению, в значительной мере обусловлен незнанием истории. Еще в 1925 г. Эйнштейн обратил
внимание на БЭК [28], и сейчас этот вопрос, естественно, освещается в учебниках (см., например, [29,§62]). Длительное время, правда, на БЭК не обращали
внимания и иногда даже сомневались в ее реальности. Но эти времена давно
прошли, особенно после 1938 г., когда Ф. Лондон связал БЭК со сверхтекучестью 4Не [30]. Разумеется, гелий II – это жидкость, и БЭК проявляется, так сказать, не в чистом виде. Стремление наблюдать БЭК в разреженном газе вполне
понятно и оправдано, но несерьезно видеть в этом открытии чего-то неожиданного и принципиально нового в физике (см. аналогичное замечание в [31]). Дру12
гое дело, что наблюдение БЭК в газах Rb, Na, Li и, наконец, в Н , осуществленное в 1995 г. и позже, является очень большим достижением экспериментальной
физики. Оно стало возможно только в результате развития методов охлаждения
газов до сверхнизких температур и удержания их в ловушках (за это, кстати,
была присуждена Нобелевская премия по физике за 1997 г. [32]). Осуществление БЭК в газах повлекло за собой поток теоретических работ (см. обзоры
[33;34]).
В бозе-эйнштейновском конденсате атомы находятся в когерентном состоянии и можно наблюдать интерференционные явления, что привело к появлению понятия об «атомном лазере» (см., например, [35; 36]). Весьма интересна и
БЭК в двумерном газе [127].
Темы 7 и 8 весьма широкие, я за ними не слежу и поэтому не могу выделить что-то новое и важное. Разве что хочется отметить повышенный и вполне
оправданный интерес к кластерам из различных атомов и молекул (речь идет об
образованиях, содержащих небольшое число частиц [ 134]). Нужно отметить
также исследования жидких кристаллов и одновременно сегнетоэлектриков
(или, по английской терминологии, ферроэлектриков). Сошлюсь лишь на последнюю известную мне работу по данному вопросу [37]. Привлекает к себе
внимание также изучение тонких сегнетоэлектрических пленок [38].
О фуллеренах (проблема 9) уже вскользь упоминалось (см. также [9;19]), и
вместе с углеродными нанотрубками (nanotubes) [39] эта область исследований
находится «в цвету».
О веществе в сверхсильных магнитных полях (конкретно, в коре нейтронных звезд), а также о моделировании соответствующих эффектов в полупроводниках (проблема 10) не знаю ничего нового. Подобное замечание не должно
обескураживать или вызывать такой вопрос: зачем же тогда помещать эти проблемы в «список»? Во-первых, в [2,§8] я попытался пояснить физическую сущность этой задачи и почему она, на мой взгляд, имеет некую прелесть для физика; повторяться здесь нет особых оснований и, главное, места. Во-вторых, понимание важности вопроса вовсе не обязательно связано с достаточным знакомством с его состоянием на сегодняшний день. Вся моя «программа», как раз, и
имеет цель стимулировать интерес и побудить специалистов освещать состояние проблемы неспециалистам в доступных статьях и лекциях.
В отношении нелинейной физики (проблемы 11 в «списке») ситуация иная,
чем в предыдущем случае. Материала очень много, в «Physical Review Letters
статьи появляются в каждом номере, там имеется даже специальный раздел, частично посвященный нелинейной динамике. Но, кроме того, нелинейная физика
и, в частности, проблемы, перечисленные под номером 11, находят отражение и
в других разделах журнала; в сумме нелинейной физике посвящено до 10-20%
всего материала (см., например, [40]). Вообще, нужно, быть может, лишний раз
подчеркнуть в дополнение к [2,§10], что внимание к нелинейной физике все
усиливается и усиливается. В значительной мере это связано с тем, что исполь13
зование современной вычислительной техники позволяет анализировать задачи,
об исследовании которых раньше можно было только мечтать.
Недаром XX в. иногда называли не только атомным веком, но и лазерным
веком. Совершенствование лазеров и расширение области их применения идет
полным ходом. Но тема 12 – это не лазеры вообще, а прежде всего сверхмощные
лазеры. Так, уже достигнута интенсивность (плотность мощности) I ~ (1020–
1021)Вт см-2. При такой интенсивности напряженность электрического поля порядка 1012В см-1, т.е. оно на два порядка сильнее поля протона на основном
уровне атома водорода. Магнитное поле достигает 109–1010Э [41]. При этом используются очень короткие импульсы длительностью до 10-15 с (т.е. до фемтосекунды). Использование таких импульсов открывает целый ряд возможностей, в
частности, для получения гармоник, лежащих уже в рентгеновском диапазоне и,
соответственно, рентгеновских импульсов с длительностью в аттосекунды (1 а =
10–18 с) [41;42]. Родственная проблема – создание и использование разеров и
гразеров – аналогов лазеров соответственно в рентгеновском и гаммадиапазонах. Чего-либо нового в этой области (по сравнению с [2, §9]) я, к сожалению, не знаю.
Проблема 13 – из области ядерной физики. Это, конечно, большая область,
плохо мне знакомая. Поэтому я выделил только два вопроса. Во-первых, это далекие трансурановые элементы в связи с надеждами на то, что отдельные изотопы в силу оболочечных эффектов живут долго (в качестве такого изотопа в литературе указывалось на ядро с Z = 114 и с числом нейтронов N = 184, т.е. с массовым числом A = Z + N = 298). Известные трансурановые элементы с Z < 114
живут лишь секунды или доли секунды. Появлявшиеся в литературе (см.
[2,§11]) указания на существование в космических лучах долгоживущих (речь
идет о миллионах лет) трансурановых ядер пока подтверждены не были. В начале 1999 г. появилось предварительное (еще не проверенное) сообщение [124] о
том, что в Дубне синтезирован элемент 114 с массовым числом 289, живущий
около 30 секунд. Поэтому возникла надежда на то, что элемент (114298), действительно, окажется очень долгоживущим. Во-вторых, упомянуты «экзотические»
ядра. Это ядра из нуклонов и антинуклонов, какие-то гипотетические ядра с повышенной плотностью, не говоря уже о ядрах несферической формы и с некоторыми другими особенностями. Сюда же примыкает проблема кварковой материи и кварк–глюонной плазмы (см., например, [43;135–137] и указанную там
литературу).
4. Некоторые комментарии (микрофизика)
Проблемы с 14-й по 20-ю относятся к области, которую именуют микрофизикой, хотя ее правильнее всего, по-видимому, называть физикой элементарных
частиц. Одно время, правда, это название как-то стало редко употребляться, поскольку устарело. Имеется в виду тот факт, что на определенном этапе элементарными считались, в частности, нуклоны и мезоны. Сейчас же известно, что
14
они состоят (правда, в несколько условном смысле) из кварков и антикварков.
Высказывались предположения, что и кварки «состоят» из каких-то частиц
(преонов и т.д.). Однако на сегодняшний день для подобных гипотез нет никаких оснований, а «матрешка» – деление вещества на все более «мелкие» части,
должна же когда-то исчерпаться. Так или иначе, на сегодняшний день мы считаем неделимыми, и в этом смысле элементарными, кварки – их, не считая антикварки, 6 «ароматов» (flavours): u (up), d (down), c (charm), s (strangeness), t (top)
и b (bottom); антикварки обозначаются с помощью черточки сверху. Далее, элементарны лептоны: электрон и позитрон (e─ и е+), (µ±, τ± ,cоответствующие
нейтрино νe, νμ, ντ) . Наконец, элементарными являются 4 векторных бозона (фотон γ, глюон g, Z0, W±). Детальнее о состоянии физики элементарных частиц, в
целом, писать здесь не буду, ибо могу сослаться, помимо [2], на обзор
Л.Б.Окуня «Современное состояние физики элементарных частиц», опубликованный в УФН в 1998 г. [44]. Все, что там написано, я включаю в «физический
минимум». Сделаю, однако, ряд замечаний и добавлений. Одна из самых актуальных задач (в [44] она даже именуется задачей №1) физики элементарных частиц – поиски и, как все надеются, обнаружение хиггса – скалярного хиггсбозона со спином 0. По оценкам, масса хиггса меньше 1000 ГэВ, но скорее даже
меньше 200 ГэВ. Поиски ведутся и будут вестись на имеющихся и реконструируемых ускорителях (в ЦЕРНе и Фермилабе). Главная же надежда физики высоких энергий (возможно, и при поисках хиггса) – это ускоритель LHC (Large
Hadron Coleider), строящийся в ЦЕРНе. В нем будет достигнута энергия в 14ТэВ
(в системе центра масс сталкивающихся нуклонов), но только, видимо, в 2005 г.
Другая важнейшая задача (№2, согласно [44]) – поиски суперсимметричных частиц (см. ниже). Нельзя не отметить исследование проблемы СР-несохранения
и, в силу справедливости, СРT-инвариантности (совместных пространственной
инверсии Р, зарядового сопряжения С и обращения знака времени T), также и
несохранения Т-инвариантности (неинвариантность при замене знака времени t
→ -t). Разумеется, это фундаментальный вопрос, в частности, с точки зрения
объяснения необратимости физических процессов (см. раздел 6). СРнесохранение было обнаружено в 1964 г. на примере распада мезона К°2 → π+ +
π‾. Кстати, это открытие в 1980 г. было отмечено Нобелевской премией по физике. Вместе с тем известные процессы с СР-несохранением довольно маловероятны (по сравнению с процессами, сохраняющими CP-инвариантность). Исследование процессов с СР-несохранением продолжается, их природа неясна. Недавно обнаружен еще один процесс, идущий с СР-несохранением, но также относительно маловероятный [45]. Наконец, идут поиски СР-несохранения при
распаде β-мезонов [46]. Распад протона пока не обнаружен. По последним данным [125], среднее время жизни протона, если определить его по реакции p → е+
+ π0, больше 1,6·1033 года. О массе нейтрино, упоминаемой в числе прочих «разделов» проблемы 16, будет сказано ниже при обсуждении проблемы 30
(нейтринная физика и астрономия).
15
Остановлюсь здесь на проблеме 17 и, более конкретно, фундаментальной
длине. «Элементарщики», как иногда называют специализирующихся в области
физики элементарных частиц, вероятно пренебрежительно пожмут плечами –
что это еще за проблема? Возможно, что если бы я начал составлять свой «список» сегодня, я тоже не упомянул бы о такой проблеме, звучавшей «во весь голос» лишь много лет назад и отмеченной в [1], а затем и в [2]. Лишь в конце 40-х
годов были развиты способы (метод перенормировок и т.д.; см., например, [47],
позволившие без ограничений использовать квантовую электродинамику. До
этого при расчетах встречались расходящиеся выражения и для получения конечных результатов приходилось проводить «обрезание» на некоторой максимальной энергии Ef0 или отвечающей ей длине lf0 = ħ·c/Ef 0 (здесь ħ = 1,055 10–27
эрг– квантовая постоянная). Чаще всего встречалось значение 1f0=10–17 см и Еf0 =
ħ∙c /lf 0 ~ 3 эрг ~ 1012 эВ = 1 ТэВ. Примерно такие же значения отвечают
наибольшим энергиям (в системе центра масс) и наименьшим «прицельным параметрам», достигнутым на современных ускорителях. При этом «все в порядке» – известная физика, например, квантовая электродинамика хорошо «работает». Отсюда можно заключить, что до расстояний lf0~10–17 см (чаще, правда, указывают длину в 10–16см) и времен ~10–27с существующие пространственновременные представления справедливы. А что происходит в меньших масштабах? Такой вопрос в сочетании с имевшимися затруднениями теории и привел к
гипотезе о существовании некоторой фундаментальной длины lf и времени tf ~
lf/с, при которых вступает в строй «новая физика» и, конкретно, какие-то необычные пространственно–временные представления («зернистое пространство–время» и т.п.). Сегодня нет никаких оснований для введения длины lf ~10–17
см.
С другой стороны, в физике известна и играет важную роль некоторая другая фундаментальная длина, а именно планковская или гравитационная длина
lg=√ G·ħ/∙c3 = 1,6·10–33 см (здесь G = 6,67·10–8см (г∙с2)–1 – гравитационная постоянная); ей отвечает время tg=lg / c∙10–43с и энергия Eg =ħ∙c /lg∙1019ГэВ. Нередко
фигурирует планковская масса mg=Eg/с2 10–5∙√ħ∙c/(G г). Физический смысл длины lg заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользоваться
классической релятивистской теорией гравитации и, в частности, общей теорией
относительности (ОТО), построение которой было завершено Эйнштейном в
1915 г. Дело в том, что при l ~ lg и подавно при масштабах l < lg уже велики
квантовые флуктуации метрики gik. Поэтому здесь нужно использовать квантовую теорию гравитации, еще не созданную в сколько-нибудь законченной форме (В ОТО гравитационное поле полностью описывается метрическим тензором
gik. Кроме того, gik подчиняется вполне определенным уравнениям ( см., например,[48]). Существует немало других релятивистских теорий гравитации, в которых фигурируют помимо gik и другие переменные (например, некоторое скалярное поле φ), появляются более высокие производные и т. д.). Итак, длина lg –
это явно некоторая фундаментальная длина, ограничивающая классические
представления о пространстве-времени. Но можно ли утверждать, что эти пред16
ставления не «отказывают» еще раньше, при некоторой фундаментальной длине
l > lg? Как сказано, явно lf < lf0 см, но ведь это значение lf0 на целых 16 порядков
больше lg. Физики привыкли к экстраполяциям гигантского масштаба, например, к предположению о тождественности законов и различных данных, полученных на Земле и во всей Вселенной или, во всяком случае, в колоссальных
пространственно-временных областях.
Примером подобной очень далеко идущей экстраполяции является и гипотеза о том, что на всем интервале между l ~ lf0~10–17 см и l ~ lg ~10–33 см никакой
иной фундаментальной длины lf не существует. Такая гипотеза сейчас естественна, но не доказана. О последнем следует помнить, в силу чего я и упоминаю об этой проблеме в «списке». По существу же дела можно отметить, что
«атака на длину» ведется с двух сторон. Со стороны сравнительно низких энергий – это строительство новых ускорителей (коллайдеров) и в первую очередь
уже упомянутого LHC (см. [44;49] и гл.11 и 12 в [50]). На нем, как упоминалось,
будет достигнута энергия (в системе центра масс) Еc = 14 ТэВ, что отвечает
длине l =ħ∙c/Ec = 1,4∙10–18 см. В космических лучах зарегистрированы частицы с
максимальной энергией E = 3·1020 эВ (в лабораторной системе отсчета; протон с
такой энергией при столкновении с покоящимся нуклоном в системе центра
масс имеет энергию Еc ~ 800 ТэВ и lc ~ 10–20 см). Однако таких частиц крайне
мало и непосредственно использовать их в физике высоких энергий невозможно
[51;52]. Длины, сопоставимые с lg , фигурируют лишь в космологии (и, в принципе, внутри горизонта событий черных дыр). В физике элементарных частиц
довольно широко оперируют с энергиями Е0 ~ 1016 ГэВ, фигурирующими в еще
незавершенной теории «великого объединения» – объединения электрослабого
и сильного взаимодействий. Длина l0 = ħ·c /E0 ~ 10–30см и все же на три порядка
больше lg. Что происходит в области масштабов между l0 и lg, по-видимому, сказать совсем трудно. Быть может, здесь и притаилась какая-то фундаментальная
длина lf, такая, что lg<lf< l0? Конечно, на сегодняшний день такое предположение
– это чистая спекуляция.
Кстати, о терминологии. Теория сильного взаимодействия именуется квантовой хромодинамикой. Как уже было сказано, схема, объединяющая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, называется великим объединением. Вместе с тем реально используемая современная теория элементарных частиц, состоящая из теории электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики, называется стандартной моделью (standart model). Наконец, теории, в
которых великое объединение (до конца еще не созданное) обобщается таким
образом, что включает еще и гравитацию, называют суперобъединением. Такого
удовлетворительного суперобъединения построить еще не удалось. Обсуждаемая ниже теория суперструн претендует на роль суперобъединения, но цель пока что еще не достигнута.
В отношении совокупности проблем 19 можно утверждать, что они очень
актуальны, но я не знаю, что добавить по сравнению со сказанным в [2, §17].
Вероятно, упустил какие-то новости, достойные упоминания (укажу лишь на
17
статью [53], посвященную фазовым переходам в ранней Вселенной). Между
прочим, в [2,§7] я цитирую замечание, сделанное Эйнштейном еще в 1920 г.
[54]: «...общая теория относительности наделяет пространство физическими
свойствами, таким образом, в этом смысле эфир существует...». Квантовая теория «наделила пространство» еще виртуальными парами различных фермионов
и нулевыми колебаниями электромагнитного и других бозе-полей. Казалось бы,
это всем известно. Тем не менее, «Physics Today» – орган Американского физического общества и еще 9 аналогичных обществ открывается в 1999 г. статьей
«The persistence of ether», посвященной рассуждениям о физическом вакууме,
именуемом эфиром [55].
До того, как перейти к проблемам астрофизического типа и близким к ним
(номера 21-30 в «списке»), остановлюсь на проблеме 20: струны и М-теория.
Это, можно сказать, фронтовое направление в теоретической физике на сегодняшний день. Кстати, вместо термина «струны» часто употребляют название
суперструны (super-strings), во-первых, чтобы не было путаницы»с космическими струнами (см. ниже о проблеме 25) и, во-вторых, чтобы подчеркнуть использование представления о суперсимметрии. В суперсимметричной теории каждой
частице отвечает (содержится в уравнениях) ее партнер с другой статистикой,
например, фотону (бозону со спином 1) отвечает фотино (фермион со спином
1/2) и т.д. Нужно сразу отметить, что суперсимметричные партнеры (частицы)
еще не обнаружены. Их масса, по-видимому, не меньше 100-1000 ГэВ. Поиски
этих частиц – одна из основных задач экспериментальной физики высоких энергий как на существующих или реконструируемых ускорителях, так и на LHC.
Теоретическая физика еще не может ответить на целый ряд вопросов,
например: как построить квантовую теорию гравитации и объединить ее с теорией других взаимодействий; почему существует, по-видимому, только 6 типов
(ароматов) кварков и 6 лептонов; почему масса электронного нейтрино очень
мала; почему μ- и τ-лептоны отличаются по своей массе от электрона именно в
известное из эксперимента число раз как определить из теории постоянную тонкой структуры α =∙е2/(ħ·c) ≈1/137 и ряд других постоянных и т.д. Другими словами, как ни грандиозны и впечатляющи достижения физики, нерешенных фундаментальных проблем предостаточно. Теория струн еще не ответила на подобные вопросы, но обещает успехи в нужном направлении. В квантовой механике
и в квантовой теории поля элементарные частицы считаются точечными. В теории струн элементарные частицы – это колебания одномерных объектов (струн),
имеющих характерные размеры ls~lg~ 10–33 см (или,ls ~ 100 lg). Струны могут
быть конечной длины (некоторый «отрезок») или в виде колечек. Струны рассматриваются не в 4-мерном («обычном») пространстве, а в многомерных пространствах, скажем, с 10-ю или 11-ю измерениями. Теория суперсимметрична.
Замена точечных частиц неточечными – это далеко не новая идея, ее основная
трудность – релятивистская формулировка. В качестве примера позволю себе
сослаться на работу И.Е.Тамма и свою [60] (см. также [61]). Никаких успехов на
этом пути до теории струн достигнуто не было. Идея многомерных пространств,
18
т.е. введения 5-го и большего числа измерений, еще значительно старше (теория
Калуцы-Кляйна [62;63]; см. [64, с.296]), но также до теории струн не привела к
каким-либо физическим результатам. Впрочем, и в теории струн можно упомянуть главным образом о «физнадеждах», как любил говорить Л.Д.Ландау, а не о
результатах. Но что называть результатами? Ведь математические построения и
обнаружение различных свойств симметрии – тоже результаты. Что же касается
физики, то ответа на какой-нибудь вопрос типа перечисленных выше теория
струн еще не дала. Это не помешало физикам, исследующим струны, говорить
уже не только о «первой суперструнной революции» (1984-1985 гг.), но уже и о
«второй суперструнной революции» (1994-?) [57]4. Употреблялась в применении
к теории струн и не слишком скромная терминология – «теория всего» («Тhеогу
of Everything»). Нужно отметить и тот факт, что теория струн не так уж молода;
согласно [50, гл.13], ей уже 40 лет, да и после «первой суперструнной революции» прошло около 25 лет, а ясных физических результатов еще нет. В этой
связи стоит напомнить, что подлинная революция в физике – создание квантовой механики, в основном де Бройлем, Шредингером, Гейзенбергом, Дираком и
Бором – продолжалась не более 5-6 лет (1924-1930 гг.). Общую теорию относительности Эйнштейн создавал 8 лет (1907-1915 гг.). Но этим замечаниям я не
придаю особого значения. Стоящие перед теоретической физикой задачи и вопросы, о которых идет речь, крайне сложны и глубоки, и сколько еще потребуется времени, чтобы найти ответы – неизвестно.
Чувствуется, что теория суперструн – это нечто глубокое и развивающееся.
Сами ее авторы претендуют на понимание лишь некоторых предельных случаев
и говорят только о намеках на некоторую более общую теорию, которую называют M-теорией. При этом буква М выбрана в связи с тем, что эту будущую
теорию называют магической или мистической (magic or mysterious) [56]. Теория суперструн сильно укрепила бы свои позиции в случае обнаружения суперсимметричных частиц, хотя имеются и другие пути ее проверки [59].
В широко известной и популярной на Западе книге Куна «Структура научных революций» ее автор пишет: «Для меня революция представляет собой вид
изменения, включающий определенный вид реконструкции предписаний, которым руководствуется группа. Но оно не обязательно должно быть большим изменением или казаться революционным тем, кто находится вне отдельного (замкнутого) сообщества, состоящего, быть может, не более чем из 25 человек»
[65, с.227]. Если пользоваться подобным определением революции (свое мнение
о нем я уже имел возможность высказать; см. [2, с.159]), то в большинстве областей физики революции происходят чуть ли не через каждые несколько лет.
5. Некоторые комментарии (астрофизика)
К астрофизике относим проблемы 21–30, что в некоторых случаях весьма
условно. В частности, и даже в особенности, это относится к вопросу об экспериментальной проверке ОТО – общей теории относительности (проблема 21).
19
Логичнее было бы ставить вопрос об анализе релятивистских эффектов в гравитации (см., например,[66]). Однако, учитывая как фактически существующую
ситуацию, так и историю соответствующих исследований, правильнее иметь
ввиду именно проверку ОТО – простейшей релятивистской теории гравитации.
Эффекты ОТО в пределах Солнечной системы весьма малы (наибольшие эффекты порядка │φ│/c2, где φ – ньютоновский гравитационный потенциал; даже
на поверхности Солнца│φ│/c2 = G M☼/(r☼··c2). Именно поэтому проверка, с
успехом начатая в 1919 г. и продолжающаяся до сих пор, не приводит к точностям, к которым мы привыкли в атомной физике. По последним данным, сообщенным на 19-th Texas Symposium «Relativistic astrophysics and cosmology» (декабрь 1998 г.), для отклонения радиоволн Солнцем отношение наблюдаемой величины к вычисленной согласно ОТО составляет 0,99997 ± 0,00016. Такое же
отношение для поворота перигелия Меркурия равно 1,000 ± 0,001. В общем,
ОТО проверена в слабом гравитационном поле, когда │φ│/с2 « 1 < 41, с погрешностью до сотой доли процента; при этом никаких отклонений от ОТО не
обнаружено. Дальнейшая проверка даже в слабом поле (например, с учетом
членов (φ2/с4) вполне осмыслена, но как-то не вызывает энтузиазма – уж очень
маловероятно заметить отклонения от ОТО, а эксперименты очень сложны. Тем
не менее целый ряд проектов на этот счет имеется и будет, по-видимому, осуществляться. Особо стоит вопрос о проверке принципа эквивалентности; его
справедливость подтверждена с точностью 10–12, но это не новый результат [66].
В связи с обсуждением отклонения световых лучей в поле Солнца есть повод
для небезинтересных замечаний исторического характера. Вообще-то, по моему
мнению, вопросы приоритета не должны занимать видное место в лекциях и
статьях, программа которых излагается здесь. Дело в том, что часто подобные
вопросы весьма запутаны и решаются в литературе довольно случайным образом. Некоторые утверждения при этом носят характер adapted by repetition only
(т.е. принятых в результате многократного повторения). Предпринимать же по
каждой теме историческое исследование – дело хлопотное, да и отвлекает от
физической сути дела. Вместе с тем некоторые исторические экскурсы помогают пониманию, не говоря уже об обязанности отдать дань первооткрывателям.
Отклонения световых лучей в гравитационном поле хороший тому пример.
Намек на такой эффект имеется уже у Ньютона. В рамках корпускулярной теории света и в предпожении о равенстве или даже пропорциональности тяжелой
и инертной массы наличие отклонения очевидно. Расчет для отклонения светового луча в поле Солнца был произведен Золднером еще в 1801 г. Угол отклонения оказался равным:
α’=2∙G·M☼/(c2∙R)= rg☼/R (1),
где R–прицельный параметр (наименьшее расстояние между лучом и центром Солнца) и rg=2·G∙M/c2–гравитационный радиус (rg☼ =3·105 см, поскольку
масса Солнца M☼=2∙1033г).
20
Эйнштейн, очевидно , не зная об этом результате, еще в первой публикации
на пути создания ОТО (в 1907 г.) указал на отклонение лучей, а в 1911 г. получил выражение (1) на основе еще не завершенной ОТО – учитывалось лишь изменение компоненты g00= 1+2∙φ/c2. После создания ОТО в 1915 г. в том же году
был получен окончательный результат:
α=4∙G·M☼/c2∙R= 2rg☼/R=1″,725∙r☼/R(2),
где r☼ = 2,94·108 см – радиус фотосферы Солнца. Отличие (2) от (1) связано
с учетом того, что изменяются и компоненты метрического тензора g11= g12 = –
(1–2·φ/c2).Выражения (1) и (2) отличаются ровно в два раза, но классический
расчет непоследователен (речь идет о применении классической механики к
корпускуле, движущейся со скоростью света) и поэтому отношение (2) случайно. Отклонение световых лучей в поле Солнца впервые наблюдалось в 1919 г. и
подтвердило выражение ОТО (2), хотя и с небольшой точностью. О дальнейших
уточнениях сказано выше (ссылки здесь не приводятся, их можно найти в
[66;67]).
В астрофизике отклонение лучей в поле тяжести все шире используется при
наблюдении «линзирования», т.е. фокусировки электромагнитных волн под действием гравитационного поля, в применении как к галактикам (они линзируют
свет и радиоволны квазаров и других галактик), так и к звездам (микролинзирование более удалённыхзвезд) [67]. Разумеется, речь при этом не идет о проверке
ОТО (точность измерений сравнительно невелика), а об её использовании. Замечу, что эффект линзирования с его характерными чертами впервые, насколько
известно, был рассмотрен Хвольсоном в 1924 г. [68] и Эйнштейном в 1936 г.
[69]. Возникающий при линзировании характерный конус называют конусом
Эйнштейна или Эйнштейна-Хвольсона. Разумеется, правильно лишь последнее
название. Когда-то наблюдать гравитационные линзы считалось практически
невозможным (см., например, [69]). Однако в 1979 г. было обнаружено линзирование одного из квазаров. В настоящее время наблюдение линзирования и микролинзирования – довольно широко используемый астрономический метод. В
частности, данные о линзировании позволяют определить постоянную Хаббла
H0. Результат находится в согласии с другими данными, которые приводятся
ниже. По-настоящему актуальна проверка ОТО в сильных полях – для нейтронных звезд (на их поверхности │φ│/c2~0,1-0,3) и вблизи черных дыр и, вообще,
для черных дыр. Так, недавно предложен метод [70] проверки ОТО в сильном
поле по колебаниям излучения в двойной звезде, одна из компонент которой является нейтронной звездой.
Хотя черные дыры и можно было вообразить себе в дорелятивистской физике, но по сути дела – это замечательный релятивистский объект. О черных
дырах еще пойдет речь ниже, но уже здесь можно отметить, что их обнаружение
подтверждает ОТО. Однако, насколько я себе представляю ситуацию, нельзя
21
утверждать, что известное о черных дырах подтверждает именно ОТО, а не некоторые отличающиеся от нее релятивистские теории гравитации.
Существенной проверкой ОТО (вплоть до членов порядка (v/c)5 является
исследование двойного пульсара PSR1916+16. Оно показало, что потеря энергии
двумя движущимися нейтронными звездами, образующими двойную систему,
находится в полном согласии с ОТО при учете гравитационного излучения (интенсивность которого была вычислена Эйнштейном в 1918 г.). За эту работу была присуждена Нобелевская премия по физике за 1993 г. [71].
Упомянутая сейчас работа не оставляет сомнений в существовании гравитационных волн. Впрочем, ни один квалифицированный физик не мог в этом
сомневаться и ранее (другое дело, что количественное соответствие ОТО заранее гарантировать было нельзя). Но имеется другая проблема (она фигурирует в
«списке» под номером 22) – прием гравитационных волн, приходящих из космоса. Задача технически очень сложна, для ее решения строятся гигантские установки. Так, система LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,
США) состоит из двух далеко разнесенных «антенн», длиной 4 км каждая. В
этой установке можно будет заметить происходящее под действием приходящей
гравитационной волны смещение зеркал на 10–16 см, а в дальнейшем и меньшие
смещения. В ближайшие годы LIGO и аналогичные установки, строящиеся в
Европе и Японии, вступят в строй. Так будет положено начало гравитационноволновой астрономии (подробнее см.[72]).
Для известной ориентации замечу, что радиоастрономия родилась в 1931 г.,
а начала интенсивно развиваться после 1945 г. Галактическая рентгеновская
астрономия возникла в 1962 г. Гамма-астрономия и нейтринная астрономия еще
моложе. С развитием гравитационно-волновой астрономии будет освоен последний известный «канал», по которому мы можем получать астрофизическую
информацию. Как и в других случаях, весьма важны будут совместные (одновременные) измерения в различных «каналах». Речь может идти, например, об
исследовании образования сверхмассивных черных дыр совместно в нейтринном, гравитационно-волновом и гамма «каналах» [73]. Подробнее о приеме гравитационных волн писать здесь не буду, отсылая к [2, §20] и, главное, к [72] и
цитируемой там литературе.
Совокупность проблем, указанных в списке под номером 23, это, пожалуй,
самое главное в астрофизике. Сюда отнесена и космология (не все согласятся с
такой классификацией, но суть дела от этого не меняется). Несомненно, космологическая проблема – великая проблема. Внимание она привлекала к себе всегда – ведь системы Птолемея и Коперника – это тоже космологические теории.
В рамках физики 20 в. космология в теоретическом плане создавалась в работах
Эйнштейна (1917 г.), Фридмана (1922 и 1924 гг.), Леметра (1927 г.) и затем многих других. Но до конца 40-х годов все наблюдения, существенные с космологической точки зрения, велись в оптическом диапазоне. Поэтому открыт был
лишь закон красного смещения, и тем самым установлено расширение Метагалактики (работы Хаббла, которые обычно датируются 1929 г., хотя красное
22
смещение наблюдалось и ранее, и не только Хабблом). Космологическое красное смещение справедливо связали с релятивистской моделью расширяющейся
Вселенной Фридмана, но энергичное развитие космологии началось только после того, как в 1965 г. было открыто реликтовое тепловое радиоизлучение с
температурой Тr = 2,7 К. В настоящее время именно измерения в радиодиапазоне играют наиболее важную роль среди наблюдений, имеющих космологическое значение. Останавливаться здесь на достижениях и современной ситуации
в области космологии нет возможности, тем более, что картина быстро изменяется, и лишь специалист может это сделать. Ограничусь замечанием о том, что в
1981 г. фридмановская модель была развита таким образом, что на самых ранних этапах эволюции (вблизи сингулярности, имеющейся в классических моделях, в частности, основанных на ОТО) расширение Вселенной происходило
несравненно быстрее, чем во фридмановских моделях («раздувание», или инфляция,– inflation). Инфляция происходит лишь на временном интервале ∆t~10–
35
с вблизи сингулярности (напомню, что планковское время tg ~ 10–43с и, таким
образом, инфляционная стадия еще может рассматриваться классически, ибо
квантовые эффекты сильны, по-видимому, лишь при t ~ tg). После инфляции
Вселенная развивается по фридмановской модели (во всяком случае таково
наиболее распространенное мнение). Важнейшим параметром этой изотропной
и однородной модели является плотность «материи» ρ или, что удобнее, отношение этой плотности Ω = ρ/ρc, где ρc–плотность, отвечающая предельной модели (модели Эйнштейна–де Ситтера), в которой пространственная метрика является евклидовой, и расширение происходит неограниченно долго. Для этой модели Ω = Ωc = 1. При этом
ρc = 3·H2/(8π·G) , (3)
где постоянная Хаббла H фигурирует в законе Хаббла
v=H·r, (4)
связывающем скорость космологического расширения v (удаления от нас) с
расстоянием r до соответствующего объекта, скажем, цефеиды в какой-то галактике. Величина H изменяется со временем; в нашу эпоху H=H0. Измерением H
занимаются все время после установления закона Хаббла в 1929 г. (он считал,
что H0≈500км·с–1Мпс–1). Сейчас различными способами пришли к значению
H0≈55–70км·с–1Мпс–1 (так, сравнительно недавно [74] приводилось значение
H0=64±13км·с–1Мпс–1 При H0=64 – критическая плотность:
ρс0=3H02⁄(8πG) ≈ 8 10–30г см–3.(5)
Заметим, что из соображений размерности планковская плотность
ρg~c3⁄(ћG2)~ћ ⁄(clg4)≈5×1093г см–3.(6)
23
Ранняя Вселенная оказалась тесно связанной с физикой элементарных частиц. Речь идет об области очень высоких энергий, о достижении которых иным
способом не приходится и говорить. Напомню, что даже на ускорителе LHC
будет получена (надеюсь, в 2005 г.) в системе центра масс энергия в 1,4 104 ГэВ,
в космических лучах зафиксирована энергия до 3·1011 ГэВ, а планковская энергия mp·c2 ~ 1016эрг ~ 1019 ГэВ. В теории «великого объединения» фигурируют
энергии до 1016 ГэВ (частицы с массой mGUT ~ 10–8 г). Эта область является ареной интенсивных теоретических исследований.
Обращаясь к проблеме 24 (нейтронные звезды и пульсары, сверхновые
звезды), замечу раньше всего, что гипотеза о существовании нейтронных звезд,
насколько знаю, была высказана в 1934 г. Существенно раньше она появиться
вряд ли могла, поскольку нейтрон на эксперименте был обнаружен лишь в 1932
г. Вначале казалось, что нейтронные звезды (характерный радиус 10 км, М ~
M☼) обнаружить почти невозможно. Но с созданием рентгеновской астрономии
(1962 г.) появилась надежда на то, что горячие нейтронные звезды удастся заметить в рентгеновском диапазоне. Сейчас даже одиночные нейтронные звезды, не
говоря уже о двойных звездах, действительно, изучаются в рентгеновских лучах.
Однако еще до этого в 1967–1968 гг. было открыто радиоизлучение нейтронных
звезд пульсаров. Это (открытие) было довольно драматическим, что было
освещено во многих местах, не хочется здесь об этом писать (см., например,
[81]).
Сейчас известно около 1000 пульсаров с периодом радиоимпульсов Р (это
также период вращения звезды) от 1,56·10–3 с до 4,3 с. У миллисекундных пульсаров магнитное поле (на поверхности)порядка 108–109 Э. У большинства пульсаров (Р ~ 0,1–1 с) поле Н ~ 1012 Э. Кстати, существование в природе столь
сильных магнитных полей тоже важное открытие. В последнее время обнаружены нейтронные звезды с еще более сильными полями (magnetar'bi), достигающими, по оценкам, 1015–1016 Э (!). Радиоизлучение эти магнетары не испускают,
но наблюдаются в мягких гамма-лучах. Гамма-вспышка, по-видимому, такого
магнетара зафиксирована 27 августа 1998 г. (период всплесков излучения после
вспышки 5,16 с; энергетический интервал излучения 25–150 КэВ [82]). Возвращаясь к пульсарам, нужно отметить, что создание теории их излучения оказалось твердым орешком, но в целом она построена [83]. Современный обзор о
пульсарах [84] будет доступен читателям УФН. Нейтронные звезды, как радиоизлучающие (пульсары), так и все остальные (одиночные, в двойных системах,
магнетары) – интересные и необычные физические объекты. Их плотность лежит в пределах от 1011 г см–3 на поверхности до 1015 г см–3 в центре. Между тем,
в атомных ядрах с = сn≈ 3 1014 г см–3 и нет такого разнообразия плотностей.
Внешняя кора нейтронной звезды, разумеется, состоит из атомных ядер, а не
нейтронов. Процесс нейтронизации с углублением в недра звезды, соответствующее уравнение состояния, возможность пионизации (образования пионного
конденсата) и появление кваркового вещества в центральных областях звезды,
сверхтекучесть нейтронной жидкости (она составляет основную компоненту
24
звезды), сверхпроводимость протонно-электронной жидкости, присутствующей
в звезде в количестве нескольких процентов (от числа нейтронов), – таковы некоторые проблемы физики нейтронных звезд (см. также [128]). (Нельзя не поразиться такой звезде с массой, близкой к массе Солнца и радиусом около 10 км,
делающей 640 оборотов в секунду!).
В литературе обсуждается также возможность существования звезд типа
нейтронных, но состоящих из странных кварков и т.п. Особо нужно выделить
вопросы, касающиеся коры: существенны ее «разломы», возникающие в силу
уменьшения скорости вращения звезды из-за потерь на ее электромагнитное и
корпускулярное излучение; с такими «разломами» связаны «звездотрясения»,
наблюдаемые по изменению частоты излучения пульсаров. Для физики пульсаров важно, конечно, и строение магнитосферы звезды. Особо нужно выделить
вопрос об остывании звезды и, главное, об ее образовании. По-видимому, основной канал образования нейтронных звезд – вспышки сверхновых. Речь идет
о потере устойчивости «обычной» звездой и ее взрыве. Возможный, но не обязательный продукт взрыва – нейтронная звезда. При вспышке сверхновой «варятся» более тяжелые (по сравнению с гелием и некоторыми другими ядрами) элементы, образующихся в межзвездном газе ударных волнах и («остатках») сверхновых ускоряются космические лучи, возникает электромагнитное излучение
всех диапазонов. При самой вспышке излучаются также нейтрино. Нам повезло
– в 1987 г. сравнительно близко от нас (в Большом Магеллановом Облаке, находящемся на расстоянии около 60 кпс) вспыхнула сверхновая SN 1987А. Повезло
потому, что предыдущая сверхновая, наблюдавшаяся невооруженны глазом,
вспыхнула в Галактике в 1604 г. (сверхновая Кеплера).
Знаменитая Крабовидная туманность образовалась от сверхновой 1054 г.,
внутри нее находится пульсар PSR 0531, излучающий даже в гамма-диапазоне.
Нейтринное излучение впервые зарегистрировано от сверхновой SN 1987А. Полезно для ориентировки заметить, что кинетическая энергия оболочки этой
сверхновой Ek ~ 1051эрг, а энерговыделение в нейтрино Eн ~ 3·1053эрг (напомню,
что M☼c2 ~ 3·1054эрг). Сказанное, надеюсь, ясно свидетельствует о том, сколь
интересна и содержательна проблема 24. Думаю, что одной двухчасовой лекции
или обзора в 1-2 авторских листа достаточно, чтобы осветить этот круг вопросов
в объеме, предусматриваемом «физминимумом». Черные дыры и особенно космические струны – еще значительно более экзотические объекты, чем нейтронные звезды. Космические струны (не следует, конечно, их путать с суперструнами) – это некоторые (не единственные возможные) топологические «дефекты», могущие возникать при фазовых переходах в ранней Вселенной [85,129].
Они представляют собой нити, могущие быть замкнутыми (кольца) космических
масштабов и с характерной толщиной lCS ~ lg(mGUT/mg) ~ 10–29–10–30 см (здесь
mGUT – характерная масса, отвечающая великому объединению, т.е. mGUT ~ 10–8 г
~ 1016 ГэВ, в то время как mg ~ 10–5 г ~ 1019 ГэВ). Космические струны еще не
наблюдались, даже «кандидаты» на эту роль мне неизвестны. Поэтому я было
включил космические струны в «список» рядом с черными дырами, но поставил
25
знак вопроса. Еще раз можно повторить, что «невозможно объять необъятное»,
и по здравому размышлению думаю, что включать космические струны в «список» все же не следует (см., однако, [96;138]). Совсем иначе дело обстоит с черными дырами – они являются важнейшими астрономическими и физическими
объектами. Несмотря на то, что «схватить черную дыру за руку» очень трудно, в
их существовании и большой роли в космосе сегодня невозможно сомневаться.
Любопытно, что черные дыры в некотором смысле были предсказаны еще в
конце XVIII в. Митчеллом и Лапласом. Они задались вопросом, возможен ли
объект (звезда) со столь сильным полем тяготения, что свет от него уйти на бесконечность не может. В рамках ньютоновской механики и представления о свете
как о корпускулах с некоторой массой т закон сохранения энергии при радиальном движении корпускулы со скоростью v имеет вид GMm/r0 = mv02 (предполагается равенство инертной и тяжелой масс, r0 ~ радиус звезды с массой М или,
точнее, расстояние от ее центра, с которого испускается на бесконечность излучение, имеющее скорость v0). Полагая v0 = с – скорость света, видим, что если r0
< rg, то свет уйти от звезды не может, причем:
rg=2·G·M/c2=3·M/M☼ км. (7)
Гравитационный радиус rg оказался при таком «расчете» точно совпадающим с вычисляемым в ОТО. Разумеется, совпадение даже численного коэффициента случайно (я, во всяком случае, причины для такого совпадения не вижу).
Насколько знаю, в рамках ОТО образование покоящейся (невращающейся)
«черной дыры» было впервые рассмотрено только в 1939 г. [86]. В астрофизику
черные дыры «вошли» лишь в 60-е годы. Сегодня черные дыры, их изучение –
это целая глава ОТО и астрофизики (подробный обзор, занимающий 770 страниц, см. в [87]). Здесь можно сделать лишь несколько замечаний.
Наблюдаются или, если быть очень осторожными, по всей вероятности,
наблюдаются черные дыры двух типов – со звездными массами М ≤ 100 М☼ и
гигантские дыры в галактиках и квазарах с М ~ (106–109) M☼. Дыры со звездными массами находят в основном в результате наблюдения двойных систем. Если
одна из звезд в такой двойной звезде не видна (не излучает) и в то же время ее
масса М > 3М☼, то, по всей вероятности, – это черная дыра. Дело в том, что другая возможность идентифицировать в двойной звезде невидимый компонент –
это предположить, что речь идет о нейтронной звезде. Но масса нейтронных
звезд не может превосходить примерно 3·M·G, при большей массе звезда коллапсирует, превращается в черную дыру. Кстати, не нужно думать, что черная
дыра, сама по себе ничего не излучающая (т.е. не испускающая излучения из
области г < rg), не может быть видимой – она может испускать излучение из области г > rg, где находится падающее на нее или вращающееся вокруг нее вещество (аккреционный диск). В Галактике обнаружено уже довольно много черных
дыр, идентифицируемых разными способами, в основном в двойных системах
по указанному признаку (масса невидимого компонента М > 3·М☼). Гигантские
26
черные дыры находятся в ядрах галактик и квазаров. В центре Галактики имеется потенциальная яма и туда стекает вещество, постепенно теряющее свой момент количества движения. Такое вещество может образовывать звездные скопления. Судьба скоплений сложна, но довольно естественно, что во многих случаях, если не всегда, в конце концов должен происходить коллапс с образованием черной дыры. С другой стороны, известно, что в центрах многих галактик
видны яркие, иногда даже очень яркие ядра. К числу таких галактик с очень яркими ядрами относятся квазары, впервые обнаруженные (или, точнее, идентифицированные в качестве далеких внегалактических объектов) в 1963 г. на примере квазара 3С273. Мне не хотелось бы здесь вдаваться в историю вопроса. Достаточно сказать, что не у всех галактик и не все время существуют яркие в оптике ядра. Квазарами называют те из них, которые к тому же ярки в радиодиапазоне (QSR или QSS – quasistellar radiosources). В случае же квазизвездных объектов, не являющихся мощными радиоисточниками, говорят о QSO (quasistellar
objects). Видимо, имеется некоторая путаница в терминологии, для нас неважная. Яркими ядрами галактик могут быть компактные звездные скопления или
черные дыры. Отличить их можно по движению звезд вблизи ядра. Если мы
имеем дело с черной дырой, то, очевидно, притягивающая масса сосредоточена
в радиусе, меньшем rg, и даже при Мbh ~ 109М☼ этот радиус rg~3·1014 см, т.е. по
масштабам галактики ничтожен (напомню, что астрономическая единица – расстояние от Земли до Солнца составляет 1,5·1013см). Поэтому, если бы было возможно проследить движение звезд вблизи ядра до расстояний, сравнимых с rg,
то сразу все стало бы ясно. Но подобное невозможно даже в случае нашей Галактики, центр которой находится от Солнца на расстоянии около 8 кпс =
2,4·1022см. Тем не менее в этом случае удалось, используя радиоинтерферометр,
убедиться в том, что источник излучения порядка астрономической единицы.
Оптические наблюдения поля скоростей звезд вблизи галактического центра показали, что движение происходит вокруг массы с размерами, меньшими световой недели, т.е. с размерами, меньшими 2·1016 см. В результате создается уверенность в том, что в центре Галактики находится именно черная дыра с массой
Mbh= 2,6·106М☼ (при этом rg= 8·1011см) [88]. Для других галактик, даже близких,
разрешение, конечно, хуже. Тем не менее наиболее вероятно, что и их ядра, когда они видны, являются черными дырами, а не какими-то плотными скоплениями звезд или газа. Исследования в этой области энергично продолжаются. Помимо упомянутых черных дыр возможно существование реликтовых минидыр,
образовавшихся на ранних этапах эволюции Вселенной. Для минидыр существенно, вообще говоря, сделанное в 1974 г. заключение о том, что в силу квантовых эффектов черные дыры должны все же излучать частицы всех сортов (в
том числе фотоны) [89] (см. об этом [87], последняя известная мне работа, имеющая отношение к этому вопросу, [90]). Излучение черных дыр является тепловым (т.е. таким же, как для черного тела) с температурой:
Т = c2·ħ/8р·G·M·kB=10–7·M☼/M =10–7·2·1033/M(грамм) K, (8)
27
где kB=1,38·10–16 эрг/К–постоянная Больцмана. Очевидно, даже для ч.д. с
массой 10–2М☼ (меньших самосветящихся объектов–звезд не бывает) квантовое
излучение ничтожно. Но для минидыр ситуация изменяется, и минидыра с массой, меньшей примерно Mbh~1015г, не доживет до нашей эпохи (см. [2,§22]). Излучение таких минидыр, в принципе, можно обнаружить, но никаких указаний
на существование подобных объектов еще нет. Нужно иметь в виду, что минидыры могут образовываться,но насколько этот процесс эффективен, неизвестно.
Поэтому возможно, что минидыр во Вселенной нет или их очень мало.
По сути дела, выше была затронута и проблема 26, точнее, вопрос о квазарах и ядрах галактик. Вопрос же об образовании галактик, несколько искусственно объединенный с предыдущим, составляет особую главу космологии. Ее
содержание в теоретическом плане состоит в анализе динамики неоднородностей плотности и скорости вещества в расширяющейся Вселенной. На некотором этапе эти неоднородности сильно возрастают и образуются, как говорят,
крупномасштабные неоднородности вещества во Вселенной. В конце этого процесса появляются галактики и их скопления. Повторяю, это целая область космологии (см., в частности, [126]). Аналогична в некотором смысле и проблема
образования (синтеза) химических элементов в ходе расширения Вселенной. Это
тоже интересный и важный вопрос, который вполне мог бы фигурировать в
«списке», но он и так разросся, и чем-то приходится жертвовать. Выбор, конечно, отнюдь не однозначен. Теперь остановлюсь на проблеме 27 – вопросе о темной материи. Он уже кратко обсуждался. По сути дела, это очень крупное и
неожиданное открытие, история которого, насколько знаю, восходит к 1940 г.
[91]. Количество светящейся материи определяется в результате наблюдений, в
основном, в видимом свете. Полное же количество гравитирующей материи сказывается на динамике –движении звезд в галактиках и галактик в скоплениях.
Проще и прозрачнее всего динамика проявляется при определении кривых вращения звезд в спиральных галактиках, в частности, в нашей Галактике. Этот метод, в принципе, элементарен и был пояснен в [2, §23]. Однако удобно коснуться
его вновь, ибо, как я убежден, если что-то можно пояснить уже на школьном
уровне, то это только полезно и для специалистов в далеких от астрономии областях физики. Итак, рассмотрим движение звезды с массой М по круговой орбите вокруг сферически симметричного скопления масс. Очевидно, должно
иметь место равенство:
M·v2/r =G·M·M0(r)/r2, (9)
где v – скорость звезды, г – радиус ее орбиты относительно галактического
центра и М0(г) – масса галактики, сосредоточенная внутри области с радиусом г.
Так вот, наблюдения свидетельствуют о том, что зависимость v(г) – это и
есть кривые вращения, существенно отлична от закона v(г) = const/√r в области
значений г>г0, где светящегося вещества уже мало. Коротко говоря, вне всяких
28
сомнений установлено, что во Вселенной имеется несветящаяся материя, проявляющаяся в силу своего гравитационного взаимодействия. Темная материя распределена отнюдь не равномерно, но присутствует везде: и в галактиках, и в
межгалактическом пространстве. Так возник один из важнейших и, я бы сказал,
острейших вопросов современной астрономии – какова природа темной материи
(dark matter), часто именовавшейся ранее также скрытой массой? Проще всего
предположить, что речь идет о нейтральном водороде, сильно ионизованном (и
поэтому слабосветящемся) газе, планетах, слабосветящихся звездах – коричневых карликах, нейтронных звездах или, наконец, черных дырах. Однако все эти
предположения опровергаются наблюдениями разных типов. Например,
нейтральный водород фиксируется радиоастрономическим методом, горячий газ
по рентгеновскому излучению, нейтронные звезды и черные дыры тоже заметны, хотя и с трудом. Нелегко наблюдать коричневые карлики (brown dwarfs) –
карликовые звезды со столь малыми массами М « M☼, что они очень слабо светятся. Однако и такие звезды обнаружены [92] и, по всей вероятности, не вносят
существенного вклада в темную материю. Анализ всех этих вопросов непрост,
существуют различные мнения насчет вклада тех или иных видов барионного
вещества в полную плотность материи. Выше мы указывали на оценку Ωb<0,05.
В общем, установившееся мнение сегодня таково: темная материя имеет, в основном, небарионную природу. Наиболее естественный кандидат–нейтрино.
Однако этот вариант, скорее всего, не проходит: по-видимому, масса электронного нейтрино – νe недостаточно велика (по известным мне данным mνe<(34)эВ), а нужна масса mν>10 эВ. О массах νμ и ντ речь ниже, но, видимо, и она недостаточно велика (возможная роль обсуждается в [93]). Весьма популярна гипотеза, согласно которой роль темной материи играют гипотетические частицы
WIMP'ы (Weakly Interacting Massive Particles) – слабовзаимодействующие частицы с массами в гигаэлектронвольты и выше (масса протона Мp = 0,938 ГэВ).
К числу WIMP'ов относятся гипотетические (повторю это) тяжелые нестабильные нейтрино, суперсимметричные частицы – фотино, нейтралино и т.д. Имеются и другие «кандидаты» на роль темной материи (например, псевдоскалярные
частицы аксионы) [130]. Нужно также упомянуть космические струны и другие
«топологические дефекты». WIMP'ы надеются обнаружить по их излучению
(гамма-фотонов и других частиц) при аннигиляции с соответствующими античастицами. Другой путь – наблюдение, пусть и очень редких актов соударения с
частицами обычного вещества [94;131]. Весьма изящна идея о возможности
сгущения WIMP'ов в некие рыхлые квазизвезды, которые можно, в принципе,
выявить при микролинзировании [95].
Происхождение космических лучей (к.л.), открытых в 1912 г., много лет
оставалось загадочным. Но сейчас можно не сомневаться в том, что основными
их источниками являются сверхновые звезды. Вообще, в отношении к.л. с
Еcr<1015–1016эВ остались, конечно, неясные моменты, но в целом картина достаточно ясна [51]. К числу же «особенно важных и интересных», по принятой в
этой статье терминологии, можно отнести лишь происхождение к.л. со сверхвы29
сокими энергиями. Так, не до конца ясна природа «излома» («колена») в энергетическом спектре к.л. при Еcr~1015–1016эВ и, особенно, ситуация в области энергий Ecr>1019эВ – такие к.л. иногда называют ультравысокоэнергичными
(UHECR; см. [97]). Наивысшая наблюдавшаяся в к.л. энергия составляет, как
уже упоминалось по другому поводу, – Ecr ~ 3·1020 эВ. Ускорить частицы (скажем, протон) до такой энергии нелегко, но, по-видимому, возможно, особенно в
активных ядрах галактик. Но при этом возникает такая трудность: частицы с
ультравысокими энергиями, соударяясь с микроволновым (реликтовым) излучением (с температурой Тr = 2,7 К), порождают пионы, и поэтому теряют энергию, а в результате не могут дойти до нас с очень больших расстояний (эффект
Грейзена, Зацепина и Кузьмина, 1966 г.). Поэтому в спектре к.л. должно возникать «обрезание» (укручение спектра); в простейшем предположении оно происходит при характерной энергии ЕBB = 3·1019 эВ [97]. В действительности же
это обрезание отсутствует [52;97]. Как же объяснить появление к.л. с Еcr > 3·1019
и до 3·1020эВ, вот в чем вопрос. Обсуждаются несколько возможностей. Активных галактических ядер на расстояниях 20–50 Мпс, по-видимому, недостаточно.
Кроме того, неясно, могут ли известные галактические ядра обеспечить ускорение до энергии 3·1020эВ. Частицы могли бы ускоряться космическими струнами
и некоторыми другими «топологическими дефектами», находящимися вне Галактики на расстояниях до 20Мпс [97]. Никаких указаний на наличие таких
«дефектов», да еще на сравнительно близких расстояниях, не имеется. Другая
гипотеза–первичными UHECR-частицами являются не «обычные» частицы
(протоны, фотоны, ядра и т.д.), а какие-то пока неизвестные, скажем, не претерпевающие сильных потерь. Тогда они могут прийти издалека, а ближе к нам или
даже в земной атмосфере превратиться в обычные частицы и дать широкий атмосферный ливень (EAS).Наконец, проще всего, пожалуй, предположить, что в
составе темной материи, образующей соответствующее гало, в Галактике имеются сверхмассивные частицы с массой Мx>1021эВ, живущие дольше возраста
Вселенной t0 ~1010 лет, но все же нестабильные. Продукты их распада и наблюдаются в атмосфере, порождая EAS (для читателей, очень далеких от этой проблематики, быть может, нелишне пояснить, что UHECR-частицы, да и менее
энергичные, скажем, с Ecr ≥1015 эВ, в к.л. наблюдаются только по EAS). В общем, проблема к.л. с самой высокой энергией, действительно, загадочна и уже
поэтому интересна. Перейдем к проблеме 29 – к гамма-всплескам. В конце 60-х
годов в США была запущена система спутников Вела (Vela), оснащенных приборами, могущими регистрировать мягкие гамма-лучи и предназначенных для
контроля над соглашением, запрещающим атомные взрывы в атмосфере. Взрывы не производились, но были зафиксированы гамма–всплески неизвестного
происхождения. Их типичные энергия(0,1–1)МэВ и длительность – секунды.
Проинтегрированный по времени, принимаемый поток энергии во всплесках довольно велик – достигает значений Ф~10–4 эрг см–2. Если находящийся на расстоянии R источник излучает изотропно, то, очевидно, его полное энерговыделение в гамма–фотонах Wγ = 4π·R2·Фγ. Об этом открытии было сообщено лишь
30
в 1973 г. [98]. Гамма-всплески с тех пор энергично изучались, но их природа
долгое время оставалась неясной. Дело в том, что угловое разрешение гаммателескопов невелико, да и наблюдения в других диапазонах (радио, оптическом,
рентгеновском) в направлении гамма-всплеска производились не сразу. В общем, источник оставался совершенно неизвестным. Одним из вероятных кандидатов считались нейтронные звезды, находящиеся в Галактике. В этом случае
для сравнительно близких нейтронных звезд на расстоянии R ~ 100пс =3·1020см,
Wγ≤1038 эрг. Это уже очень много, если вспомнить, что полная светимость
Солнца L☼=3,83·1033эрг с–1. Однако распределение даже слабых гаммавсплесков по небу оказалось изотропным, в силу чего их источники не могут
находиться в галактическом диске. Если же они расположены в гигантском гало
Галактики так, что R ~ 100Кпс (это уже не противоречит данным об угловом
распределении источников), то Wγ≤1044 эрг. Наконец, в случае космологической
природы всплесков и, например, R~1000 Мпс уже Wг<1052эрг. Это значение
столь велико, что многие (и я в том числе) отдавали предпочтение модели с гало. Но вот в 1997 г. удалось, наконец, быстро «посмотреть» в направлении гамма-всплеска, и были обнаружены источники с большим красным смещением
[99;100]. Так, для всплеска GRB 971214 (из обозначения ясно, что этот всплеск
наблюдался 14 декабря 1997 г.) параметр красного смещения z = 3,46 [101]. Для
всплеска GRB 970508 значение z > 0,8. Источники (их, уже известно, несколько)
наблюдались как в рентгене, так и в оптике, а некоторые и в радиодиапазоне.
Работа в самом разгаре, и буквально через день после того, как было написано
вышеизложенное, 23 января 1999 г. наблюдался мощный всплеск GRB 990123
во всем исследовавшемся гамма-диапазоне от 30 КэВ до 300 МэВ, длившийся
около 100 с. Одновременно с гамма-всплеском наблюдалась световая вспышка,
светимость которой в максимуме достигала L0 ~ 2·1016 L☼ ~ 1050эрг с–1 Общее
энерговыделение во всех электромагнитных диапазонах W ~ 3·1054 эрг (красное
смещение события z = 1,61). Подробнее о гамма-всплесках будет сообщено в обзоре [102]. Но уже сейчас можно констатировать, что гамма-всплески–самое
мощное взрывное явление, наблюдаемое во Вселенной, не считая, конечно, самого Большого взрыва (Big Bang). Речь идет об энерговыделении до примерно
1054–1055 эрг, только в гамма-диапазоне. Это существенно больше, чем оптическое излучение при взрывах сверхновых.Поэтому некоторые источники гаммавсплесков начали называть гиперновыми (hypernovae). Кандидаты на роль гиперновых: слияние двух нейтронных звезд, какое-то столкновение или слияние
массивной звезды с нейтронной и т.п. Впрочем, и такие источники лишь с
большой натяжкой могут излучать 1054эрг ~ M☼·c2. Так или иначе, трудно сомневаться в том, что открытие космологической природы гамма-всплесков (или,
если уж быть очень строгими, обнаружение рентгеновского, оптического и радиоизлучения, связанного с гамма-всплесками) является самым выдающимся
достижением астрофизики не только за 1997 г., но и за много последних лет
(пожалуй, после открытия пульсаров в 1967–1968 гг.).
31
Осталось обсудить последнюю, 30-ю проблему «списка» – нейтринную физику и астрономию. Напомню, что гипотеза о существовании нейтрино была высказана Паули в 1930 г.
В 1956 г. эта реакция была зафиксирована на атомном реакторе, за что в
1995 г. была присуждена Нобелевская премия по физике (точнее, была присуждена половина премии [103], другая ее часть присуждена за открытие τ-лептона
[104]). Вопрос о массе нейтрино возникал, вероятно, с самого начала, но было
ясно, что масса mνe очень мала по сравнению с массой электрона. Предположение же, что масса нейтрино (речь вначале шла, конечно, только об электронном
нейтрино) равна нулю, ничему не противоречило. После открытия мюонного и
тау-нейтрино νμ и ντ (точнее, был открыт лишь τ-лептон, но никто не сомневался
в существовании и ντ), то же самое можно было сказать и об этих нейтрино. Однако возникла идея (еще в 60-е годы) о возможности нейтринных осцилляций,
т.е. взаимном превращении нейтрино разных типов (ароматов). Такое возможно
только, если масса, по крайней мере, нейтрино одного из ароматов (flavours) отлична от нуля.
Комментарии к «списку», в основном, закончены, и тем больше оснований
вернуться к замечанию, сделанному в начале статьи. Прошло только 69 лет с тех
пор, как Паули, с несвойственной ему робостью, высказал мысль о существовании нейтрино в письме, адресованном некоему физическому конгрессу (см.,
например,[103]). А сегодня мы имеем целые области физики и астрономии, посвященные нейтрино. При таких темпах трудно предвидеть даже в грубых чертах, что же будет представлять собой физика лет через сто. Но об этом еще будет речь в разделе 7.
6. Еще о трех «великих» проблемах
Весь мой «проект» – составление «списка» и его комментарии в качестве
некоторой педагогической или образовательной программы и, в известной мере,
руководства к действию не всем по душе. Некоторым не понравятся также манера и стиль изложения. Это естественно. Я могу защищать лишь право иметь и
излагать свое мнение, что не мешает уважать иные мнения. Надеюсь, настоящая
статья принесет пользу. Вместе с тем для известной полноты картины хочу упомянуть еще о трех проблемах (или круге вопросов), которые остались за пределами изложенного. В то же время преподавание физики и обсуждение ее состояния и путей развития не может и не должно обойти вниманием эти три направления, три «великие» проблемы. Во-первых, речь идет о возрастании энтропии,
необратимости и «стреле времени». Во-вторых, это проблема интерпретации и
понимания квантовой механики. И, в-третьих, это вопрос о связи физики с биологией и, конкретно, проблема редукционизма. Л.Д.Ландау отличался очень
большой ясностью понимания физики, во всяком случае того, что уже «устоялось». В известном соответствии с этим он не любил всяких «обоснований»
(Neubegrimdung, как он говорил, употребляя это немецкое слово), т.е. получения
32
известных результатов иным путем, другим методом. В этой связи особенно
ценны критические замечания Ландау, касающиеся закона возрастания энтропии и его обоснования. В Курсе прямо говорится о неясностях, остающихся в
этой области: «Вопрос о физических основаниях закона монотонного возрастания энтропии остается, таким образом, открытым» ([29, с.52]). Открытие в 1964
г. несохранения CP-четности (а следовательно, и несохранения Т-четности, т.е.
необратимости времени) явно имеет отношение к делу, но все это еще недостаточно исследовано и осознано. Каково в данный момент состояние проблемы, не
знаю и, к сожалению, не могу сообщить даже подходящей ссылки на литературу. Трудно сомневаться в том, что ясности здесь еще нет, и это обстоятельство,
во всяком случае, не следует замазывать.
В отношении квантовой механики (имеется в виду нерелятивистская теория) ситуация иная. Большинство физиков, видимо, считают, что так называемая
ортодоксальная или копенгагенская интерпретация квантовой механики последовательна и удовлетворительна. Эта точка зрения отражена в Курсе [112].
Ландау часто добавлял примерно следующее: «Все, в общем, ясно, но возможны
каверзные вопросы, на которые ответить может только Бор».
В 1939 г. Л.И.Мандельштам читал в МГУ лекции об основах квантовой механики. Они были посмертно изданы [113], причем подготовлены к печати
ЕЛ.Фейнбергом и просмотрены И.Е.Таммом и В.А.Фоком. Л.И.Мандельштам,
насколько понимаю, полностью разделял «ортодоксальную» интерпретацию,
глубоко проанализировал ее. К сожалению, эти лекции мало известны научной
общественности, опубликованы они были с большим трудом и в очень тяжелое
время. К тому же в этот период (в 50-е годы) обсуждение интерпретации или,
правильнее сказать, основ и понимания квантовой механики как-то приутихло.
Сейчас эта проблематика снова широко представлена в серьезной литературе.
Сошлюсь на монографии [114;115] и статьи [116-118], где приведено немало
ссылок. Последняя «великая» проблема, которая будет здесь затронута, касается
связи физики с биологией. С конца ХГХ в. и примерно до 60-х или 70-х годов
XX в. физика была, можно сказать, первой наукой, главной, доминирующей.
Конечно, всякие ранги в науке условны, и речь идет лишь о том, что достижения
физики в указанный период были особенно яркими и, главное, в значительной
мере определяли пути и возможности развития всего естествознания. Ведь выяснено было строение атома и атомного ядра, строение материи. Сколь это важно и, например, для биологии, совершенно очевидно. Развитие физики привело в
середине нашего века к известной кульминации – овладению ядерной энергией
и, к великому сожалению, созданию атомных и водородных бомб. Полупроводники, сверхпроводники, лазеры – все это тоже физика, определяющая лицо современной техники и тем самым, в значительной мере, современной цивилизации. Но дальнейшее развитие фундаментальной физики, основ физики и, конкретно, создание кварковой модели строения вещества, это уже физические
проблемы, для биологии и других естественных наук непосредственного значения не имеющие. В то же время биология, используя в основном все более со33
вершенные физические методы, быстро прогрессировала, и после расшифровки
в 1953 г. генетического кода начала особенно бурно развиваться. Сегодня именно биология, особенно молекулярная биология, заняла место лидирующей
науки. Можно не соглашаться с подобной терминологией и маловажным, по
существу, распределением «мест» в науке. Я хочу лишь подчеркнуть факты, не
всеми физиками, особенно в России, понимаемые. Для нас физика остается делом жизни, молодой и прекрасной, но для человеческого общества и его развития место физики заняла биология. Хорошей иллюстрацией сказанного служит
такая деталь. Журнал «Nature», о роли и месте которого в науке излишне напоминать, в своем еженедельном номере освещает все науки и, в частности, физику, астрономию и биологию. И одновременно «Nature» сегодня «оброс» целыми
шестью сателлитами – ежемесячными журналами: «Nature-Genetics», «NatureStructural Biology», «Nature-Medicine», «Nature-Biotechnology», «NatureNeuroscience» и «Nature-Cell Biology». Все они посвящены биологии и медицине. Для физики же и астрономии вполне достаточно основного издания
«Nature» и, конечно, многочисленных чисто физических журналов (в биологии
такие журналы тоже, разумеется, имеются). О достижениях биологии так много
пишут даже в популярной литературе, что нет нужды здесь о них упоминать.
Пишу же я о биологии по двум причинам. Во-первых, современные биологические и медицинские исследования невозможны без самого широкого использования физических методов и аппаратуры. Поэтому биологическая и околобиологическая тематика должна и будет занимать в физических институтах, на физических факультетах и на страницах физических журналов все большее место.
Нужно это понимать и активно этому содействовать. Во-вторых, вопрос о редукционизме – это одновременно великая физическая и биологическая проблема, и она, как я убежден, будет одной из центральных в науке XXI в. Мы полагаем в настоящее время, что знаем, из чего устроено все живое – из электронов,
атомов и молекул. Знаем строение атомов и молекул, а также управляющие ими
и излучением законы. Поэтому естественна гипотеза о редукции – возможности
все живое объяснить на основе физики, уже известной физики. Конкретно основными являются вопросы о происхождении жизни и появлении сознания
(мышления). Образование в условиях, царивших на Земле несколько миллиардов лет назад, сложных органических молекул уже прослежено, понято и смоделировано. Казалось бы, переход от таких молекул и их комплексов к простейшим организмам, к их воспроизводству можно себе представить. Но здесь имеется какой-то скачок, фазовый переход. Проблема не решена, и я склонен думать, будет безоговорочно решена только после создания «жизни в пробирке».
Что касается физического объяснения механизма появления сознания и мышления, то я ситуации не знаю, могу сослаться лишь на обсуждения возможности
создания «искусственного интеллекта». Разумеется, верующие в Бога «решают»
проблемы очень просто: жизнь и сознание «вдохнул» в неживое Бог. Но подобное «объяснение» представляет собой сведение одного неизвестного к другому
и выходит за пределы научного мировоззрения и подхода.
34
Вместе с тем можно ли считать, что возможность редукции биологии к современной физике несомненна? Здесь ключевым является слово «современная».
И с учетом этого слова дать положительный ответ было бы, как мне кажется,
неправильно. Пока дело не сделано, нельзя исключать возможность того, что мы
даже на фундаментальном уровне еще не знаем чего-то необходимого для редукции. Такую оговорку делаю из осторожности, хотя мое интуитивное суждение таково: на фундаментальном уровне никакой «новой физики» для редукции
– понимания всех биологических явлений не нужно.
Конечно, спорить на этот счет неплодотворно – будущее покажет. Об этом
будущем нельзя не думать с завистью – сколь много важного и интересного мы
узнаем даже в ближайшие лет десять! Позволю себе сделать на этот счет несколько замечаний.
7. Попытка прогноза на будущее
В связи с прогнозами на будущее чаще всего можно встретить фразу: прогнозы – дело неблагодарное. Имеется, очевидно, в виду тот факт, что жизнь,
действительность богаче нашего воображения, и прогнозы часто оказываются
ошибочными. Более существенно то обстоятельство, что наиболее интересны
непредсказанные, неожиданные открытия. Их, естественно, нельзя прогнозировать, и тем самым ценность прогнозов кажется особенно сомнительной, Тем не
менее попытки предвидеть будущее представляются разумными, если не придавать им слишком большого значения. Так я и поступлю, закончив настоящую
статью некоторым прогнозом, касающимся только проблем, упомянутых выше
(извиняюсь за некоторые повторения).
Решение о начале сооружения гигантского токамака ИТЭР стоимостью в
10, а то и 20 миллиардов долларов отсрочено на три года. Думаю, что этот проект вообще осуществляться не будет, но исследования в области термоядерного
синтеза не прекращены, разрабатываются альтернативные системы и проекты.
Сомнений в самой возможности построить действующий (коммерческий) реактор сейчас нет. А будущее этого направления определяется в основном экономическими и экологическими соображениями. Думаю, что в любом случае через
пару десятилетий какой-либо экспериментальный реактор (но, конечно, с положительным выходом энергии) будет построен. Будет осуществлен и «лазерный
термояд», поскольку такая установка возможна и нужна для военных целей. На
ней будут, конечно, проводиться и физические исследования.
Как было упомянуто в разделе 3, проблемой высокотемпературной сверхпроводимости начали заниматься в 1964 г., и я считал ее вполне реальной все
время и до получения ВТСП в 1986–1987 гг. Однако речь не шла о подлинном
предсказании возможности ВТСП, было лишь выяснено, что никаких известных
принципиальных трудностей на пути создания ВТСП не существует. Такова же
сегодня ситуация в отношении комнатнотемпературной сверхпроводимости
(КТСП). В 1964 г. максимальная известная критическая температура для сверх35
проводников равнялась 23 К, сейчас для ВТСП Tcmax = 164 К, т.е. температура Тс
возросла в 7 раз. Чтобы добраться до комнатной температуры, достаточно повысить Тс «всего» в 2 раза. Поэтому, если исходить из «кухонных» соображений,
возможность достижения ВТСП представляется вероятной. Вместе с тем сомнения, безусловно, остаются. Если механизм ВТСП в купратах, все еще невыясненный, является в основном фононным или спиновым (или фононноспиновым), то повысить Тс даже в 2 раза очень трудно. Если играет роль экситонный (электронный) механизм, то, напротив, создание КТСП вполне правдоподобно. Я здесь могу высказать лишь интуитивное суждение. Именно, думаю,
что КТСП будет получена в не столь уж отдаленном будущем (может быть завтра, а быть может, и через десятилетия).
Помню времена, когда создание металлического водорода казалось «делом
техники». Конечно, и сегодня можно так сказать, но достигнутые статические
давления около 3 млн атмосфер для получения металлической фазы оказались
недостаточными. Как существенно повысить давление, если не будут открыты
новые материалы, более прочные, чем алмаз, неизвестно (мне во всяком случае).
Динамическое сжатие приводит к нагреву и как его избежать, тоже не ясно. Мое
интуитивное суждение на будущее таково: имеющиеся трудности удастся преодолеть сравнительно скоро. Вместе с тем надежды (они имелись) получить
«кусок» металлического водорода и использовать его представляются совершенно нереальными.
В отношении всех остальных проблем 4–13 раздела 3 ясно, что будет происходить интенсивное развитие, выяснится много интересного. Но на какие-то
яркие четкие ожидания указать не могу, возможно, в силу недостаточной информированности. Разве что сюрприз могут преподнести фуллерен С36 и соединения типа К3С36, если в них будет наблюдаться ВТСП. Перспективно исследование и применение нанотрубок. Возможно, по-видимому, получение долгоживущих трансурановых ядер.
К макрофизике нужно отнести и проблему шаровой молнии, которую я не
стал включать в «список». В существовании шаровой молнии сомневаться не
приходится. Вопрос о ее природе обсуждается с давних времен. Предложено
много моделей и гипотез, но пресловутого консенсуса нет. Думаю, что природа
шаровой молнии будет четко и однозначно выяснена лишь после создания этих
объектов в лаборатории при ясном контроле всех условий и параметров. Кстати
сказать, такие попытки неоднократно предпринимались и высказывались претензии на то, что шаровые молнии были рождены. Но, видимо, все такие утверждения не выдержали проверки.
В области микрофизики (физики элементарных частиц) в последние два десятилетия наблюдается явный спад (по числу открытий и т.п.) по сравнению с
предшествующим периодом. Вероятно, это в значительной мере связано с отсутствием ускорителя нового поколения. Но в 2005 г. вступит в строй LHC, а до
этого другие существующие, но реконструируемые ускорители. Поэтому можно
ожидать открытия скалярного хиггс-бозона или даже нескольких «хиггсов». Ес36
ли такая частица не будет обнаружена (как-то трудно в это поверить), то теория
окажется перед большой трудностью. Напротив, если даже на LHC не найдут
новых частиц и, более конкретно, суперсимметричных партнеров известных частиц, то это может лишь означать, что массы этих частиц больше 14
ТэВ=1,4·1013эВ. Насколько понимаю, это ни о чем особенном свидетельствовать
не будет. Из ожидаемых результатов можно указать на дальнейшее изучение
нейтринных осцилляций и определение масс νe, νμ, ντ нейтрино. Будут получены
также новые результаты, касающиеся несохранения CP-инвариантности, в частности, при более высоких энергиях. Возможно, это важно при анализе проблемы
«стрелы времени». Много лет ищут магнитные монополи, надежда их обнаружить практически оставлена. Но кто знает? На новых установках (в особенности
на «Супер Камиоканде») продолжатся попытки обнаружить распад протона.
При столкновении релятивистских тяжелых ядер можно ожидать прогресса в
вопросе о кварк-глюонной плазме и, вообще, кварковой материи.
Несмотря на то, что самый передний фронт физики – физика элементарных
частиц перестала быть «царицей наук», исследования в этой области ведутся
весьма в больших масштабах и в разнообразных направлениях. Несомненно, будущее принесет нам много нового и в этой области, но пытаться более подробно
перечислять проекты, задачи и отдельные вопросы было бы здесь бессмысленно. Что необходимо, однако, выделить, это «вопрос вопросов» – квантовую гравитацию и ее объединение (суперобъединение) с другими взаимодействиями
(сильным и электрослабым). На нечто подобное претендует теория струн (суперструн). Считать, что ей уже около 30 лет, представляется преувеличением, но
ведь и пресловутая «первая суперструнная революция» произошла уже 15 лет
назад (см. раздел 4). Тем не менее ни о какой законченной теории, о «теории
всего» (theory of everything) не может быть и речи. Да, быть может, теория суперструн это вообще не тот путь, по которому будет развиваться будущая теория. Но можно ли считать подобные замечания каким-то упреком, умалением
теории струн? Прошу не понимать сказанное в таком смысле. Речь ведь идет о
проблеме чрезвычайной глубины и трудности. Что такое 15 или даже 30 лет на
таком пути? Мы так привыкли к быстроте развития физики, к ее успехам, что
теряем, как мне кажется, перспективу. Подобно экономике и народонаселению,
не может же очень долго продолжаться экспоненциальный рост, в данном случае рост наших физических знаний. Прогнозировать развитие в области квантовой космологии и вообще новой поистине фундаментальной теории не берусь.
Перейду к тому, что в «списке» было отнесено, иногда несколько условно,
к астрофизике.
Экспериментальная проверка ОТО в слабых и сильных полях продолжается
и будет продолжаться. Самым интересным было бы, конечно, обнаружение хотя
бы малейших отклонений от ОТО в неквантовой области. Мое интуитивное
суждение состоит в том, что в не квантовой области ОТО не нуждается ни в какой коррекции (в прочем, возможна необходимость каких-то изменений в сверхсильных гравитационных полях, но скорее всего эти изменения все же кванто37
вой природы, т.е. будут исчезать при h→0). Подобное допущение отнюдь не
представляет собой абсолютизацию ОТО. Речь идет лишь о том, что границы
применимости ОТО только квантовые. Логически же возможны и другие ограничения. Для ясности приведу пример ньютоновской (классической) механики.
Мы знаем, что эта механика ограничена, так сказать, с двух сторон - релятивистской и квантовой. Логически же мыслимы и другие ограничения, например, в
случае очень слабых ускорений (см. [122] и [2,§23]). Изменение ОТО, связанное
с квантовой теорией, это уже другая проблема, о которой речь была выше.
С самого начала XXI в. развернется прием гравитационных волн на ряде
строящихся сейчас установок, в первую очередь, на LIGO в США. Раньше всего,
по-видимому, будут приниматься импульсы, образующиеся при слиянии двух
нейтронных звезд. Возможны и даже очень вероятны корреляции с гаммавсплесками, а также нейтринным излучением высокой энергии. В общем, родится гравитационно-волновая астрономия (о ее возможностях см. [72]).
С космологией в той или иной мере связана вся внегалактическая астрономия, развивающаяся бурными темпами. Уже введены в строй новые светосильные телескопы. Например, в двух «Кек» (Keck) – телескопах (на Гавайских островах) диаметр зеркала равен 10 м (они вступили в строй соответственно в 1992
и 1996 гг.), в то время как у знаменитого Паломарского телескопа, начавшего
работать в 1950 г., зеркало имеет диаметр в 5 м; российский телескоп в Зеленчуке имеет зеркало диаметром в 6 м (начал работать в 1976 г.). Очень эффективен
и внеземной телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, запущен в 1990 г., диаметр зеркала 2,4 м). Строятся все новые телескопы для различных диапазонов –
от рентгеновских до радиоволн. Особо можно упомянуть спутники – гаммаобсерватории и установки для приема космических нейтрино (их, конечно,
можно назвать нейтринными телескопами). В результате гигантской по масштабу работы на всех этих телескопах, несомненно, уже в начале XXI в. будет,
наконец, уточнено значение постоянной Хаббла и определены параметры Ωb, Ωd
и ΩΛ (см. выше раздел 5). Тем самым будет, наконец, выбрана космологическая
модель, по крайней мере, на стадии после образования реликтового радиоизлучения (т.е. для параметра красного смещения z ≤103). Будут выяснены: роль λчлена, вклад темной материи не только в среднем (параметр Ωd), но и для различных объектов (Галактика, скоплений галактик, сверхскоплений). Как-то я
сбился на перечисление всевозможных астрономических задач и объектов, что
не имеет здесь смысла. Конечно, новое будет получено практически для всех задач и вопросов, но особо стоит отметить спорное и неясное, в какой-то мере
проблематичное. К числу таких вопросов относится обнаружение черных минидыр и космических струн (они могут быть разных типов), а также некоторых
других возможных «топологических дефектов».
Поскольку природа темной материи сейчас совершенно не ясна, решение
этой проблемы в настоящее время можно считать самым важным в астрономии,
если не касаться основных вопросов космологии (область вблизи классической
сингулярности, т.е. квантовая область; наша Вселенная как часть более разветв38
ленной, вероятно, бесконечной системы). О возможных путях исследования
темной материи уже было сказано в разделе 5. На успех здесь можно только
надеяться, это подлинно загадочный вопрос. Но не удивлюсь, если он быстро
разрешится.
В отношении проблемы 28 – происхождения самых высокоэнергетичных
космических лучей, как было пояснено в разделе 5, имеется принципиальная неясность. Ситуация аналогична имеющей место в отношении природы темной
материи и, быть может, оба вопроса связаны. Пути дальнейших исследований
ясны, и они проводятся. То же можно сказать в отношении гамма-всплесков и
нейтринной астрономии. Кстати сказать, за последние лет пять самое важное в
физике и астрофизике – это доказательство космологической природы гаммавсплесков (точнее, значительной их части) и обнаружение нейтринных осцилляций, и тем самым доказательство того, что по крайней мере у одного сорта
нейтрино масса отлична от нуля (нужно все же заметить, что установление
нейтринных осцилляций нуждается еще в дополнительной проверке). Изучение
гамма-всплесков выяснит, вероятно, немало интересного, но трудно ожидать
большей сенсации, чем само открытие гиперновых. Вступили и скоро вступят в
строй новые установки для изучения нейтрино. Поэтому можно ожидать в близком будущем решение вопроса о солнечных нейтрино (имеется в виду сопоставление экспериментов и расчетов потоков нейтрино с различными энергиями).
Выяснится и роль нейтринных осцилляций. Должны вступить в строй нейтринные «телескопы» для детектирования нейтрино с высокими энергиями. Как уже
упоминалось, их совместная (во времени) работа с гравитационными антеннами
и гамма-телескопами, безусловно, даст плоды. Что касается приема реликтовых
нейтрино, как и реликтовых гравитационных волн, то ситуация мне не ясна (в
отношении гравитационных волн см. [140]).
Выделение каких-то проблем среди других, как уже подчеркивалось, довольно условно и связано с какой-то неловкостью – ведь за бортом остается так
много другого важного и интересного! Как-то особенно остро я это почувствовал, выделив гамма-всплески и не упомянув о развитии других ветвей гаммаастрономии (см., например, [123]).
Подводя известный итог, можно констатировать прекрасные перспективы
развития почти во всех обсуждавшихся направлениях. Думаю, что в пределах
20-30 лет мы получим ответы на все упомянутые в тексте вопросы, за исключением, быть может, фундаментальных проблем физики элементарных частиц (суперструны и т.д.) и квантовой космологии вблизи классических сингулярностей.
В этих двух направлениях я просто не берусь ничего предвидеть.
В заключение – о трех «великих» проблемах, затронутых в разделе 6. Что
касается «стрелы времени», не вижу каких-то новых экспериментов, могущих
способствовать прогрессу в понимании. Интуитивно думаю, что важно несохранение СР-, а тем самым и Т-инвариантности. Но, что могут прояснить новые
эксперименты в этом направлении? В отношении основ нерелятивистской квантовой механики имеющийся вопрос об интерпретации носит в значительной ме39
ре гносеологический характер. Проводящиеся новые очень тонкие эксперименты по проверке соотношений неопределенностей, пресловутой телепортации и
т.п. ни в коей мере не выходят за пределы известной теории. Интуитивное суждение – предсказать «куда попадет» электрон в дифракционных опытах, мы никогда не сможем. Будущая теория (условно – теория суперструн и ее развитие)
может быть новое и внесет, но что именно, не представляю (под подозрением –
понятие о времени в квантовой механике). Что касается третьей из «великих»
проблем – редукционизма – сознаю свою некомпетентность. Быть может, именно поэтому не был бы удивлен, если бы в XXI в. создали «жизнь в пробирке».
Но, если это и будет достигнуто, то биохимическими методами, физика здесь
явно может играть лишь вспомогательную роль. Так или иначе, каких-либо прогнозов в этой области я делать не могу.
Закончив статью, ясно вижу некоторые ее недостатки. Несомненно, широта
охвата материала обернулась поверхностностью изложения и, вероятно, некоторым верхоглядством. За все приходится платить. Но слишком ли велика цена –
судить читателям. Однако те или иные недостатки не могут дискредитировать
саму идею статьи. Тех, кто с ней согласен, призываю к конструктивной критике
– сделать лучше то, что мне не удалось.
Наконец, последнее замечание.
На основании всего изложенного ясно, что и в ближайшие годы, и тем более в первой половине XXI в. можно ожидать очень много нового, важного и
интересного. Встречающиеся в литературе довольно пессимистические прогнозы в отношении развития физики и астрофизики в обозримое время представляются плодом недостаточной информированности, некомпетентности или просто
недоразумения. Другое дело, что экспоненциальный закон развития науки в отношении ряда «показателей» (количества научных работников, числа публикаций и т.д.) ограничен во времени, и наступает известное насыщение (несколько
подробнее см. [2,§27] и [120]). Однако это обстоятельство не противоречит, в
целом, сказанному, ибо выше речь шла о близком будущем. Думаю, что лет через десять будетвполне уместно написать новую статью с таким же названием,
как и настоящая. Интересно будет констатировать, что сбылось, что не сбылось
и как нужно изменить мой «список», убрав уже устаревшее и добавив новое.
Надеюсь, найдется физик, который это сделает, а «Успехи физических наук»
предоставят свои страницы для соответствующей статьи.
В заключение пользуюсь возможностью поблагодарить всех, с кем советовался по тем или иным затронутым вопросам и кто сообщал критические замечания о рукописи (не называю имен, чтобы не возложить на других, хотя бы и
косвенно, ответственность за недостатки статьи).
Литература
Литература по затронутым в статье проблемам невообразимо велика. Здесь
я старался поместить лишь минимум ссылок, позволяющих читателям как-то
«зацепиться» за соответствующую литературу. При этом предпочтение было от40
дано ссылкам на более доступные журналы («УФН», «Physics Today», «Physics
World» и т.д.), причем на самые последние, известные мне публикации, содержащие много ссылок.
1. Гинзбург В.Л. // УФН. 103 87 (1971).
2. Гинзбург ВЛ. О физике и астрофизике. М.: Бюро Квантуй, 1995 (перевод
этой книги на английский язык предполагается опубликовать в издательстве
Springer).
3. Гинзбург В.Л. Разум и вера // Вестник РАН. 69 (1999).
4. Физики все еще шутят // Природа. (9) 84 (1996).
5. Хвольсон О.Д. Физика наших дней. 4-е изд. М.; Л.: ГТТИ, 1932.
6. Гинзбург В.Л. // УФН. 166 1033 (1996).
7. Ginzburg V.L. // Phys. Today. 43 (5) 9 (1990).
8. Phys. Today. 44 (3) 13 (1991).
9. Стояли P.E., Керя Р.Ф., Крото Г. Нобелевские лекции по химии. 1996 //
УФН. 168 323 (1998).
10. Гинзбург В.Л. О науке, о себе и о других. М.: Физматлит, 1997.
11. Гинзбург В.Л. //Труды ФИАН. 18 55 (1962).
12. Todd T.N., Windsor C.G. // Contemp. Phys. 39 255 (1998); Nature. 396 724
(1998).
13. Морозов А.И., Савельев B.B. //УФН. 168 1153 (1998).
14. Hoffman А. // Phys. World. 11 (12) 25 (1998).
15. Гинзбург ВЛ. //УФН. 167 429 (1997); 168 363 (1998).
16. Ruvalds J. // Supercond. Sci. Technol. 9 905 (1996).
17. Ford P.J., Saunders G.A. // Contemp. Phys. 38 63 (1997).
18. Hemley R.J., Ashcroft N. W. // Phys. Today. 51 (8) 26 (1998).
19. Cote M. et al. // Phys. Rev. Lett. 81 697 (1998); Collins P.G. et al. // Phys.
Rev. Lett. 82 165 (1999).
20. Crawford E., Sime R.L., Walker M. 11 Phys. Today. 50 (9) 26 (1997).
21. Гинзбург В.Л. II Вестник РАН. 68 51 (1998).
22. Phys. Today. 51 (12) 17 (1998).
23. Дорожкин С.И. и др. // УФН. 168 135 (1998).
24. УФН. 168 (2) (1998).
25. Phys. Today. 51 (12) 22 (1998).
26. AltshulerB.L., Maslov D.L. // Phys. Rev. Lett. 82 145 (1999).
27. ЛиД.М., ОшеровД.Д., Ричардсон P.K. Нобелевские лекции по физике.
1996 // УФН. 167 1307 (1997).
28. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. М.: Наука, 1965. Т.1. С.489;
(Einstein А Berl. Вег. (1/2) S.3 (1925)).
29. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Физматлит,
1995.
30. London F. // Nature. 141 643 (1938).
31. Kleppner D. // Phys. Today. 49 (8, pt.l) 11 (1996).
41
32. Чу С., Коэн-Таннунджа К.Н., Филлипс В.Д. Нобелевские лекции по физике. 1997 // УФН. 169 274 (1999).
33. Кадомцев Б.Б., Кадомцев М.Б. // УФН. 167 649 (1997).
34. ПитаевскийЛ.П. // УФН. 168 641 (1998).
35. Kleppner D. // Phys. Today. 50 (8, pt.l) 11 (1997).
36. Hutchinson D.A.W. // Phys. Rev. Lett. 82 6 (1999).
37. HolystR. etal. // Phys. Rev. Lett. 81 5848 (1998).
38. Auciello O., Scott J.F., Ramesh R. // Phys. Today. 51 (7) 22 (1998); Bune
A.V. et al. // Nature. 391 874 (1998).
39. Chesnokov S.A. et al. //Phys. Rev. Lett. 82 343 (1999).
40. Phys. Rev. Lett. 82 (3) (1999).
41. Mourou G.A., Barty C.P.J., Perry M.D. // Phys. Today. 51 (1) 22 (1998).
42. Kapteyn H, Mumane M. // Phys. World. 12 (1) 33 (1999).
43. Wilczek F. // Nature. 395 5 220 (1998).
44. ОкуньЛ.Б. // УФН. 168 625 (1998).
45. MavromatosN. // Phys. World. 11 (12) 21 (1998); Phys.Today. 52 (2) 19
(1999).
46. Phys. World. 12 (1) 5 (1999); Phys. Today. 52 (1) 22 (1999).
47. Гайтлер В. Квантовая теория излучения. М.: ИЛ, 1956.
48. Ландау Л.Д., Лифшиц ЕМ. Теория поля. М.: Физматлит, 1988.
49. Sessler A.M. // Phys. Today. 51 (3) 48 (1998).
50. Critical Problems in Physics Eds. V.L.Fitch, D.R.Marlow, M.A.E.Dementi. N.Y.: Princeton Univ. Press, 1997.
51. Гинзбург ВЛ. УФН. 166 169 (1996).
52. O'Halloran Т., Sokolsky R, Yoshida S. // Phys. Today. 51 (1) 31 (1998).
53. GleiserM. // Contemp. Phys. 39 239 (1998).
54. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. M.: Наука, 1965. T.l. С.682.
55. Wilczek F. // Phys. Today. 52 (1) 11 (1999).
56. Witten E. // Phys. Today. 50 (5) 28 (1997).
57. Schwarz J.H. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 95 2750 (1998).
58. Gauntlet J.P. // Contemp. Phys. 39 317 (1998).
59. Kane G. // Phys. Today. 50 (2) 40 (1997).
60. Гинзбург В.Л., Тамм И.Е. // ЖЭТФ. 17 227 (1947).
61. Гинзбург В.Л., Манько В.И. // Физика элементарных частиц и атомного
ядра. 7 13 (1976).
62. Kaluza Th. // Berl. Ber. 966 (1921).
63. Klein О. // Nature. 118 516 (1926); Z. Phys. 46 188 (1927).
64. Паули В. Теория относительности. M.: Физматлит, 1991 (пер. с англ.:
Pauli W. Theory of Relativity. N.-Y.: Pergamon Press, 1958).
65. Кун Т. Структура научных революций. М.: Прогресс, 1975.
66. Уилл К.М. Теория и эксперимент в гравитационной физике. М.: Энергоатомиздат, 1985.
42
67. Захаров А.Ф. Гравитационные линзы и микролинзы. М.: Янус-К, 1997;
Захаров А.Ф., СажинМ.В. //УФН. 168 1041 (1998).
68. Chwolson О. // Astron. Nachrichten. 221 1 329 (1924).
69. Einstein А. // Science. 84 506 (1936); Эйнштейн А. Собрание научных
трудов. М.: Наука, 1966. Т.2. С.436.
70. Stella L., Vietri M. // Phys. Rev. Lett. 82 17 (1999).
71. Хале P.A., Тэйлор Дж.Х. // УФН. 164 743 (1994).
72. Брагинский В.Б. // УФН. 170 7 (2000).
73. Shi X., Fuller G.M., Halzen F. // Phys. Rev. Lett. 81 5722 (1998).
74. Kundic T. et al. // Astrophys. J. 482 75 (1997).
75. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М.: Наука, 1983.
76. Peebles P.J.E. Principles of Physical Cosmology. N.Y.: Princeton Univ.
Press, 1993 (пер. предыдущего издания: Пибле П. Физическая космология. М.:
Мир, 1975).
77. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. М.: Наука, 1966. Т.2. С.349
(Einstein А. Berl. Ber. 235 (1931)).
78. Эйнштейн А Собрание научных трудов. М.: Наука, 1965. Т.1. С.601
{Einstein А. Berl. Ber. (1) 142 (1917)).
79. Глинер Э.Б. // ЖЭТФ. 79 542 (1965) (Gliner E. // Sov. Phys. J. 22 378.
(1966)).
80. Вайнберг С. // УФН. 158 639 (1989) (пер.: Weinberg C.S. // Rev. Mod.
Phys. 61 1 (1989)).
81. Гинзбург В.Л. Пульсары // Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Физика, астрономия». М.: Знание, 1970. Вып.2.
82. Hurley К. et al. // Nature. 39 7 41 (1999); см. также 39 8 27 (1999).
83. Веский B.C., Гуревич А.В., Истомин Я.Н. // УФН. 150 257 (1986); Beskin
V.S., Gurevich A.V., Istomin Ya.N. Physics of the Pulsar Magnetosphere. Cambridge:
Cambridge Univ. Press, 1993.
84. Веский B.C. // УФН. 164 6 (1994).
85. Vilenkin A., Shellard E.P.S. Cosmic Strings and other Topological Defects.
Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1994.
86. Oppenheimer J.R., Snyder H. // Phys. Rev. 56 455 (1939).
87. Frolov V.P., Novikov I.D. Black Hole Physics (Fundamental Theories of
Physics, vol.96). Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 1998. Первое издание этой книги
было опубликовано и на русском языке: Новиков И.Д., Фролов В.П. Физика
черных дыр. М.: Наука, 1986.
88. Phys. Today. 51 (3) 21 (1998).
89. Hawking S. // Nature. 24 8 30 (1974).
90. Bekenstein J.D., Schiffer M. // Phys. Rev. D. 58 064014 (1998).
91. Oort J.H. // Astrophys. J. 91 273 (1940); Science. 220 1233,1339 (1983).
92. Tinney C.G. // Nature. 39 7 37 (1999).
93. Sciama D.W. // Nature. 348 617 (1990); Q.J.R Astron. Soc. 34 291(1993).
94. Pretzl K.P. // Europhys. News. 24 167 (1993).
43
95. Гуревич A.B., Зыбин К.П., Сирота B.A. // УФН. 167 913 (1997).
96. Gill A.J. // Contemp. Phys. 39 13 (1998).
97. Berezinsky V. // Nuclear Phys. В (Proc. Suppl.). 70 419 (1999); Phys. Today.
51 (10) 19 (1998).
98. Klebesadel R.W., Strong T.B., Olson R.A. // Astrophys. J. Lett. 182 185
(1973).
99. Phys. Today. 50 (6) 17; (7) 17 (1997).
100. McNamara В., Harrison Т. // Nature. 396 233 (1998).
101. Kulkarni S.R. et al. // Nature. 39 3 35 (1998).
Ш.Грищук Л.П.,Липунов B.M., Постнов K.A. и др. // УФН. 171 1 (2001).
103. Райнес Ф. Нобелевская лекция по физике за 1995г. // УФН. 166 1352
(1996).
104. Перл М.Л. // УФН. 166 1340 (1996); Perl M.L. // Phys. Today. 50 (10) 34
(1997).
105. Perkins D.H. In Critical Problems in Physics / Eds. V.L.Fitch, D.R.Marlow,
M.A.E.Dementi. N.Y.: Princeton Univ. Press, 1997. P.201.
106. Wolfenstein L. // Contemp. Phys. 37 175 (1996).
107. Phys. Today. 51 (8) 17 (1998).
108. Fukuda Y. et al. // Phys. Rev. Lett. 81 1562 (1998).
109. Fukuda Y. et al. // Phys. Rev. Lett. 81 1158 (1998).
110. Baltz A.J., Goldhaber A.S., Goldhaber M. // Phys. Rev. Lett. 81 5730
(1998).
111. Bahcall J.N. et al. // Nature. 37 5 29 (1995).
112. Ландау Л.Д., Лифшиц ЕМ. Квантовая механика. Нерелятивистская
теория. М.: Физматлит, 1989.
113. Мандельштам Л.И. Полное собрание трудов / Под ред.
М.А.Леонтовича. Л.: Изд-во АН СССР, 1950. Т.5.
114. Кадомцев Б.Б. Динамика и информация. М.: Редакция журнала УФН,
1997; 2-е изд. М.: Редакция журнала УФН, 1999.
115. Bub J. Interpreting the Quantum World. Cambridge: Cambridge Univ.
Press, 1997.
116. Клышко Д.Н. // УФН. 168 975 (1998).
117. Haroche S. // Phys. Today. 51 (7) 36 (1998).
118. Goldstein S. // Phys. Today. 51 (3) 42; (4) 38 (1998); см. дискуссию на эту
тему: Phys. Today. 52 (2) 11 (1999).
119. Whitaker A. // Phys. World. 11 (12) 29 (1998).
120. Фейнберг Е.Л. Две культуры: интуиция и логика в искусстве и науке.
М.: Наука, 1992; дополненное издание: Feinberg E.L. Zwei Kulturen. Berlin:
Springer-Verlag, 1998; Вопросы философии. (7) 54 (1997).
121. Гинзбург ВЛ. // Поиск. №29-30 (1998).
122. Milgrom М. // Astrophys. J. 270 2 363 (1993); Ann. Phys. 229 384 (1994).
123. Gehrels N., Paul J. // Phys. Today. 51 (2) 26 (1998).
124. Nature. 397 289 (1999); Phys. World. 12 (2) 7 (1999); (3) 19 (1999).
44
125. Shiozawa M. et al. // Phys. Rev. Lett. 81 3319 (1998).
126. Collins C.A. // Contemp. Phys. 40 1 (1999).
127. Hijmans Т. // Phys. Today. 52 (2) 17 (1999).
128. Bildsten L, Strohmayer Т. // Phys. Today. 52 (2) 40 (1999).
129. Williams G.A. // Phys. Rev. Lett 82 1201 (1999).
130. Ellis J. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95 53 (1998).
131. Rosenberg L.J. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95 59 (1998).
132. Peebles P. // Nature. 398 25 (1999).
133. Phys. World. 12 (3) 12 (1999).
134. Смирнов Б.М. // УФН. 163 (10) 29 (1993); 164 1165 (1994); 167 1169
(1997).
135. Rafelski J., Miiller // Phys. World. 12 (3) 23 (1999).
136. Sorge H. // Phys. Rev. Lett. 82 2048 (1999).
137. Heiselberg H. // Phys. Rev. Lett. 82 2052 (1999).
138. Contaldi C. et al. // Phys. Rev. Lett. 82 2034 (1999).
139. Phys. Today. 52 (3) (1999).
140. Грищук Л.П.,Липунов B.M., Постнов K.A. и др. // УФН. 171 1 (2001).
45
В МИРЕ ХИМИИ
А.Л.Бучаченко, академик РАН
А.Л.Бучаченко Химия на рубеже веков:свершения и прогнозы.
Успехи химии. 1999. Т.68. №2. С.99–118.
1. Введение
Химия как фундаментальная наука окончательно сформировалась лишь в
начале XX в., когда три главных постулата квантовой механики: уравнение
Шредингера как квантовый наследник уравнений классической механики Гамильтона-Якоби, принцип Паули, организующий электроны по спиновым состояниям и энергетическим уровням; волновая функция – носитель информации
о плотности распределения заряда и спина – составили надежный и прочный
физический фундамент химии. Именно они наполнили физическим содержанием Периодическую систему элементов Д.И.Менделеева – величайшее открытие
прошлого века, значение которого вышло далеко за рамки химии. С позиций
этих трех постулатов химическую реакцию следует рассматривать как физический процесс перестройки электронных оболочек и перегруппировки ядер. Понимание и осознание значимости этих трех принципов для химии делает химическую науку ясной и предсказуемой в главном: из них рождается все ее богатство, многообразие, стройная, изящная логика и красота.
Двадцатое столетие сделало химию точной наукой: установлено множество
количественных закономерностей, включая «электронную периодичность» закона Менделеева, достигнут высочайший метрологический уровень определения атомно–молекулярных, термодинамических и кинетических констант, характеризующих вещество и химический процесс. За этот век химия превратилась в разветвленную науку. Сегодня многие ее области существуют как самостоятельные: неорганическая, органическая, физическая химия, радиохимия,
биохимия, аналитическая химия, геохимия и т.д. Каждая из них имеет собственный предмет и собственную область исследования, свои проблемы и свои экспериментальные методы К восьмидесятым годам на смену профессиональному
«дроблению» химии пришло осознание необходимости совместного решения
общих фундаментальных проблем химической науки.
Первая попытка определить эти главные, «интеграционные» направления в
химии была предпринята в статье В.А.Легасова и А.Л.Бучаченко [1]. В этой статье дана классификация химии на новом уровне. Это структурирование химии
не по названиям разных «химий», число которых уже далеко превзошло четыре
десятка; это структурирование химии по задачам и целям, по ее внутренней логике, которая не разделяет химию на «химические губернии», а организует как
единую науку и объединяет химиков в единое сообщество.
46
Сегодня, на исходе двадцатого века, предложенная в работе структура мало
изменилась, и иерархия общих проблем химии может быть представлена в следующем виде:
искусство химического синтеза;
химическая структура и функция;
управление химическими процессами;
химическое материаловедение;
химическая технология;
химическая энергетика;
химическая аналитика и диагностика;
химия жизни.
Это главные стратегические магистрали современной химии, по которым
она развивается. Они отражают ее движение и ее прогресс.
Химический синтез – ключевое направление химии, источник всех ее сокровищ. Это направление делает ее самой созидательной наукой. Химия поставляет материалы для всех отраслей науки и производства, и в этом смысле можно
сказать, что она стоит в центре естественных наук. Особую интригу вносит то
обстоятельство, что наряду с научными принципами химического синтеза здесь
остается простор для игры ума и интуиции. Это сближает химический синтез с
искусством.
Атомно-молекулярная архитектура и электронное строение вновь синтезированных соединений бесконечно разнообразны, настолько же разнообразны их
физические и химические свойства и, следовательно, их функции. Установление связи между структурой вещества и его функциональным поведением составляет предмет второго направления.
Управление химическими процессами, их молекулярными механизмами,
использование химических факторов (комплексообразования, сольватации, молекулярной организации, катализа) и физических воздействий (от света до механики) для регулирования химических процессов – таково содержание третьего
направления. Вещество – не материал, а лишь его предшественник. Надо
научить вещество работать как материал, определить его характеристики и границы применимости – это задача химического материаловедения.
Задача химической технологии – обеспечить технологический дизайн процесса, его оптимизацию и масштабирование, низкие энергозатраты, высокую
безопасность и экологическую чистоту.
Разработка высокоэффективных способов преобразования химической
энергии в другие виды энергии, накапливание энергии в энергоемких веществах
и материалах (включая лазеры с химической и солнечной накачкой), преобразование солнечной энергии, химические источники тока, сопряжение энергопроизводящих и энергозатратных процессов – все это составляет предмет химической энергетики.
Прогресс химического материаловедения и химической технологии невозможен без надежной химической аналитики и диагностики. Это бурно развива47
ющееся направление (включающее химическую сенсорику и химию запаха) с
огромными техническими «выходами» во все области – от систем техногенного
контроля до медицины и экологии.
Нет нужды доказывать, что все эти направления связаны не только логикой.
Их внутренне объединяет сама методология химического исследования: в хорошей научной статье можно найти элементы нескольких направлений. И это великолепное сочетание дифференциации и интеграции – результативный и созидательный стиль современной химии.
Наконец, химия живого – это гигантская химическая галактика, которую
еще предстоит осваивать. На нее работают биохимия и химия природных веществ, фитохимия, наука о ферментах, медицинская и фармацевтическая химия,
генная инженерия, биотехнология и многие другие. Это направление с ярко выраженными ожиданиями, гигантским потенциалом, бесспорными перспективами и огромным будущим; его контуры и масштабы уже сегодня просматриваются в трансгенной технологии.
2. Новые химические структуры и материалы
На каждой из своих химических «магистралей» происходят свои открытия
– как закономерные, так и неожиданные. Но главные события происходят все же
на первой, ключевой магистрали. Разработка методов синтеза и создание новых
веществ, препаратов и материалов – главная задача химии. Следует отметить,
что число химически (искусственно и искусно) созданных соединений неуклонно растет. Молекулярная архитектура вновь синтезированных соединений бесконечно разнообразна и фантастически богата. Так, получены молекулы – ромбоиды – структурные элементы одномерных металлов; протонные «губки» и
«трубки» – молекулярно–организованные протононесущие резервуары и каналы; молекулы– тороиды; многопалубные полиароматические молекулы; молекулы с огромным числом хиральных центров и т.д. Некоторые из искусственно
полученных соединений могут навсегда остаться экзотикой, но многие из них
дадут начало новым научным направлениям.
Крупным событием в химии стало освоение принципов звездообразного
синтеза, при котором реагенты соединяются по фрактальному типу в гигантскую молекулу – дендример. Природа использовала этот принцип при формировании гликогена, амилопектина и некоторых других полисахаридов и протеинов. В химии дендримеров сделано много замечательных открытий, особенно в
полимерной химии [3]. Архитектурное богатство дендримерных структур
практически безгранично, как, впрочем, и их функции и области использования. В частности, прогнозируется, что полимерные дендримеры на базе полисопряженных молекул могут служить молекулярно–энергетическими антеннами,
собирающими энергию оптического (в том числе солнечного) возбуждения и
преобразующими ее в фототок. Впечатляющие успехи достигнуты в синтезе
металлоорганических полимеров. Синтез лестничных, ленточных и стержневых
48
металлоорганических полимеров можно формально отнести к «одномерному»
или «двумерному» звездообразному синтезу .
Известны примеры и трехмерных металлоорганических дендримеров. Открытие сверхпроводящих керамик всколыхнуло не только физико–технический,
но и химический мир. Синтез этих соединений был осуществлен задолго до обнаружения у них сверхпроводящих свойств, но именно это интригующее и
неожиданное свойство керамик стало источником восторга и огромных надежд.
Свершения оказались скромнее ожиданий; и хотя прогресс в этой области сильно замедлился, приятные неожиданности еще могут быть (отметим сенсационное сообщение [5] о сверхпроводимости неорганических композитов при комнатной температуре, цена которого пока не ясна). Это именно тот случай, когда,
как говорил Нильс Бор, проблемы важнее решений: решения могут устареть, а
проблемы остаются и стимулируют поиск новых решений.
После того как было синтезировано огромное количество органических парамагнетиков – стабильных радикалов и высокоспиновых молекул – были предприняты попытки получить молекулярные ферромагнетики. Принцип конструирования органических ферромагнетиков был сформулирован задолго до их обнаружения в 1989г.[6; 7]. Известно, что в органических парамагнетиках обменное взаимодействие неспаренных электронов отрицательно; оно выстраивает
магнитные моменты электронов антипараллельно. Было высказано предположение, что в ферромагнетиках макроскопический ферромагнетизм достигается через парные антиферромагнитные взаимодействия. Этот принцип сразу нашел
экспериментальное подтверждение [8]. Не следует, однако, строить иллюзии по
поводу этого класса веществ. Они характеризуются очень низкой удельной
плотностью спинов, а потому слабой намагниченностью и очень низкими (~1 К)
температурами ферромагнитных фазовых переходов.
Настоящим сокровищем для химии стали фуллерены. С фуллеренами связывают самые смелые и радужные прогнозы. Фуллерены получают в макроколичествах дуговым методом. Однако механизм их образования до сих пор не
понятен. Осознание этого обстоятельства стимулирует экспериментальные и
расчетные молекулярно–динамические исследования процесса образования
фуллеренов из атомов, пар атомов и кластеров в условиях газового разряда,
плазмы, электрической дуги и т.д. Главная цель – понять механизмы полиэдрической кластеризации и образования из атомов фуллереновых структур (см.,
например, [12]). Имеет глубокий смысл и поиск катализаторов этого процесса.
Нет сомнений, что это путь богатых находок – и прогнозируемых, и неожиданных.
В настоящее время наряду с традиционной химией активно разрабатывается «целевая» химия этих веществ. В частности, вызывает интерес полимеризация фуллеренов с сохранением сферических каркасных элементов (путем сшивания). Предсказывается, что такие полимеры будут иметь высокую электронную «емкость», что позволит использовать их в источниках тока и аккумуляторах. Известно, что термическая полимеризация наиболее доступного фуллерена
49
С60 запрещена по симметрии. Для ее осуществления нужны воздействия, стимулирующие искажения икосаэдрической структуры и снимающие запрет по
симметрии (давления, сдвиговые деформации, ударные волны и др.). Эта проблема – одна из наиболее острых.
Среди других направлений «целевой» химии следует отметить модифицирование фуллеренов с целью получения материалов для микроэлектроники (легкость строительства интегральных схем, простота и чистота нанотехнологий и
другие достоинства), а также синтез металлоорганических и органических комплексов на базе фуллеренов для использования в качестве сверхпроводников.
По-прежнему интригующим остается вопрос о механизме сверхпроводимости.
Выходит ли решение этого вопроса за рамки канонической теории электронных
пар, согласно которой движение электронных пар управляется фононным спектром решетки (теория Бардина, Купера, Шриффера–БКШ-теория)? Поиск ответа
на этот вопрос стимулировал синтез фуллерена 13С60 .
Эндофуллерены – один из самых экзотических и замечательных классов
химических соединений, созданных химией. Они образуются в результате внедрения атомов или ионов внутрь фуллереновой сферы и пленения их. Однако
уникальность эндофуллеренов состоит не в том, что атомы или ионы внедряются внутрь фуллереновой сферы, а в том, что их пленение фуллеренами является
практически необратимым процессом. Уже имеются ответы на вопрос, каков же
механизм синтеза эндофуллеренов. Первая идея о проницаемости углеродной
оболочки для высокоэнергетических атомов оказалась, как и следовало ожидать, наивной. Возможно (хотя до конца неясно) эта идея работает в случае атома водорода; однако уже для Не прямое внедрение в С (без нарушения каркасной структуры) требует энергии~10 эВ, а Не+ может проникать через шестичленное кольцо при ортогональном ударе лишь при энергиях 35–45 эВ. Это
намного больше энергии разрыва химических связей С – С в оболочке фуллерена (70-80 ккал моль-1 ) Ясно, что разрыв связей С – С и открытие «окна» в оболочке с последующим проникновением атома–гостя и закрытием «окна» путем
регенерации связи С – С энергетически гораздо дешевле прямого внедрения.
Этот механизм не противоречит эксперименту. Так, гелий медленно, в течение
нескольких недель входит в сферу С60 под давлением ~ 3000атм и температуре
600–650°С [17]. Эндофуллерен Ne2@C70 получается нагреванием С70 при высоком давлении неона, при этом соотношение С70: Ne@C70: Ne2@C70 зависит от
числа циклов синтеза, достигая предельного значения 1000:1:0,02 (см. [18]). Из
этих наблюдений сделан важный вывод, что имеется какой–то промотор или катализатор, который индуцирует внедрение атомов Не в С70. Легко предвидеть,
что им может оказаться какой-либо радикал, который, присоединяясь к фуллерену, ослабляет окрестные химические связи и облегчает открытие окна. Бесспорно, что обнаружение катализатора, способного обратимо открывать и закрывать «окно» в фуллереновой сфере, обеспечило бы прорыв в этот новый
класс веществ. Обратимо работающее «окно» как механизм пленения важно, повидимому, для нейтральных атомов небольшого размера (типа Не и Ne). Для
50
крупных атомов (например, лантаноидов) главным механизмом остается, вероятно, захват атомов (или ионов) в процессе синтеза и формирования углеродной
сферы. Поиск подходящих катализаторов для облегчения этого процесса также
стоит усилий. Оба механизма могут действовать одновременно; именно так
происходит, по-видимому, пленение атома N фуллереном С60 (при нагревании
C60 в плазме азота) [19].
Отметим еще одно свойство эндофуллеренов, имеющее фундаментальное
значение–сжатие электронной оболочки внутри фуллереновой сферы. Нетрудно
увидеть связь между сжатием электронной оболочки и поведением луковичных
фуллеренов, например, C60@C240@C540., представляющих собой несколько сферических молекул, вложенных одна в другую, с расстоянием между поверхностями сфер> 0,34 нм. Это новый класс эндофуллеренов. Внутренние сферы испытывают огромное давление внешних сфер, и это является причиной того, что
даже при слабом фото– или радиационном воздействии внутренние сферы превращаются в алмаз.
Крупным событием в современной химии стал синтез цилиндрических углеродных нанотрубок (диаметр ~ 100 А), которые построены по тому же принципу, что и фуллерены. Они допируются металлами (и внутри, и снаружи).Нанотрубки можно укладывать, изгибать, резать, выпрямлять, скрещивать,
перемещать, организуя молекулярные электронные устройства. Таким образом,
появляется возможность перейти от красивых разговоров к впечатляющим делам. Уже есть первые экспериментальные данные о применении нанотрубок в
качестве зондирующей иглы в сканирующей силовой туннельной микроскопии.
Полимеризация нанотрубок открывает пути к новым пористым материалам типа
органических цеолитов. Получены многослойные нанотрубки, которые представляют собой вложенные друг в друга молекулярные цилиндры. Еще одним
крупным достижением последних лет является получение металлического водорода. Можно спорить, чье это достижение – химиков или физиков, бесспорно
лишь то, что превращение водорода в металлический водород – химический
процесс, в результате которого происходит преобразование электронных оболочек молекул водорода. Металлический водород получают ударным сжатием
жидкой пленки молекулярного водорода толщиной 0,5 мм, помещенной между
монокристаллическими наковальнями из Al2O3 при давлении 2 Мбар. Механизм
образования его не ясен: либо сразу полный сброс электронов молекулой водорода, либо диссоциация ее на атомы и последующий сброс электронов в зону
проводимости. Чтобы ответить на этот вопрос, нужны исследования нестационарного режима реакции.
3. Химия в микро – и макрореакторах
Надо признать, что та часть химии, которая создается умом и руками человека, составляет лишь незначительную часть химии, которая создается Природой. Подавляющее большинство реакций, реализованных руками человека, от51
носится к «неорганизованным» реакциям, в которых частицы (молекулы, ионы,
атомы, радикалы) реагируют при случайных встречах (во времени и пространстве). В то же время «природная» химия является высокоорганизованной, т.е.
почти все химические превращения осуществляются в системах с молекулярным и надмолекулярным порядком. Целые каскады биохимических реакций организованы в пространстве и во времени. Так, при фоторецепции каждый поглощенный сетчаткой глаза световой квант запускает огромный каскад реакций,
приводящих на финише к циклическому гуанозинмонофосфату (квантовый выход 104), который создает на на мембране электрический потенциал. Этот сигнал
далее регистрируется в мозгу как сигнал восприятия света (другие примеры
можно найти в обзоре [1]).Именно благодаря высокой степени организации селективность и производительность биохимических реакций достигает такого
уровня, который пока недостижим в обычной химии.
Простейшим микрореактором, в котором происходит пространственная организация реагентов, является вандерваальсова молекула. Существует определенный набор микрореакторов разной природы, масштаба и разного порядка:
комплексы, кристаллосальваты, газогидраты(например, метана), соединениявключения (здесь«хозяева»–циклодекстрины, семисферанды и т.д. организуют
взаимодействие с молекулами–«гостями»), макромолекулы (спирали или жесткие зигзаг–стержни), полости цеолитов и пористых сред, мицеллы и везикулы. В
микрореакторах изменяется молекулярная динамика реагентов, механизмы и
скорости химических превращений, pH кислот и оснований, локальные заряды и
их распределение, потенциалы и сродство к электрону, конформации и реакционная способность. В них реализуются новые, «принудительные» реакции, проявляются другие аномалии.
К двумерным микрореакторам относятся двойной электрический слой, мономолекулярные слои (типа Ленгмюра–Блоджетт), мембраны (биологические и
искусственные), межфазные границы (они используются в межфазном катализе,
особенно в таком, где происходит упорядоченный и направленный межфазный
обмен веществами и электричеством), адсорбционные слои реагентов на твердых телах («двумерное» зональное реагирование) и др.
Классический двумерный микрореактор – двойной электрический слой – в
настоящее время обрел «новую жизнь» в режимах временного разрешения порядка 10–12с, которые привнесла лазерно – индуцированная химия на границе
твердое тело–жидкость. Главным действующим лицом в таком микрореакторе
является электрон – свободный или сольватированный. Его химическое поведение – предмет особого интереса в связи с генерацией электрических потенциалов и моделированием потенциалов природной химии. Представляют интерес
также и потенциалы на границе жидкость – жидкость.
Интерес к двумерным монослоям на твердых телах связан не только с их
использованием в качестве гетерогенных катализаторов (это уже старая тема),
но и с новыми возможностями, которые предоставляет синтетическая химия на
поверхности. Например, 1,5–циклооктадиен, присоединяясь к поверхности мо52
нокристалла Si(001) за счет разрыва одной из двойных С = С связей, образует на
этой поверхности двумерную молекулярную решетку [23]. Высокоупорядоченный монослой из привитых молекул обладает высокой реакционной способностью и участвует в дальнейшей химической функционализации и строительстве
любых химических архитектурных форм.
Большим разнообразием отличаются кластерные микрореакторы. Они бывают атомными, молекулярными, ионными, ионно–молекулярными и металлоорганическими, заряженными и нейтральными. Они формируются в газах
(например, в расширяющихся сверхзвуковых атомно–молекулярных пучках), в
каналах цеолитов (например, кластер In8), в жидкостях, на твердых поверхностях, в твердых матрицах (типа твердого аргона или ксенона) и т.д. Велико значение кластеров в химическом материало–ведении (кластерные материалы с необычной физикой и механикой), в химической аналитике и диагностике (детекторы и сенсоры), а также в других областях прикладной химии.
Главной, фундаментальной проблемой в химии кластеров остаются размерные эффекты. Это интригующий вопрос – как свойства индивидуальных частиц
при объединении эволюционируют в свойства фазы, как построены и как строятся мосты между миром отдельной молекулы и макроскопическим миром вещества? Размерные эффекты настолько разнообразны и неожиданны, что общее
решение проблемы отсутствует. Методы квантовой химии и молекулярной динамики успешно отвечают лишь на частные вопросы. Кластеры по–прежнему
остаются загадочными объектами (о необычных свойствах кластеров см.,
например, в работе [24]).Так, атом Re инертен в реакции с СН3, а кластер Re3 –
активен; линейные кластеры Сu3 и Ni3 не реагируют с Н2 и СН4, а кластеры треугольной структуры реагируют легко и быстро.
Кластерная химия открывает новую стратегию и в гетерогенном катализе,
особенно в комбинации с туннельной сканирующей микроскопией. Игла микроскопа способна «капать» любые атомы, в любом числе на любые грани, ребра,
террасы любого кристалла, создавая разнообразные каталитические микрореакторы и позволяя тестировать на них любые реакции. Это новое дыхание фундаментальной науки о катализе, ее будущее.
Распространенность, а следовательно, значимость кластеров существенно
больше, чем представлялось до недавнего времени. Так, было экспериментально
обнаружено по рассеянию холодных нейтронов и рентгеновского излучения, что
жидкий аммиак кластеризован: он состоит из кластеров (NH3)7 – одна молекула
в центре,остальные на периферии [29]. Хорошо известна кластерная структура
жидкой воды: молекулы воды объединяются в гекса–, пента– и тетрамеры с
близкими по энергии структурами типа призмы, клетки, «раскрытой книги»,
адамантана, а также в додекаэдры и другие крупные кластеры. Жидкие растворы
этанола в воде также неоднородны; они составлены из кластеров воды и спирта
[30]. Примечательно, что при содержании спирта в воде – 40% доли кластеров
воды и спирта сравниваются; возможно, что именно с этим обстоятельством
связаны особые рецепторно-вкусовые качества известного водно–спиртового
53
напитка. В жидком бензоле также обнаружены признаки кластеризации. Возможно, что это общее явление, и тогда все жидкофазные реакции следует трактовать как реакции в микрореакторах.
Более того, химическая реакция сама может стимулировать молекулярную
организацию микрореактора. Так, бесцветная молекула спиропирана с длинным
углеводородным «хвостом» фотохимически превращается в цветную, биполярную форму с разделенными зарядами, и именно в этой форме молекулы спиропирана объединяются в мицеллы. Здесь фотохимическая реакция работает как
тригер, включающий мицеллообразование.
Мозг – макрореактор колоссальной сложности. В нем осуществляется
огромное количество химических реакций, ответственных за синтез запоминающих молекулярных структур, формирующих память и всю систему управления живым организмом. Мозг – реактор ключевого значения во всей химии живого; химия мозга – химия XXI в.
Основная задача мозга – преобразование химической энергии в электрическую, а решать эту задачу призваны нейромедиаторы. Они стимулируют ферментативный синтез в синаптических мембранах,обеспечивают коммуникацию
между нейронами, формирование электрических потенциалов и передачу электрических сигналов через перезарядку мембраны. Они управляют паутиной импульсов и потенциалов, руководящих всеми функциями живого организма.
Многие из нейромедиаторов давно известны. Так, хорошо изучен дофамин
и его химические функции, однако лишь недавно было открыто, что его недостаточность в организме является причиной возрастного слабоумия. Одной из
причин падения уровня дофамина с возрастом является его разрушение под действием фермента –моноаминооксидазы В. Второй причиной является то, что с
возрастом в организме снижается число нейронов–рецепторов дофамина (низкий уровень этих рецепторов характерен и для тех, кто страдает Паркинсонизмом). Кроме того, стало известно, что некоторые наркотики захватывают нейроны, выключая их из работы мозга. Ясно, что понимание химических механизмов
действия и функций нейромедиаторов открывает пути устранения нарушений в
работе мозгового макрореактора.
Известны и другие нейромедиаторы, среди которых следует отметить универсальный, с широким спектром химического и физиологического действия
оксид азота, а также семакс – нейропептид, состоящий из семи аминокислот.
Изучение работы такого макрореактора, как мозг, требует деликатности,
что сильно ограничивает проведение прямых экспериментов. Тем не менее такие исследования проводятся в рамках нейрофизиологии в сочетании с медициной и клинической хирургией. В этих исследованиях широко применяется микроэлектродная техника, которая позволяет оценить поведение формируемых
электрических потенциалов и их ответ на хемотерапию и физиологические воздействия. Огромные возможности предоставляет также позитронно–
эмиссионная томография, где в качестве источника позитронов используют изотоп 11С и меченные им тестируемые химические соединения. В настоящее время
54
пришло осознание того, что для понимания работы мозга следует широко использовать экспериментальное моделирование элементов этого макрореактора.
Главная цель моделирования – ответ на вопрос, как мозг решает свою главную
задачу: преобразует химическую энергию в электрическую. Кстати, «побочным»
результатом такого моделирования может стать создание молекулярных
устройств с высоким коэффициентом преобразования химической энергии в
электрическую в рамках химической энергетики.
Земной шар – это гигантский геохимический макрореактор. Этот механохимический реактор является источником землетрясений. В нем представлена
вся механохимия и ее следствия – разрывы химических связей, индуцированные
механическими напряжениями, рождение и движение дислокаций, генерация и
размножение трещин, сдвиги и сдвиговые волны, генерация электрических потенциалов и их градиентов, радиоизлучение и магнитные поля, химическая
эмиссия. Сейчас сформировалось отчетливое понимание, что ключ к диагностике и прогнозу землетрясений в руках механохимии. Все, что происходит в геохимическом макрореакторе, отдается эхом через градиенты электрического поля
в ионосферу и детектируется там как предвестники землетрясений. Механохимия – наука, в которой химия занимает ключевые позиции, – устремлена в XXI
в.
4. Когерентная химия
Когерентная химия – это «новое лицо» химии. Когерентность свойство химических систем формировать колебательные режимы реакции. Когерентность,
т.е. синхронность реакции во времени, проявляется в периодическом изменении
скорости реакции и детектируется как осцилляции в выходе продуктов, эмиссии
люминесценции, электрохимического тока или потенциала и т.д.
Химическая когерентность существует на двух уровнях – квантовом и макроскопическом. В первом случае когерентность относится к реакционной способности импульсно приготовленного ансамбля реагирующих частиц. Такой ансамбль осциллирует между состояниями с разной реакционной способностью, и
эти осцилляции модулируют выход продуктов реакции. Квантовое происхождение имеют колебательная и спиновая когерентность. Во втором случае во времени периодически изменяются концентрации активных реагентов (или интермедиатов). Самый популярный пример макроскопической когерентности – реакция Белоусова–Жаботинского.
Когерентность вносит в химию такие новые понятия, как волновой пакет,
фаза, потеря когерентности (дефазирование), интерференция, бифуркации и бифуркационные диаграммы, фазовый портрет, странный аттрактор, фазовая турбулентность. И это не просто новый для химии язык; это новый уровень мышления, новый уровень технологии химического исследования. В когерентной
химии случайное, статистическое поведение молекул заменяется организованным, упорядоченным и синхронным: хаос становится порядком.
55
Короткий лазерный импульс «возбуждает» молекулу и «помещает» ее в
новый потенциал. В этом новом потенциале ансамбль молекул, приготовленный
лазерным импульсом, ведет себя когерентно, т.е. колебания атомов всех членов
ансамбля синхронизованы, а сам ансамбль является волновым пакетом.
При движении по потенциальной поверхности волновой пакет может рассыпаться на ряд других пакетов (с другой амплитудой и фазой колебаний),
часть их может дефазироваться (потерять когерентность) и исчезнуть, часть может интерферировать и восстановить частично исходный пакет и т.д.
Эти качественные соображения можно превратить в количественную картину, рассчитав вероятности распада пакета в точке бифуркации (по ЛандауЗинеру).
Созданная на старте когерентность сохраняется в реакциях и переносится в
продукты. Это – свидетельство коллективного, синхронного, согласованного по
фазе химического превращения молекулярного ансамбля.
В когерентной химии замечательна не столько сама когерентность, сколько
новые и нетрадиционные способы управления химической реакционной способностью. Забросив волновой пакет на одну из потенциальных поверхностей первым импульсом, можно вторым импульсом вмешаться в его эволюцию: забросить его дальше на новую поверхность или вернуть назад на исходную поверхность (рамановский процесс). Это можно сделать до или после прохождения
волновым пакетом точки бифуркации, что достигается изменением интервала
между первым, накачивающим импульсом и вторым (пробным), управляющим
импульсом. Другими словами, можно управлять динамикой волновых пакетов,
их химической судьбой, изменять соотношение химических каналов их превращений, выходы продуктов реакций. Появляется новый фактор управления химической реакцией – фаза когерентного ансамбля. Воздействуя на волновой пакет в разных фазах его эволюции, можно изменять его химию.
Например, в электронно–когерентном ансамбле молекул HD+, приготовленном коротким ионизирующим лазерным импульсом (накачивающий импульс) из HD, электрон осциллирует между Н и D. С помощью второго (управляющего) импульса можно осуществить когерентный контроль за реакцией диссоциации HD+– индуцировать распад молекул HD+ либо на Н + D+, либо на Н+ +
D, в зависимости от того, в какой момент включить второй импульс. Распад по
первому пути осуществляется при включении импульса в момент, когда электрон «сидит» на атоме водорода, по второму пути – когда он «сидит» на атоме
дейтерия. Это высший уровень когерентности в химии и его перспективы обсуждаются уже сегодня [ 35 ].
Еще более красивый и элегантный способ управления химической судьбой
волнового пакета заложен в фазовых соотношениях пакета и управляющего импульса. Достижения современной оптики позволяют контролировать частотнозависимую фазу лазерных импульсов, изменять контролируемым образом (с помощью оптических решеток и призм) и вводить квадратичные частотнозависимые члены (они называются чирпом). В таких чирпированных импульсах
56
фазовые скорости зависят от частоты. Так, при отрицательных чирпах красный
свет в импульсе запаздывает и приходит к месту назначения (например, к волновому пакету) позже, чем голубой, высокоэнергетический. При положительном
чирпе красный свет опережает голубой. Ясно, что меняя чирп оптического импульса, можно играть на фазовых соотношениях волнового пакета и управляющего импульса, «заставая» пакет в разных позициях на потенциальной поверхности красным, голубым или любым другим подходящим светом.
Конечно, представленная картина является упрощенной, она иллюстрирует
в простой и ясной форме основные идеи квантовой колебательной когерентности и ее химические эффекты. Главная идея заключается в том, что когерентная
химия приводит с собой новый фактор, управляющий химической реакцией –
фазу. Изменяя фазу (путем задержки управляющего импульса по отношению к
генерирующему или путем изменения чирпа), можно манипулировать химическим поведением ансамблей реагирующих частиц без изменения энергии или
момента количества движения.
Следующий уровень когерентности – квантовая периодичность в системе,
состоящей из двух частиц, каждая из которых является носителем электронного
спина (например, пара радикалов). Такая спиновая пара может находиться в
двух состояниях: синглетном (реакционноспособном) и триплетном (химически
инертном). Ансамбль таких пар, приготовленный импульсным воздействием
(фотолизом или радиолизом) в заданном спиновом состоянии (например, в триплетном), осциллирует синхронно между двумя состояниями. Движущей силой
осцилляции является разность зеемановских энергий двух спинов-партнеров или
сверхтонкое электронно-ядерное взаимодействие (если в радикалах есть магнитные ядра). Величина этих взаимодействий – порядка нескольких мегагерц
(именно с такой частотой происходит периодическая осцилляция ансамбля между синглетом и триплетом). Ясно, что выход продуктов химической реакции (а
они образуются только тогда, когда частицы находятся в синглетном состоянии)
модулирован во времени этой частотой. Периодичность генерации продукта является следствием когерентности поведения спиновых пар; это и есть электронно-спиновые квантовые биения в химических реакциях (в отличие от колебательных квантовых биений, рассмотренных в предыдущем разделе).
Электронно-спиновая когерентность обнаружена в фотохимических и радиационно-химических реакциях радикальных пар [36],а также в фотосинтетических реакционных центрах в первичном фотохимическом акте разделения зарядов ( и электронных спинов ). Происхождение когерентности в этих системах –
синхронная осцилляция спиновых пар между синглетом и триплетом. Более того, в этих системах наряду с электронно-спиновой когерентностью обнаружена
также и ядерно-спиновая когерентность (прецессия системы поляризованных
ядер происходит упорядоченно с единой фазой) [37].
Достоинство спиновой когерентности в том, что она обеспечивает новые
методы исследования и распознавания тонких и точных деталей структуры и
динамики химически генерированных спиновых систем. Более того, даже если
57
химическая реакция, производящая спиновые системы, происходит статистически (не когерентно), в таких системах осуществляется спиновая когерентность,
открывающая пути в новую область – химическую радиофизику.
Первые наблюдения осциллирующих режимов химических реакций стали
уже достоянием истории. Тогда осцилляции воспринимались скорее как экзотика, а не как химическая закономерность. Сегодня реакция Белоусова–
Жаботинского, осцилляции рН и электрохимического потенциала в гетерогенных системах типа вода–масло, кольца Лезинганга, волновое горение – стали
уже классикой. Однако осознание того, что макроскопическая когерентность является фундаментальным свойством, пришло лишь недавно. Своим возрождением наука о химических осцилляторах обязана двум важным обстоятельствам.
Во-первых, стало ясно, что в когерентных режимах можно ожидать увеличения выходов реакции, селективности процессов, самоочистки поверхностей от
каталитических ядов и т.д. И эти ожидания подтвердились, особенно в химических осцилляторах с вынужденными, принудительными осцилляциями [38].
Во-вторых, интерес к химическим осцилляторам проявился вновь благодаря биохимическим осциллирующим процессам, наблюдающимся в нервных
клетках, мышцах и митохондриях. Это привело к активному освоению систем
осцилляторов, т.е. к объединению нескольких химических осцилляторов в единую, общую систему. Считается, что такая система явится прообразом (пусть
пока и примитивным) будущих моделей нейронных сетей [39]. Однако уже сейчас исследуются пороги возбуждения осцилляторов в такой объединенной системе, влияние числа осцилляторов, способа их связывания (линейная или циркулирующая система) и параметров связи (массообмен, управление электрохимическими потенциалами и токами) на возбуждение коллективных осцилляций
и т.д. Обнаружены новые химические осцилляторы. При окислении формальдегида и метанола в гальваностатических условиях наблюдается кратное удвоение
частоты осцилляции, и в точках бифуркации происходит срыв в хаос [40]. Такое
поведение похоже на поведение некоторых ферментативных реакций и биологических систем [41]. Окисление бромат–иона в щелочных растворах – также
осциллирующий процесс.
Осцилляции обусловлены концентрационными эффектами на электродной
поверхности, и потому они являются функцией геометрического фактора поверхности (шероховатость, островковость и т.д.) [42]. Другой броматный осциллятор, катализируемый трис(бипиридил)рутением, является еще и фотоуправляемым и обнаруживает под светом и в темноте разные бифуркационные диаграммы. Причудливое бифуркационное поведение режимов порядка и хаоса,
удвоение
частоты
наблюдаются
также
при
окислении
дигидро(никотинамид)адениндинуклеотида (НАДН), катализируемом пероксидазой [
43 ].
В гетерогенно-каталитических осцилляторах источниками осцилляции могут быть нелинейная связь скоростей химических реакций и теплообмена, концентрационные градиенты и периодические модуляции состава «двумерного»
58
реагента, «дыхание» поверхности при углублении и подъеме атомов (подобие
волн в двумерной решетке) и др. Химически осциллирующими процессами являются восстановление NO водородом (при понижении давления Н2 происходит
кратное удвоение периода с «выпадением» в хаос).
Ярким и уникальным примером организованной и самоорганизующейся во
времени и пространстве системы является мозг. В нем химическая активность
ферментов и, как следствие, электрические потенциалы в системе синаптических мембран и нейронов великолепно синхронизованы (когерентны). Ясно
также, что масштабы когерентности (т.е. размеры синхронизованных участков
мозга) различны на разных уровнях функционирования мозга. Другими словами,
имеются биохимические осцилляторы разного масштаба, связанные между собой и объединенные в единую управляющую систему – мозг.
В этой системе нормальным состоянием является порядок; хаос–это страшные патологии (типа болезни Альцгеймера). Идеальный порядок – это свойство
талантливого и гениального ума (не доказательная, но очень похожая на правду
мысль).
5. Спиновая химия и химическая радиофизика
Еще одна новая область современной химии – спиновая химия, исследующая поведение угловых моментов (спинов) электронов и ядер в химических реакциях. Спиновая химия основана на фундаментальном законе: спин электронов
и ядер в адиабатических химических реакциях строго сохраняется. Разрешены
только те реакции, которые не требуют изменения спина. Другими словами, все
химические реакции являются спин-селективными – они разрешены только для
таких спиновых состояний реагентов, у которых полный спин одинаков со спином продуктов, и полностью запрещены, если спин реагентов не равен спину
продуктов.
Простейший пример – радикальная пара, состоящая из метильного и гидроксильного радикалов. Рекомбинация их в метанол происходит только в синглетном состоянии, так как электронный спин пары (S = 0) тождествен в этом
состоянии спину СН3OH. Однако диспропорционирование этих же радикалов из
синглетного состояния с образованием Н2O и триплетного метилена (полный
спин продуктов S=1) запрещено по спину. Напротив, рекомбинация триплетной
радикальной пары (S=1) запрещена по спину, но диспропорционирование разрешено, хотя оно и требует значительной энергии активации~6 ккал моль-1
Надо четко сознавать, что химией управляют два фундаментальных фактора – энергия и спин (в когерентной химии, как было показано в предыдущем
разделе, появляется еще и третий управляющий фактор – фаза).
В отличие от запрета по энергии (он появляется, когда энергия реагентов
меньше энергетического барьера реакции), который реакция умеет преодолевать
через туннелирование под барьером, запрет по спину непреодолим.
59
Изменить спин могут нехимические магнитные взаимодействия; только они
способны преобразовать спин-запрещенные (не реакционноспособные) состояния реагентов (например, радикальных пар) в состояния спин-разрешенные (реакционноспособные). Будучи ничтожно малыми по энергии, магнитные взаимодействия переключают каналы реакции: открывают закрытые каналы и, напротив, закрывают открытые (разрешенные) – в зависимости от стартового состояния реагентов. Фактически они пишут новый, магнитный сценарий химической
реакции.
Спиновая селективность и, следовательно, магнитная чувствительность химических реакций – источник трех поколений магнитных эффектов, открытых в
последние два десятилетия [45]. Широко распостранена в химии радикальная
пара, которая может существовать в двух спиновых состояниях–синглетном и
триплетном. В том случае, когда триплет-синглетные переходы индуцированы
статическими магнитными полями (внешними или внутренними полями магнитных ядер) возникают магнитные эффекты первого поколения. Магнитные
эффекты второго поколения возникают, когда спиновая конверсия пар осуществляется под воздействием микроволновых полей. И, наконец, если конверсия пар происходит под влиянием третьей парамагнитной частицы, имеет место
замечательное явление – спиновый катализ – третье поколение магнитно–
спиновых эффектов. В этом случае третья частица (радикал, парамагнитный
ион) является спиновым катализатором.
Магнитные эффекы первого поколения. Внешнее магнитное поле влияет на
спиновую конверсию пар и, следовательно, на химическую реакционную способность двумя путями. Во-первых, поле отключает два из трех каналов спиновой конверсии, а именно S-T+ и S-Т, оставляя лишь S-T0–канал (T+,T0 и T– – триплетные состояния, отличающиеся проекциями полного спина). Во-вторых, оно
ускоряет конверсию S-T0 , если оба партнера пары отличаются зеемановскими
энергиями. В зависимости от стартового спинового состояния реагентов и от их
магнитных параметров (энергия сверхтонкого взаимодействия, g–факторы, дипольное взаимодействие) химические реакции могут ускоряться или замедляться внешним магнитным полем.
Магнитно-полевой эффект (МПЭ) обнаружен в огромном числе химических и биохимических реакций, и круг их постоянно растет. Создана надежная
теория, способная прогнозировать масштабы и поведение магнитных эффектов.
Часто эффекты магнитного поля достигают значительных величин. Так, при фотоиндуцированной водно-эмульсионной полимеризации стирола и молекулярная масса полимера, и скорость полимеризации возрастают в 6–8 раз уже в слабых полях, 100Гс. Еще больший эффект (увеличение в 20–25 раз) достигается в
светорассеянии коллоидных систем, подвергнутых фотохимическому сшиванию
[47]. Такой огромный эффект можно использовать для визуализации магнитных
полей и их градиентов.
Будучи селективными по электронному спину, химические реакции между
спиновыми носителями (радикалами, парамагнитными ионами и молекулами,
60
карбенами и т.д.) селективны также и по ядерному спину. Если обе спиновые
подсистемы – электронная и ядерная – связаны фермиевским сверхтонким взаимодействием (СТВ), тогда ядерная подсистема влияет на поведение электронной
подсистемы через СТВ и, следовательно, модифицирует химическую реакционную способность спиновых носителей. Ядерно-спиновая селективность обеспечивает различие в скоростях спин-селективных реакций радикалов (или других
спиновых носителей) с магнитными и немагнитными ядрами. Это новое явление
– магнитный изотопный эффект (МИЭ), принципиально отличающийся от классического изотопного эффекта (КИЭ), который является следствием ядерномассовой селективности реакций. Оба эффекта сортируют изотопные ядра: КИЭ
отбирает ядра по их массам, МИЭ производит селекцию ядер по их спину и магнитному моменту. Открытие магнитного изотопного эффекта – одно из крупнейших событий последней четверти века. По значимости оно равно открытию
классического изотопного эффекта, а по масштабу – значительно его превосходит. В отличие от КИЭ, величина МИЭ зависит от магнитного поля, температуры, молекулярной и химической динамики, а также спинового состояния реагентов. Магнитный изотопный эффект приводит к фракционированию магнитных и немагнитных изотопов в химических, биохимических, геохимических и
космических процессах [48].
Третий эффект, относящийся к магнитным эффектам первого поколения, –
химическая поляризация ядер (ХПЯ). В отличие от МИЭ, здесь происходит сортировка ядер не только по их магнитным моментам, но и по их ориентациям.
Химическая реакция отправляет ядра с разной ориентацией в различные продукты, создавая неравновесные населенности ядерных зеемановских уровней в
этих продуктах. Избыточная населенность нижнего зеемановского уровня соответствует положительной поляризации ядер, перенаселенность верхнего уровня
– отрицательной поляризации. Последний случай особенно замечателен. Когда
перенаселенность верхнего уровня превышает некоторый допустимый предел,
то населенности инвертируют – на этом явлении построена химическая радиофизика.
В ансамбле молекул-продуктов с инверсной на зеемановском резервуаре
запасается энергия; она может растратиться в тепло (через спин-решеточную
магнитную релаксацию), но может превратиться в стимулированное излучение
на зеемановской ядерной частоте. В этом случае реакция становится радиочастотным эмиттером, квантовым генератором с химической накачкой (подобно
химическим лазерам). Это новое явление – радиоизлучение химической реакции
– сначала было предсказано теоретически, а затем обнаружено экспериментально [49]. Оно возникает, когда энергия зеемановского резервуара превосходит
порог генерации; тогда движение ядерных спинов спонтанно становится когерентным, и такая когерентная система ядер становится квантовым генератором.
Четвертый эффект – химическая поляризация электронов (ХПЭ). Он возникает из электронно-спиновой селекции реакции и приводит к неравновесной
61
населенности электронных зеемановских уровней в радикалах и парамагнитных
молекулах (в этом смысле ХПЭ подобно ХПЯ).
Два последних эффекта широко используются в химии и биохимии как новые методы исследования (диагностика механизмов реакций, детектирование
радикалов, методы химической кинетики и химической физики).
Магнитные эффекты второго поколения. Микроволновое излучение реакций – это лишь одна сторона химической радиофизики. Химическая реакция
может быть не только генератором, но и приемником микроволн. Прием на химическом уровне следует из принципов спиновой химии: резонансное микроволновое излучение стимулирует триплет-синглетную конверсию радикальных
пар (или пар других спиновых носителей) и изменяет выход химических продуктов, детектируемый хроматографически, по люминесценции, электропроводности и т.д. Таким образом, второе поколение магнитно-спиновых эффектов
делает реакцию химическим приемником микроволнового излучения [50]. Более
того, такой прием можно осуществлять селективно. Если микроволновая накачка затрагивает все радикальные пары, то тотальный результат сводится к изменению выхода продуктов на резонансных частотах. Этот эффект назван магнитным резонансом, детектируемым по выходу продуктов реакции – РИДМР (от
английского reaction yield detected magnetic resonance, RYDMR). Если накачка
селективна и затрагивает только радикальные пары с магнитными ядрами, возникает замечательное явление – радиоиндуцированный магнитный изотопный
эффект (РИМИЭ). И, наконец, если микроволновая накачка селективна еще и по
ориентации ядерных спинов (т.е. затрагивает ансамбли радикальных пар с избранной ориентацией ядерных спинов, то появляется стимулированная поляризация ядер (СПЯ).
Магнитные эффекты третьего поколения.
Спиновый катализ.
Первый пример чисто физического катализа [51]. Он примечателен тем, что
спиновая конверсия реагентов индуцируется парамагнитной частицей–спи–
новым катализатором. Конверсия происходит в результате обменного взаимодействия катализатора с реагентами. Спиновый катализ ускоряет рекомбинацию
радикалов, цис-транс-изомеризацию соединений с двойной связью (на семь–
восемь порядков) , рекомбинацию спин-поляризованных атомов и т.д. Возможно, что спиновый катализ действует и в биохимических процессах. В основе
спиновой химии и химической радиофизики лежит манипулирование электронными и ядерными спинами. Когда такие манипуляции производит сама химическая реакция, появляются красивые магнитно-спиновые эффекты первого поколения, и в их числе – генерация микроволн, когда реакция становится молекулярной радиостанцией. Когда манипуляции со спинами осуществляются под
воздействием микроволн, рождаются еще более красивые магнитные эффекты
второго поколения. Они служат индикатором приема микроволн.
62
И спиновая химия, и химическая радиофизика тесно связаны, но у них есть
и самостоятельные задачи. Первая разрабатывает новые принципы управления
химическими реакциями (в том числе и с помощью микроволн), вторая имеет
крупный прикладной биомедицинский аспект.
6. Химия в экстремальных и экзотических условиях
Современная химия, раздвигая свои горизонты, активно вторгается в области, которые для «классической» химии не представляли интереса или были недостижимы. Все стремительнее происходит переход от «освоенных» режимов и
условий проведения реакций к экстремальным, неклассическим и даже экзотическим условиям: сильные электрические и магнитные поля, сверхвысокие давления и сдвиговые деформации, мощные световые поля, сравнимые по напряженности с электрическими полями внутри молекул, суперкритические условия,
мощные гравитационные, звуковые и микроволновые поля и т.д. [52].
В ультракоротких лазерных импульсах (с длительностью 10 фс и менее)
сконцентрированы огромной мощности оптические излучения и мощные электрические поля, что сразу же стимулировало поиск новых возможных эффектов.
Действительно, взаимодействие оптических и электрических полей с электронными оболочками молекул порождает многочисленные необычные эффекты.
Пикосекундные импульсы с мощностью до 109Вт∙см-2 производят «орбитальные» возбуждения в молекулах; при таких мощностях доминирует фрагментация молекул. Однако при больших мощностях (порядка 1014–1015 Вт∙см-2) происходит многоэлектронная ионизация молекул с последующим кулоновским
взрывом атомно-ядерного каркаса. Так ведут себя, например, кластеры: молекулярные кластеры NH3 в интенсивном поле лазерного импульса ( 120фс,
1015Вт∙см-2) подвергаются мощной ионизации, сопровождаемой кулоновским
взрывом кластера с образованием заряженных ионов азота (N2+, N3+, N4+) [53].
Фуллерен С60 в интенсивном лазерном пучке (100фс, 1016Вт∙см-2) также ионизуется до C604+, который через кулоновский взрыв распадается на осколочные ионы [54].
Силы Лоренца, сопровождающие прохождение лазерного импульса в веществе, индуцируют ряд других эффектов. Так, они обеспечивают образование
микрочастиц в полимерных растворах. В сфокусированном пучке фотонное давление сил Лоренца захватывает полимерные цепи и конденсирует их в микрочастицы диаметром~10нм и более [55]. Кроме того, лазерные пучки производят
абляцию атомов и атомно-молекулярных кластеров с поверхности твердых тел,
осуществляя молекулярное гравирование. За каждым из этих эффектов стоят не
только новые методы химического исследования, но и пути к новым высоким
химическим технологиям.
Мощные лазерные импульсы–великолепное средство генерации мощных
коротких ударных волн (в частности, в физике они используются для лазерного
сжатия дейтерия с целью получения управляемого термоядерного синтеза). Ла63
зерные ударные волны в химии–средство исследования поведения вещества в
экстремальных условиях (высокие температуры, давления, сдвиговые деформации).Так, лазерно–индуцированные ударные волны обеспечивают давление в
фронте до 5 ГПа, при этом длительность переднего фронта может достигать несколько сотен пикосекунд для обратимого сжатия и~20–25 пс для необратимого
сжатия. Спад температуры за фронтом ударной волны происходит с огромными
скоростями (порядка 1011 град∙с-1).
Лазерно–стимулированные ударные волны открывают огромные возможности в «экстремальной» химии; они действительно вносят новую «волну» в
ударные волны [56]. Ранее уже говорилось о «луковичных» фуллеренах и о превращении внутренних фуллереновых сфер в алмаз. То же происходит и с многослойными нанотрубами: при давлениях~50ГПа их внешние оболочки рвутся и
закручиваются в графитовые структуры (обнаружены и нанокристаллы алмазов)
[57]. Возможно, что синтез алмазов по известной взрывной технологии происходит (хотя бы частично) через луковичные фуллерены и нанотрубки с последующей их ударно–волновой трансформацией в алмаз.
Суперкритическое состояние вещества является источником неожиданных
и потому «аномальных» эффектов. Один из них– сильноразвитые флуктуации
плотности в окрестности критической точки, т.е. быстрая и обратимая кластеризация вещества. Возможно, именно это свойство обеспечивает высокие технологические преимущества суперкритических состояний в экстракции и других
процессах [58].
К последним химическим достижениям в «экстремальной» химии следует
отнести синтез металлического водорода (о нем уже говорилось) и реакцию трития с водородом и дейтерием в нормальном жидком и в сверхтекучем квантовом
гелии [59]. Оказалось, что огромные изотопные эффекты в этой реакции (что
предсказуемо) различны в нормальном и квантовом гелии (что неожиданно).
Если последнее обстоятельство подтвердится, то мы получим новое и необычное свидетельство химической когерентности.
Магнитно–полевые химические эффекты уже обсуждались в рамках спиновой химии. Все эффекты спиновой химии–это ответ магнитных моментов электронов и ядер на магнитные воздействия (постоянные магнитные поля и магнитную компоненту микроволновых полей). Магнитные поля в системе движущихся электрических зарядов (сольватированных электронов, ионов) создают
лоренцевы силы, которые индуцируют ряд других эффектов. Поэтому круг магнитно-полевых эффектов может оказаться даже шире, чем предсказывается «чистой» спиновой химией.
Магнитные поля существенно влияют на скорость движения дислокаций в
ионных и атомных кристаллах типа NaCl и Si (скорость возрастает в 3–6 раз в
полях 4–5 кЭ) [60], на скорость пластической деформации и прочность ионных
кристаллов [61]. Эти эффекты представляют интерес для химии и механики
твердого тела. И хотя они находят очень разумное и непротиворечивое объяснение в рамках идей спиновой химии (спин-зависимая рекомбинация дислокаций
64
на парамагнитных стопорах, влияющая на скорость движения дислокаций), все
же нельзя исключать и вклада лоренцевых сил, тем более что сами эффекты зависят от низкочастотных (порядка сотен герц) электрических полей.
Влияние магнитного поля на электроосаждение серебра на меди, по–
видимому, также связано с лоренцевыми силами (выход реакции в поле~80 кЭ и
градиенте поля~4 103кЭ м-1 увеличивается до 45%, при этом увеличивается
плотность и улучшается качество дендритов осажденного металла) [62]. Здесь
магнитное поле через лоренцеву силу влияет на микродинамику и микротурбулентность двойного электрического слоя на границе электрод–раствор. Имеет
смысл оценить перспективы этого нового явления.
65
В отличие от химической радиофизики, где работает магнитная компонента микроволнового поля, микроволновая химия использует электрическую
компоненту этого поля. В системах с локализованными полярными и неполярными областями (когда, например, полярные реагенты сосредоточены в микрореакторах) поглощение микроволн происходит в полярных и поляризующихся
частях микрогетерогенных систем. Фактически они являются миниатюрными
микроволновыми печами с адресной подачей энергии нагрева, поэтому реакции, протекающие в таких реакторах, характеризуются высокой селективностью [63].
Химические реакции, индуцированные ультразвуком, также происходят в
микрореакторах–кавитациях, в которых химические эффекты хотя и специфичны, но во многом подобны тем, которые производятся низкотемпературной
плазмой и ударными волнами. И микроволновая, и ультразвуковая химия рассматриваются (и не без оснований) как новые средства в синтетической химии.
И, наконец, к «экстремальной» химии, бесспорно, принадлежит химия в
высоких гравитационных полях (наравне с химией в невесомости). Резкое увеличение силы тяжести молекул, кластеров и ассоциатов в таких полях должно
производить новые эффекты: изменять величину и знак градиентов концентраций, смещать равновесия, инвертировать фазы по их плотности, изменять скорости и конкуренцию процессов [64]. Возможности здесь практически безграничны, и весь вопрос лишь в доступности технических средств для их реализации. И, конечно, речь может идти лишь о высоких технологиях, а не о массовом
химическом производстве.
Область низких температур (вблизи 4 К) химия освоила достаточно давно.
Наиболее яркий итог – открытие квантового механизма химических реакций,
т.е. подбарьерного туннелирования, и его следствий (гигантские изотопные эффекты), не зависящая от температуры, предельная скорость реакций. Это, конечно, тоже «экстремальная» химия.
Химию при температурах 10-4–10-6 К следует оценивать как «экзотическую». Получение ультрахолодных атомов основано на изменении их скорости
движения при поглощении оптического кванта (лазерное охлаждение атомов).
Если атомы и лазерные фотоны настроены так, что поглощение происходит в
низкочастотной области спектра («красная» сторона), то в атоме, движущемся
навстречу фотонам, из-за допплеровского сдвига резонансное поглощение
смещается к центру линии и усиливается. Для «попутных» атомов допплер–
эффект смещает резонанс от центра и ослабляет поглощение, в результате атомы испытывают тормозящую силу, направленную вдоль потока фотонов. Атомы, помещенные в ортогональные лазерные пучки, тормозятся во всех трех
направлениях; при этом создается оптически вязкая среда, в которой движение
атомов останавливается, их кинетическая температура составляет
10-4–10-6 К (можно даже достичь температур 10-10 К ).
Из ультрахолодных атомов 85Rb удалось построить кристаллическую решетку (она оказалась кубической объемно–центрированной), измерить параметры этой решетки с помощью оптической дифракции и определить частоты
66
коллективных колебаний решетки [65]. Другими словами, удалось создать новое состояние вещества – кристаллический газ.
Ультрахолодные, лишенные кинетической энергии атомы представляют
интерес для точной спектроскопии и метрологии, для зондирования потенциалов атом-атом и атом-поверхность, для экспериментальной проверки постулатов квантовой электродинамики одноатомного мазера. Оптическим возбуждением атомов в кристаллическом газе получают электронно–возбужденные атомы, которые реагируют с другими атомами, образуя эксимерные молекулы, имплантированные в кристаллический газ. Уже сделаны первые шаги в химии холодных, без энергетических атомов и молекул; ее будущее начинается сегодня.
Более того, обсуждается возможность лазерного охлаждения молекул в жидкостях [66].
7. Еще раз о холодном ядерном синтезе
В конце восьмидесятых годов уходящего века научный мир взорвало драматическое событие – сообщение о ядерных реакциях, сопровождающих электрохимический синтез. Сразу же были отчетливо обозначены блестящие горизонты холодного ядерного синтеза (cold fusion) были получены даже его косвенные свидетельства – нейтроны, избыточные тепловые эффекты. Однако эйфория «открытия» скоро прошла, обнаружились невоспроизводимость эффектов и экспериментальные ошибки, что позволило остроумно переименовать
cold fusion в confusion. В настоящее время и экспериментальные работы, и дискуссии вокруг холодного ядерного синтеза перешли в разряд вялотекущих процессов, поддерживаемых узкой группой энтузиастов.
Однако интрига этого «открытия» осталась; остался вопрос – может ли
химическая реакция индуцировать ядерную реакцию и могут ли превращения
электронной оболочки провоцировать ядерные превращения.
Ответ, кажется, состоит в том, что генерация нейтронов может сопровождать химический процесс, однако нейтроны не являются прямым его результатом, они – вторичный продукт. Нейтроны появляются в результате распада ядер
под действием рентгеновского излучения, которые производятся электронной
оболочкой, т.е. имеют химическую природу.
И хотя прямой холодный хемоядерный синтез осуществить не удалось, тем
не менее из него следует новая стратегия химической энергетики – от механохимии к цепной неразветвленной (или слабо разветвленной) фотоядерной реакции.
Идея этой стратегии следующая: механостимулированные реакции приводят к возбуждению электронных оболочек и рождают рентгеновское излучение,
которое захватывается ядрами (фотоядерная реакция); возбужденные таким образом ядра распадаются, генерируя новые кванты и (или) нейтроны. Возможна
цепная (или частично разветвленная) энерговыделяющая хемоядерная реакция.
Проблема в том, чтобы механическое воздействие возбуждало внутренние
электроны оболочки; только тогда конверсия внешних электронов на внутренние вакансии (типа Оже-процесса) будет генерировать жесткий рентген. Ясно,
67
что наиболее подходящим кандидатом для осуществления такой механохимии
являются ударные волны. Необходим также теоретический анализ такого сжатия электронных оболочек (об этом уже говорилось ранее в связи с эндофуллеренами и синтезом алмаза), при котором достигалось бы возбуждение высоколежащих электронных уровней внутренних электронов (возбуждение внешних
электронов и последующая ионизация означала бы в этом случае утечку механической энергии и ее неэффективное растрачивание).
Другая проблема – подбор атомного состава молекул (или их смесей), при
котором мог бы осуществляться полный ядерный захват рентгеновских лучей.
Известно, что сечение захвата в фотоядерных реакциях достаточно велико и
спектр его достаточно широк. Это дает основания полагать, что вторая проблема решается легче, чем первая эффективная механохимическая генерация жесткого излучения.
Ясно, что это стратегическая задача: на пути ее решения могут встретиться
непреодолимые и пока не прогнозируемые трудности, однако она стоит разработки ( для начала хотя бы чисто интеллектуальной ).
8. Физика химических реакций
Химия, как всякая высокоразвитая наука, стала наукой высокого риска – в
том смысле, что ее задачи сложны и не всегда могут быть решены современными методами, поэтому в научном поиске высока степень неудач, бесплодных
затрат труда, времени и средств. Снизить степень риска можно лишь на основе
глубокого понимания физики химических реакций – наиболее важной и элитарной части химической физики. В основе физики химических реакций лежат
четыре динамики:
•молекулярная динамика и молекулярная организация;
•энергетическая динамика ( энергетическая динамика в газах, миграция
энергии в кластерах, трансформация энергии в жидкостях, энергетическая релаксация в твердых телах );
•химическая динамика ( поверхности потенциальной энергии, энергетика в
химической динамике, теория химических реакций );
•динамика углового момента и спиновая динамика.
Физика химических реакций – экспериментально–теоретическая наука,
успехи ее закономерны, проблемы традиционно ясны (их анализ дан в работе
[24]). На острие этой науки находится химическая динамика и ее главная часть
– теория химических реакций.
Химическая динамика выросла из химической кинетики, которая в настоящее время является общехимической наукой: она вошла во все разделы химии
и способствовала разработке универсальных кинетических критериев механизмов реакций.
Однако если химическая кинетика измеряет число химических событий,
т.е. время между ними, то химическая динамика измеряет время самого события – движения реагентов по поверхности потенциальной энергии. И это центральное событие, вокруг которого обращается вся химия и которое составляет
68
сердце химической реакции. Химическая динамика – есть кардиограмма этого
«химического» сердца.
Успехи теории химических реакций – особая богатая тема [67,68]. Фактически она призвана решать две крупные задачи: построение поверхностей потенциальной энергии и расчет движения ядер реагентов в рассчитанных потенциальных полях (собственно динамика химического акта).
Обе задачи решаются в разных вариантах, на разных уровнях приближений, с разной степенью учета квантовости движения.В принципе, сегодня для
любой реакции можно построить потенциальные поверхности с любой степенью точности (при этом необходимо уметь сколь угодно сложную реакцию
сводить к простой без потери физического и химического содержания с учетом
возможностей современной вычислительной техники). Разработаны надежные
методы расчета динамических траекторий движения реагентов на потенциальных поверхностях: метод классических траекторий (по законам классической
механики Гамильтона–Ньютона–Лагранжа), полуклассических (учет квантовых
эффектов через суперпозицию начальных квантовых состояний реагентов) и
чисто квантовых траекторий (из решений уравнения Шредингера с получением
вероятностей превращения реагентов по всем каналам S–матрицы, или матрицы рассеяния). Из совокупности траекторий рассчитываются константы скорости – канонические k(T) и микро–канонические k(Е), где TиE – температура и
энергия. Разработаны общие методы решения динамической задачи – метод гамильтониана пути реакции, метод кривизны траектории, квантовая многомерная динамика, квантовая теория переходного состояния. Главная идея динамических методов – выделить движение реагентов вдоль координаты реакции и
учесть влияние всех других движений – и «ассистирующих», и тормозящих.
Взаимодействие всех типов движения – вдоль координаты и прочих – рассматривается как «динамическое трение», и его расчет – одна из забот современной
теории.
Однако у теоретического могущества химии есть одна неприятная сторона.
Широкое и успешное применение методов квантовой химии, методов молекулярной динамики стимулирует прогрессирующую болезнь – уход от наукоемкого и дорогого эксперимента. Это – объективная реальность и общая тенденция движения мировой химии (возможно, не только химии).
Есть глубокое родство между теорией химических и ядерных реакций
(причем не только в диффузионном режиме, где кинетические уравнения и их
решения абсолютно тождественны). Химически реагирующая система в жидкости или твердом теле подобна реагирующим нуклонам в окружении среды –
других нуклонов ядра. И здесь у химии положение выгодное – в ней есть простота, которая выражается в том, что работает только одно взаимодействие –
кулоновское, с известной зависимостью энергии от расстояния. Это утверждение фундаментального свойства: оно следует из квантовой механики (законы
которой также неоспоримо точны, как и законы классической механики). Но
оно имеет и прямые экспериментальные доказательства. Речь идет об экспериментальном зондировании атомных волновых функций, на которых стоит вся
химия.
69
Эксперимент этот очень прост: атомный пучок (Са или Сu) возбуждается
поляризованным светом в состояния pz или dz, далее на этот пучок с ориентированными в пространстве орбиталями pz и dz направляется скрещенный пучок
атомов Не, рассеяние которого детектируется, а затем по картине рассеяния
восстанавливается рассеивающий потенциал. Результат оказался очень наглядным: профиль рассеяния точно воспроизводит форму атомных орбиталей.
Конечно, можно сказать, что это банальный результат (в том смысле, что
другой и не ожидался), но он дает глубокое понимание того, что в химии работает только кулоновский потенциал (часть которого – обменное взаимодействие – зависит от спина). Но если вспомнить, что атомные волновые функции
получены на кончике пера из постулатов квантовой механики и уравнения
Шредингера с центрально–симметричным кулоновским потенциалом, то появляется осознание торжества человеческой мысли.
Волшебство химии и ее очарование состоят в том, что из кулоновского потенциала рождается богатство химических связей (ионных, ковалентных, донорно-акцепторных, дативных, водородных, вандерваальсовых), химических
частиц (атомы, карбены, ионы, молекулы, эксиплексы, ридберги, эксимеры,
вандерваальсовы молекулы, комплексы, радикалы и др.), состояний (основных,
возбужденных, зарядовых, спиновых, орбитальных, различных по симметрии и
т.д.), механизмов химических превращений и управляющих факторов (энергия,
спин, фаза, орбитальная симметрия). В этом многообразии и богатстве химия
всегда нова.
9. Спектроскопия и химия атомного разрешения
Это бурно развивающаяся область современной химии, в которой детектирование химических реакций как событий происходит с высоким временным
разрешением (за время – 10 фс, меньшее периода колебаний атома в молекуле)
или с высоким пространственным разрешением (~1–5А, размер одиночного
атома или молекулы). Оба значения соответствуют атомному разрешению.
Освоение коротких лазерных импульсов раздвинуло горизонты химии и
привнесло в химию новые идеи, получившие воплощение в фемтохимии [69].
Во-первых, времена 10–100 фс настолько малы по отношению к периоду
колебаний ядер, что в течение этого времени ядра остаются практически неподвижными и сохраняют свои положения. Например, в молекуле йода в основном состоянии межатомные расстояния осциллируют между 2,5(укороченная
связь) и 5А( растянутая связь). Фемтосекундный импульс «схватывает» ансамбли молекул с определенным межатомным расстоянием и фазой движений и
«переносит» их на новую потенциальную поверхность почти мгновенно. В этом
потенциале атомы начинают новое, теперь уже когерентное, синхронное движение. Так, фемтоимпульс создает волновой пакет – ансамбль молекулосцилляторов с фиксированной фазой колебаний, заданным межатомным расстоянием и определенной энергией. Другими словами, фемтохимия открывает
путь к созданию когерентных волновых пакетов.
70
Во-вторых, разрешение по времени 1–100 фс соответствует разрешению по
координате 0,1–0,01А. Это означает, что именно с таким координатным разрешением осуществляется мониторинг движения ядер на потенциальной поверхности, в том числе на вершине барьера и в его окрестности. Ясно, что речь идет
о спектроскопии и химии переходного состояния: то, что всегда было объектом
исследования теоретиков, стало предметом экспериментального исследования.
Фемтохимия изучает время движения реагирующих систем на потенциальной
поверхности и вводит в химию экспериментальную химическую динамику.
В-третьих, осуществляя мониторинг движения ядер по потенциальной поверхности, можно вмешиваться в динамику переходного состояния, производя
его энергетическую или фазовую накачку, изменяя направления реакции уже
самого переходного состояния.В этом смысле можно сказать, что фемтохимия –
есть химия переходного состояния.
В качестве примера того, как можно управлять каналами химических реакций, рассмотрим распад молекулы диоксида хлора OClO. При энергиях накачки
до~0,3∙1012 Вт∙см-2 распад идет преимущественно по каналу О + СlO, при энергиях больше 0,8∙1012Вт∙см-2 начинает преобладать второй канал – 02+ Сl и при
энергии 1,4∙1012Вт∙см-2 скорость распада по второму каналу превосходит скорость распада по первому каналу в 12 раз [70]. Можно полностью переключить
реакцию с первого канала на второй и химическим способом, присоединив к
диоксиду хлора молекулу воды или поместив его в водный кластер. И хотя в
этом случае результат тот же, что и в фемтохимии, но он получен совершенно
другим способом; здесь изменилось стартовое состояние реагентов, и реакция
пошла по новой потенциальной поверхности – классический случай изменения
реакционной способности путем комплексообразования или сольватации.
В-четвертых, фемтохимия открыла новую главу в структурном анализе короткоживущих частиц, включая переходное состояние. Создана аппаратура,
позволяющая осуществлять ультрабыструю дифракцию электронов на таких
частицах. В ней первый фемто–импульс генерирует из фотокатода ультракороткий электронный пучок, ускоренный сильным электрическим полем (~30кВ
см-1). Затем второй фемтоимпульс (с регулируемой задержкой) генерирует волновой пакет или переходное состояние исследуемой химической системы. Далее наблюдается дифракция электронного пучка на переходном состоянии или
продукте реакции.
Это блестящая техника, способная в перспективе зондировать геометрию
переходного состояния [72]. Уже достигнуто разрешение по электронному пучку (именно оно лимитирует возможности техники) до~1пс, и нет сомнений в
преодолимости этого ограничения. Тогда действительно открываются возможности не только временного (спектроскопического) мониторинга переходного
состояния, но и его геометрического мониторинга ( по дифракции электронов ).
И, наконец, в–пятых, фемтохимия предоставляет огромные возможности
для исследования сверхбыстрых реакций: перенос протона (электрона) в парах
кислота–основание (донор–акцептор); таутомеризация; цис-транс-изомеризация
с детектированием твист-конформации; фотогенерация и релаксация пары
электрон-дырка в полупроводниках; элементарные стадии фотосинтеза; распад
71
молекул (например, распад йода в кластерах, в областях фазового перехода газ–
жидкость и в сверхкритических условиях) и т.д.
Фемтохимия «сообщает» важные новости о гетерогенных процессах, в
частности, о десорбции молекул и ее механизме. Фемтосекундный импульс,
нагревая электронный газ до температуры в несколько тысяч градусов, оставляет фононы в металле почти холодными (нагретыми до температуры лишь несколько сот градусов). Низкая фононная температура не может быть причиной
ни высоких скоростей десорбции двухатомных молекул, ни их высокой колебательной температуры (~2000 К). Ясно, что быструю десорбцию молекул (не более 10 колебаний на поверхности после фемтосекундного импульса) стимулирует горячий электронный газ (по-видимому, через рождение пары электрондырка и ее быстрой аннигиляции в месте адсорбции) [73]. Независимые эксперименты с генерацией поверхностной электромагнитной волны, зондирующей
поверхность и ее адсорбционное заполнение, подтвердили, что адсорбированная молекула после запуска фемтосекундного импульса живет на поверхности
лишь в течение 3-5 колебаний.
По-видимому, с помощью фемтохимии можно будет детектировать такие
быстрые электронные события, как обмен электрона между протонами в катионе Н2+ (время таких событий~2фс), миграция электронов в структурах Кекуле–
бензола, обращение электрона вокруг атома, перенос электрона при возбуждении на верхние орбитали и т.д. Для этих целей нужны, однако, лазеры следующего поколения с разрешением в аттосекундном диапазоне
(1 аттосекунда= 10-18с).
Прогресс в технике фотодетекторов и сканирующих оптических микроскопов открыл доступ к наблюдению одиночных молекул (типа родамина-6Ж и
террилендиимина). Возбуждая постоянным облучением и наблюдая во времени
стационарную люминесценцию одиночных молекул (молекулярных «светлячков»), можно исследовать латеральную диффузию молекул на твердых поверхностях и объемную диффузию в твердых телах (типа полимеров). Используя
поляризованный свет для возбуждения и детектируя поляризованную люминесценцию, можно измерять реориентацию молекул и осуществлять мониторинг их траекторий. Уже обнаружены первые удивительные явления. Так, оказалось, что молекулы родамина-6Ж, нанесенные на стекло, ведут себя причудливым образом: некоторые из них неподвижны, другие перемещаются, не вращаясь, третьи вращаются, не перемещаясь [74]. Еще интереснее поведение терри–лендиимина на поверхности Si02: люминесценция некоторых молекул оказалась дважды модулированной низкой частотой(10 и 100 Гц), причем у «модулированных» молекул полосы люминесценции имеют голубой сдвиг [75]. Уже
из этих двух примеров видно, что зондирование поверхностей молекулярными
«светлячками» обещает много новых открытий.
Возможности оптического детектирования с использованием одиночных
молекул не ограничиваются только изучением молекулярной динамики. Обнаруживается «мерцающее», нестатистическое поведение одиночных молекул,
связанное со спектральной диффузией; возможно также прямое измерение скорости передачи энергии на соседние молекулы и установление зависимости
72
энергии от расстояния (путем изменения числа «светлячков» на единицу поверхности; обычно на одном квадратном микроне размещается несколько молекул) [76].
При импульсном возбуждении возможности оптического детектирования с
использованием одиночных молекул значительно расширяются (это очевидно).
Появляются новые возможности в изучении эргодичности, новые методы прямого измерения квантовых выходов фоторазрушения одиночных молекул и т.д.
Новый крупный прорыв в химии – открытие туннельной колебательной
спектроскопии одиночных молекул [77]. Туннельный ток, протекающий между
иглой туннельного сканирующего микроскопа и поверхностью твердого тела,
на котором под иглой «сидит» адсорбированная молекула, имеет резко выраженный резонансный характер. И резонансы наступают всегда, когда потенциал иглы (и, следовательно, энергия туннелирующих электронов) соответствует
электронно-колебательным уровням адсорбированной молекулы. Химия как
фундаментальная наука – безгранична; представить даже ее контуры в одной
статье невозможно. Лицо химии постоянно обновляется; проявляются его новые прекрасные черты: когерентность, атомное разрешение – временное и пространственное, магнитный сценарий химических реакций, химическая радиофизика, новые идеи молекулярной архитектуры, новые молекулярные ансамбли. Особое место в современной химии отводится когерентной химии, вместе
с которой в химию входит третий управляющий фактор – фаза (наряду с энергией и спином). В этой статье уже обсуждалась квантовая колебательная когерентность, квантовая спиновая когерентность и макроскопическая когерентность с характеристическими временами 10-15–10-13, 10-9–10-7 и 10-1–103 с соответственно. Новый уровень этой науки подразумевает генерацию электронной
когерентности, т.е. создание электронно-когерентных волновых пакетов с характеристическими временами 10-18–10-15с.
И во внутренней логике химии, и в ее структуре, во всем, что создает химия, есть красота строгости логики, доказательности, совершенства: и это еще
один признак фундаментальности химии как науки. Горизонты химии постоянно расширяются и прогнозировать их можно (и полезно) лишь как тенденции
движения. Нам «не дано предугадать» конкретные научные события; в этом
убеждает опыт даже последних трех десятилетий – истории с фуллеренами, теломеразой, сверхпроводящими керамиками и т.д. Однако как в жизни нам «дается сочувствие», так и в науке нам дается интуиция, предвидение, профессиональное чувство понимания общего движения науки и мысли.
Литература
1 ЛЕГАСОВ В.А., БУЧАЧЕНКО АЛ. // Успехи химии. 55. 1949 (1986)
2. NGUYEN V.Q., SADILEK М., FERRIER J., FRANK A.J., TURETEK F. //J. Phys.
Chem. A. 101. 3789 (1997).
3. TROLLSAS M., HEDRICK J. J. Am. Chem. Soc. 120. 4644 (1998).
4. BLAKE A., CHAMPNESS N., KHLOBYSTOV A., LEMENOVSKII D., LI W.S.,
SCHRODER M. // J. CHEM. SOC, CHEM. COMMUN. 1339 (1997).
73
5. CHUNG D. In International Conference on Composites. Las Vegas, 1998.
6. MCCONNELL K.M. // J. Chem. Phys. 39. 1910 (1963).
7. BUCHACHENKO A.L //Mol. Cryst. Liq. Cryst. 176. 307 (1989).
8. AWAGA K, MARUYAMA Y. // Chem. Phys. Lett. 158. 556 (1989); J. Chem.
Phys. 91. 2743 (1989).
9. БУЧАЧЕНКО А. Л. // Успехи химии. 59. 529 (1990).
10. TAMAKI H, ZHORG Z, MATSUMOTO N, KIDA S, KOIKAWA M., ACHIWA
N.,HASHIMOTO Y., OKAWA H. // Am. Chem. Soc. 114. 6974 ( 1992 ).
11. АТОВМЯН Л.О., ШИЛОВ Г.В., ЛЮБОВСКАЯ Р.Н., ОВАНЕСЯН Н.С., МОРОЗОВ
Ю.Г., ПИРУМОВА С.И., ЖИЛЯЕВА Е.И., ГУСАКОВСКАЯ И.Г. // Письма в ЖЭТФ. 58.
818 (1993).
12. YAMAGUCHI YA., MARUYAMA S. // Chem. Phys. Lett. 286. 337-343 (1998).
13. YILDIRIM Т., FISCHER J., DINNEBIER R., STEPHENS P., LIN С. // Solid State
Commun. 93. 269 (1995).
14. IMAEDA K., KROBER J., NAKANO CH., INOKUCHI H., ICHIMURA К. // Phys.
Chem. B. 101. 10136 (1997).
15. CHEN CH.-CH., LIEBER CH. // Am. Chem. Soc. 114. 3141 (1992).
16. STEVENSON S., BURBANK P., HARICH K., SUN Z., DORN H.C., LOOSDRECHT
P.H.M. VAN, VRIES M.S. DE, SALEM J.R., KIANG C.-H., JOHNSON R.D., BETHUNE D.S.
// Phys. Chem. A. 102. 2833 (1998).
17. HENSEL F, EDWARDS P. // Science. 271. 1693 (1996).
18. LASKIN J., PERES Т., LIFSHITZ CH., SAUNDERS M., CROSS R.J., KHONG A. //
Chem. Phys.Lett. 285 7 (1998).
19. PIETZAK B., WAIBLINGER M., ALMEIDA MURPHY T., WEIDINGER A., HOHNE
M., DIETEL E., HIRSCH A. // Chem. Phys. Lett 279. 259 ( 1997 ).
20. KNORR S., GRUPP A., MEHRING M., KIRBACH U., BARTL A., BUNSCH L. //
Bruker Rep. 145. 40 (1998).
21. HERTEL T., MARTEL R., AVOURIS P. // Phys. Chem. B. 102. 910 ( 1998 ).
22. SAUNDERS M., CROSS R.J., JIMENEZ-VAZQUEZ H., SHIMSHI R., KHONG A. //
Science. 271. 1692 (1996).
23. HOVIS J., HORNERS R. // Phys. Chem. B. 101. 9581 (1997).
24. БУЧАЧЕНКО А.Л. // Успехи химии. 56. 1593 (1987).
25. BELL R.C., ZEMSKI K.A., KERNS P.K., DEHG H.T., CASTELMAN-JR. A. W. //
Phys. Chem. A. 102. 1733 (1998).
26. LU W., YANG SH. // J. Phys. Chem. A 102. 825 (1998).
27. HEIKAL A., CHONG S., BASKIN J., ZEWAIL A. // Chem. Phys. Lett. 242. 380
(1995).
28. DABBOUSI B., RODRIGUEZ-VIEJO J., MIKULEC F., HEINE J., MATTOUSSI H.,
OBER R., JENSEN K.F., BAWENDI M. // Phys. Chem. B. 101. 9463 (1997).
29. SARKAR S., KARMAKAR A.K., JOARDER R.N. // J.Phys. Chem. A 101. 3702
(1997).
30. EGASHIRA K., NISHI N. // J.Phys. Chem. B. 102. 4054 (1998).
31. ZEWAIL A.H. // Phys. Chem. 100.12701 (1996).
32. KOBAYASHI T., KIM M., TAIJI M., IWASA T., NAKAGAWA M., TSUDA M.
Phys.Chem. B. 102. 272 (1998).
74
33. KAKITANI T., AKIYAMA R., HATANO Y., IMAMOTO Y., SHICHIDA Y.,
VERDEGEM P., LUGTENBURG J. // J.Phys. Chem. B. 102. 1334 (1998).
34. FLEMING G., GRONDELLE R. VAN // Phys. Today. 47. 48 ( 1994 ).
35. GRONAGER M., HENRIKSEN N. // Phys. Chem. A. 102. 4277 (1998).
36. ANISIMOV O., BIZYAEV V., LUKZEN N., GRIGORYANTS V., MOLIN YU. //
Chem. Phys.Lett. 101. 131 ( 1983 ).
37. KOTHE G., BECHTOLD M., LINK G., OHMES E., WEIDNER J.-U. // Chem. Phys.
Lett. 283. 51 (1998).
38. HOHMANN W., LEBENDER D., MULLER J., SCHINOR N., SCHNEIDER F. // Phys.
Chem. A. 101. 9132 (1997).
39. VOTRUBOVA V., HASAL P., SCHREIBEROVA L., MAREK M. // J. Phys. Chem. A
102. 1318 (1998).
40. OKAMOTO H., TANAKA N., NAITO M. // Phys. Chem. A 101. 8480 (1997).
41. Chaos in Biological Systems // NATO ASI. Ser. A. Vol.138 / Eds. H.Degn,
A.Holden, L.Olsen. N.-Y., 1987.
42. LI Z., CAI J., ZHOU SH. // Phys. Chem. B. 102. 1539 (1998).
43. BRONNIKOVA T., SCHAFFER W., HAUSER M., OLSEN L. // J. Phys. Chem. B.
102. 632 (1998).
44. JAKUBITH S., ROTERMUND H.H., ENGEL W., OERTZEN A. VON, ERTL G. //
Phys. Rev. Lett. 65. 3013 (1990).
45. SALIKHOV K.M., MOLIN YU.N., SAGDEEV R.Z., BUCHACHENKO A.L. Spin Polarization and Magnetic Effects in Radical Reactions. Amsterdam: Elsevier, 1984.
46. TURRO N.J., CHOW M.-F., CHUNG C.-J., TUNG C-H. // J. Am. Chem. Soc.
105. 1572 (1983).
47. ИВАНОВ B.Б. ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ . 33A. 1811 (1991).
48. BUCHACHENKO A.L. // Chem. Rev. 95. 2507 ( 1995 ).
49. Бучаченко А.Л., Берлинский В.Л. // Успехи химии. 52. 3 (1983).
50. BUCHACHENKO A., FRANKEVICH E. Chemical Generation and Reception of
Radio- and Microwaves. N.-Y.: VCH, 1994.
51. BUCHACHENKO A.L, BERDINSKY V.L. // Phys. Chem. 100. 18292 (1996).
52. Chemistry under Extreme or Non-Classical Conditions / Eds. R. van Eldik,
C.Hubbard. N.-Y: Wiley, 1997.
53. CARD D., FOLMER D., SATO S., BUZZA S., CASTLEMAN-JR. А. // J. Phys.
Chem. A 101. 3417 (1997).
54. KOU J., NAKAMISHIMA N., SAKABLE S. // Chem. Phys. Lett. 289. 334 ( 1998
).
55. BOROWICZ P.,HOTTA J., SASAKI K., MASUHARA K. // Phys. Chem. B.
102.1896 ( 1998 ).
56. DLOTT D., HAMBIR S., FRANKEN J. // J. Phys. Chem. B. 102. 2121 (1998).
57. ZHU Y., SEKINE Т., KOBAYASHI T., TAKAZAWA E., TERRENES M., TERRENES
H. // Chem. Phys. Lett. 287. 689 (1998).
58. ШАУЛОВ А.Ю., АНДРЕЕВА Н.И., БУЧАЧЕНКО А.Л., ЕНИКОЛОПОВ К.С. //
ЖЭТФ. 63. 157 (1972).
59. ARATONO Y., MATSUMOTO Т., TAKAYANAGI Т., KUMADA Т., KOMAGUCHI
K., MIYAZAKI Т. // J. Phys. Chem. A. 102. 1501 ( 1998 ).
75
60. АЛЫНИЦ В.И., ДАРИНСКАЯ Е.В., МИХИНА Е.Ю., ПЕТРЖАК Е.А. // Физика
механического тела. 38. 2426 (1996).
61. GOLOVIN YU.I., MORGUNOV R.B. // Chemistry Rev. 24. 1 ( 1998 ).
62. TANIMOTOY., KATSUKI A., YANO K., WATANABE SH. // Phys.Chem. A.
101.7359 (1997).
63. Microwave-Induced Chemistry, Fundamentals and Applications. N.-Y:
American Chemical Society, 1997.
64. АБАКУМОВ Г.А., ФЕДОСЕЕВ В.Б. // Российский химический журнал. 42.
36 (1998).
65. GORLITZ A., WEIDMULLER М., HANSCH T., HEMMERICH А. // Phys. Rev. Lett.
78. 2096 ( 1997 ).
66. CLARK J., MILLER P., RUMBLES G. // Phys. Chem. A 210. 4428 ( 1998 ).
67. ВОРОНИН А.И., OШEPOВ В.И. Динамика молекулярных реакций. M.
Наука, 1990.
68. BENDERSKII V., MAKAROV D., WIGHT С. Chemical Dynamics at Low Temperatures. N.-Y: Wiley, 1994.
69. Femtochemistry and Femtobiology / Ed. V.Sundstrom. Singapore: World
Scientific, 1998.
70. BLACKWELL M., LUDOWISE P., CHEN Y. // J. Chem. Phys. 107. 283 ( 1997 ).
71. THOGERSEN J., THOMSEN C., POULSEN J., KEIDING S. // J. Phys. Chem. A 102.
4186 (1998).
72. ZHONG D., ZEWAIL A. // Phys. Chem. A 102. 4031 (1998).
73. PRYBYLA J., HEINZ T., MISEVICH J., LOY M., GLOWNIA J. // Phys. Rev. Lett.
64.1537 (1990).
74. RUITER A., VEERMAN J., GARCIA-PARAJO M., HULST N. VAN // Phys. Chem.
A 101. 7318 (1997).
75. WESTON K., BURATTO S. // Phys. Chem. A 102. 3635 (1998).
76. MAIS S., TITTEL J., BASCHE TH., BRAUCHLE C., GOHDE W., FUCHS H.,
MULLER G., MULLEN К. // J. Phys. Chem. A 101. 8435 (1997).
77. DALIDCHIK F., KOVALEVSKY S.,CRISHIN M., SHUB B. // Surf. Sci. 387. 50
(1997).
78. ДАЛИДЧИК Ф.И., КОВАЛЕВСКИЙ C.A., ГРИШИН М.B.,ШУБ Б.Р. // Письма в
ЖЭТФ. 66. 37 (1997).
79. БУЧАЧЕНКО А.Л., КОЖУШНЕР М.А., ШУБ Б.Р. // Известия АН. Серия
«Химия». 1732 ( 1998 ).
76
77
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ
Р.Нудельман(Израиль), доктор биологии, профессор
Научный журналист и писатель, научный обозреватель журнала
«Знание-сила»
Р.Нудельман. Загадки, тайны и коды жизни.–Р.н/Д:Феникс,
2007–470с.(Избранное)
ПЕРВЫЕ ШАГИ
«Живые молекулы»
Когда появилась жизнь на Земле? Как это произошчиталось, что первые
живые существа появились на нашей планете в ту эпоху, которую геологи
называют Кембрийской, – примерно 550 миллионов лет назад или незадолго до
того. На этот возраст указывали тогдашние данные палеобиологии. Но ведь
Земля, как известно, образовалась почти 4,5 миллиарда лет назад. Что же, все
это время жизнь на нашей планете не существовала, а потом, через почти 4
миллиарда лет, вдруг разом возникла? Это не укладывалось в дарвиновскую
схему постепенной эволюции живых существ, и такая ситуация мучила биологов-эволюционистов. Поэтому они то и дело предпринимали попытки найти
следы более ранней жизни, но, увы! – все эти попытки оказывались безрезультатны. И лишь лет сто спустя американский геолог Стенли Тайлер обнаружил в
древних скалах на побережье Канады окаменевшие следы каких-то простейших
микроорганизмов, возраст которых после тщательного исследования был определен в 2,1 миллиарда лет. Это был первый прорыв. За ним последовали другие,
и еще пятьдесят лет спустя, в 1993 году, другой американский геолог Уильям
Шопф нашел рекордно древние следы жизни. Он обнаружил их в скалах Западной Австралии, возраст которых составлял 3,5 миллиарда лет! О том, что эти
окаменевшие следы принадлежали живым существам, говорил тот факт, что
рассеяние лазерного света на обнаруженных Шопфом следах оказалось в точности такое же, как рассеяние света на останках различных видов бактерий.
Поначалу многие ученые с недоверием отнеслись к открытию Шопфа. Но
не прошло и нескольких лет, как оно получило хоть и косвенную, но сильную
поддержку. Австралийский геолог Расмуссен, изучая древние слои в подводных скалах, тоже обнаружил в них следы древних живых существ. Но на сей
раз то были более развитые микроорганизмы. По его оценке, их возраст составлял не меньше 3 миллиардов лет. Однако для достижения такого уровня развития первым живым существам, несомненно, требовалось достаточно длительное время, а значит, их более простые предки должны были появиться намного
раньше, чем 3 миллиарда лет назад, может быть, даже на несколько сот млн лет
раньше, то есть примерно 3,5 миллиарда лет назад, как и утверждал Шопф.
Приободренный этим подтверждением, Шопф вернулся к своим образцам
и провел их дополнительное исследование с помощью появившихся в послед78
нее время новых методов. И тут ему удалось установить поразительный факт.
Повторно и более детально исследуя свои находки, Шопф насчитал в собранных им образцах по меньшей мере 11 разных видов разных «органических следов», то есть целых 11 разных видов примитивных микроорганизмов. Среди
них оказались и организмы, сходные с существующими до сих пор так называемыми «цианобактериями». Но цианобактерии уже обладают аппаратом фотосинтеза, и значит, явно не были самыми первыми на Земле живыми существами. Для развития механизма фотосинтеза и появления целых 11 разных видов
бактерий необходимо было дополнительное время, и специалисты оценивают
это время примерно в 400 миллионов лет. Это означает, что первые бактерии
должны были появиться не 3,5 миллиарда лет назад, а 3,5 + 0,4 = 3,9 миллиардов лет тому назад!
Но тут уж многие ученые встали, что называется, на дыбы. Они отказались
принять эту цифру. И надо признать, что у них были для этого веские основания. И вот какие.
Некоторое время назад два американских исследователя, Дэйвид Кринг и
Барбара Коэн, опубликовали обзор, посвященный геологическому прошлому
нашей планеты. Этот обзор собрал воедино данные многочисленных геологических исследований, посвященных самому раннему периоду земной истории.
И он с достаточно высокой степенью достоверности показал, что вскоре после
своего образования, а именно, около 4,1 и до 3,9 миллиардов лет тому назад,
наша Земля и соседние с ней внутренние планеты Солнечной системы (Марс,
Венера и Меркурий, а также Луна) подверглись чудовищной бомбардировке
огромными осколками протопланетарного вещества – астероидами и метеоритами. Эти «небесные камни» могли образоваться в результате неожиданного
распада еще одной, только лишь зарождавшейся (да так и не родившейся) планеты Солнечной системы, которая должна была двигаться по орбите между
Марсом и Юпитером, там, где сейчас как раз и находится так называемый пояс
астероидов. Эти удары буквально испещрили поверхность всех внутренних
планет чудовищными кратерами. Трудно даже представить себе их число и
размеры. По оценкам Кринга и Коэн, только на Земле должно было образоваться до 22 тысяч кратеров диаметром более 20 километров. По меньшей мере 40
из них должны были иметь диаметр около 1000 километров, а несколько –
свыше 5000 км, что превосходит размеры таких земных материков, как Австралия, Европа, Антарктида и Южная Америка. Однако все эти кратеры сохранились сейчас только на Луне – на Земле они давно исчезли в результате произошедших с тех пор геологических процессов. Но на Марсе мы тоже видим сегодня кратеры, и, по мнению ученых, большинство из них тоже образовались как
раз в ту эпоху.
Вся эта космическая бомбежка продолжалась довольно небольшое – в астрономических масштабах время: как уже сказано, от 4,1 до 3,9 миллиардов лет
назад, то есть около 200 тысяч лет. С перерывами, разумеется, так что, скажем,
столкновения Земли с астероидами таких размеров, как тот, что позднее уничтожил динозавров, происходили в то время не каждый день, а «лишь» каждые
100 лет в среднем. Можно представить себе, какие страшные катаклизмы то и
79
дело сотрясали тогда нашу планету, как рвалась, кипела, пузырилась и пучилась ее едва затвердевшая кора, какие потоки лавы и магмы извергались наружу, как взметались и вскипали воды молодых океанов. Подлинный ад. Как на
нынешней' Венере.
Ученые давно уже предполагали, что такая космическая бомбардировка
Земли и Луны действительно происходила и что это имело место примерно 4
миллиарда лет назад. Но никто раньше не думал, что эта катастрофа накрыла
всю внутреннюю часть Солнечной системы и была такой фантастически мощной. Причина этой недооценки состояла в том, что раньше специалисты полагали, будто Земля и Луна претерпевали тогда соударения с большим облаком
комет, а поскольку энергия удара комет с их небольшим весом много меньше,
чем у огромных астероидов, то и масштабы бомбардировки представлялись менее значительными. Однако Кринг и Коэн, изучив образцы пород, доставленные космонавтами из лунных кратеров, убедились, что их химический состав
соответствует содержанию изотопов не в кометах, а именно в астероидах, а
также в метеоритах, находимых на Земле. Тот факт, что бомбежка была именно
астероидной, существенно меняет картину. Ведь бомбардировка тяжеловесными астероидами должна была уничтожить все твердые породы и скалы, которые уже успели к тому времени сформироваться на Земле. Это, прежде всего,
означает, что ученые не могут рассчитывать найти сегодня на Земле какие-либо
скалы старше 3,9 миллиардов лет и любые сообщения о таких находках наверняка являются ошибочными. Вот почему многие ученые и отнеслись с недоверием к утверждениям Шопфа. Если верна нарисованная Крингом и Коэн картина «космической бомбардировки», то она явно исключает возможность возникновения первых живых организмов в такое раннее и к тому же такое катастрофическое время. Ведь эта мощная и длительная бомбардировка могла, в принципе, вообще испарить все первичные океаны, так что им пришлось бы потом
возникать заново. Где уж тут взяться жизни!
Однако другие ученые пришли к совершенно иному выводу и, что самое
интересное, – на тех же основаниях. По их мнению, удары метеоритов и астероидов о Землю неизбежно приводили к образованию трещин, из которых выделялась горячая вода, насыщенная органическими молекулами, и вот эти трещины как раз и могли стать очагами предбиологических процессов, которые
привели к быстрому появлению жизни сразу же после окончания бомбардировки. Многие биологи считают сегодня, что жизнь занесли на Землю именно бомбардировавшие ее «небесные камни», тогда как другие полагают, что она самозародилась на дне земных океанов, в горячей воде таких вот «гидротермальных
трещин» и что условия вблизи таких трещин были настолько благоприятными,
что первые живые клетки могли появиться там уже через несколько десятков
тысяч лет после конца бомбардировки, то есть примерно 3,85 миллиардов лет
тому назад. А эта дата удивительно близка к возрасту обнаруженных Шопфом
первых признаков жизни на Земле.
Но здесь уже спор о том, когда появилась первая жизнь на Земле, переходит в спор о том, как она появилась, и это ведет нас к следующей части нашего
рассказа.
80
В споре о путях возникновения земной жизни тоже есть два противостоящих друг другу больших лагеря, и разделяются они именно по вопросу о том,
появилась ли эта жизнь путем «самозарождения», то есть возникла прямо на
нашей планете (как, например, утверждает гипотеза «гидротермальных трещин»), или же была занесена на Землю падавшими на нее астероидами и метеоритами (как говорит другая, «метеоритная» гипотеза). Соответственно каждый лагерь в поисках доказательств обращает свои взоры в свою сторону: один
– к Земле, другой – к небу, в космос. Все мы знаем, что поиски жизни в космосе
идут уже не первое десятилетие. Эти поиски опираются на давнюю, еще времен
Джордано Бруно и Коперника, аксиому науки, согласно которой Земля не является чем-то уникальным в космосе. Если Земля – типичная планета, то и существующая на ней жизнь тоже должна быть типичным космическим явлением.
Это замечательная аксиома, и во многих отношениях она верна, но вот в отношении земной жизни она явно не работает. В нашей Солнечной системе жизнь
не обнаружена ни на одной другой планете. Последние надежды отыскать ее на
Марсе, пусть в виде бактерий или, на худой конец, хотя бы в виде следов когдато существовавших бактерий, запечатленных в толще упавших на Землю марсианских метеоритов, – все эти недавние надежды недавно и развеялись – как
сон, как утренний туман. И это вроде бы подтверждает позицию сторонников
космического происхождения жизни. Ведь если ни одна другая планета Солнечной системы, кроме Земли, не породила даже простейшей органической
жизни в виде бактерий, то, скорее всего, и на Земле жизнь не самозародилась, а
занесена извне, – например, с помощью каких-то «спор», витающих в космосе и
случайно попавших на нашу планету.
У этой мысли есть свои основания и своя история. Первым рьяным глашатаем теории «космических спор» был шведский физико-химик Сванте Аррениус (1855-1923), а главным основанием для нее является то очевидное соображение, что вероятность случайного – то есть благодаря счастливому стечению
благоприятных обстоятельств – «самозарождения» жизни чудовищно мала, если учесть многочисленность необходимых для этого «обстоятельств». Сегодня,
когда уже известна огромная сложность генетических и белковых молекул, образующих то, что мы называем «жизнью», и фантастически тонкая слаженность
молекулярных основ этой жизни, вероятность их случайного образования представляется совсем уж исчезающе малой. Но уже и сто лет назад эта возможность тоже не казалась особенно реальной. Поэтому в 1908 году Аррениус выдвинул теорию так называемой «панспермии», согласно которой все космическое пространство заполнено некими «живыми спорами», которые движутся
под давлением света, излучаемого звездами (Лебедев как раз в ту пору доказал
реальность светового давления), и «засеивают жизнью» подходящие планеты.
Эту гипотезу в тех или иных вариантах поддерживали и поддерживают многие
крупные ученые – Дж. Дж. Томсон, Фред Хойл и др. (Самые свежие аргументы
в ее пользу изложены в недавней книге «Пятое чудо» австралийского физика и
автора многочисленных научно-популярных книг Пола Дэвиса.).
Критики и противники сразу же указали на главное слабое место гипотезы
Аррениуса: та же радиация, которая якобы движет споры, будет их и уничто81
жать. Тогда сторонники гипотезы выдвинули несколько новых подвариантов,
свободных от этого недостатка. Так, знаменитый астрофизик Хойл, например,
предположил, что «споры» представляют собой высохшие в космическом вакууме и замерзшие (при почти абсолютном нуле) клетки; однако, как справедливо
заметили критики, в вакууме клетки не высыхают, а взрываются. Более надежно «споры» могли бы сохраняться внутри некоторых небесных тел – комет и
астероидов, попадая на планеты вместе с ними (вспомним «метеоритную гипотезу»), И действительно, последующие наблюдения показали, что многие такие
тела и впрямь содержат органические вещества. Так, метеорит, упавший в 1969
году в Австралии (и по месту падения названный «Мэрчисон»), содержал свыше семидесяти различных аминокислот (а эти молекулы являются составными
звеньями всех белков). А ядро знаменитой кометы Галлея, как показали ее
спектральные наблюдения, на целых 25 процентов состоит из углеводородной
органики. И в космических пылинках этой органики почти 10 процентов.
Увы, этот вариант панспермии тоже вызывает серьезные возражения. Дело
в том, что многие органические молекулы обладают определенной симметрией,
своего рода «закрученностью» (по-английски – chirality), и давно установлено,
что все белковые молекулы земных организмов почему-то имеют только «левую» такую «закрученность» (а все земные сахара – почему-то правую). Между
тем органические молекулы космического происхождения, то есть органика
метеоритов, комет и пылинок, – это, как правило, смесь «левого» и «правого»
типов. Правда, недавно промелькнуло сообщение о том, что будто бы определенные свойства космического излучения (преимущественное направление
вращения его электрического поля) могут вызвать образование органических
молекул только одной какой-то «закрученности», но это пока еще не доказано.
А кроме того, как сразу же указали противники новой гипотезы, ведь все такие
метеориты и даже пылинки, несущие пресловутые «споры жизни», при их
вхождении в земную атмосферу разогреваются до тысячи с лишком градусов,
так что никакие «споры» живыми до Земли не долетят.
Тем не менее, несмотря на все эти возражения, увлечение многих ученых
гипотезой панспермии не утихает, и в ее подкрепление выдвигаются все новые
и новые соображения. А недавно два видных специалиста–биолога, Лесли Оргелл и первооткрыватель знаменитой ДНК Френсис Крик, даже выдвинули
идею «направленной панспермии», то есть целенаправленного «засеивания»
планет «спорами жизни», созданными какой-то высшей цивилизацией. Нетрудно, однако, заметить, что все эти идеи имеют один общий недостаток: они нисколько не приближают к пониманию загадки возникновения жизни. Когда-то
Маяковский писал о поэте Безыменском, что он всем хорош, только «жаль вот:
стихи не умеет писать, а это для поэта недостаток». Так и эти гипотезы: вроде
бы всем хороши, только вот на поставленный вопрос не отвечают. Действительно, весь этот сценарий: микроскопические споры жизни, летящие в мертвом, ледяном космическом пространстве и подгоняемые ветрами звездных излучений, – все это, бесспорно, красиво, как и всякая фантастика эпического
размаха, но нетрудно понять, что глашатаи «космической» гипотезы, от Сванте
Аррениуса до Пола Дэвиса, всего лишь отодвигают, а не решают ими же ука82
занную трудность. Ведь ничтожная вероятность самопроизвольного возникновения жизни не станет менее ничтожной, если перенести проблему с Земли в
космос. И даже если пресловутые «споры жизни» создала «высшая цивилизация», то как же все-таки возникла та жизнь, венцом которой стала эта цивилизация?
На этот ответ у сторонников «космической гипотезы» пока нет ясных ответов. А как обстоит дело у защитников «гипотезы самозарождения»?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно чуть более детально разобраться – а
что, собственно, ученые называют «жизнью»? Как все мы знаем, с точки зрения
биологии, жизнь, то есть живые организмы, характеризуются следующими особенностями: они должны быть способны к обмену веществ (или, по-научному,
к метаболизму), что, собственно и позволяет им существовать; далее – они
должны быть способны меняться под воздействием внешних условий (то есть
обладать изменчивостью); они должны быть способны к самовоспроизведению,
то есть к порождению себе подобных (проще говоря – к размножению), и,
наконец, они должны быть способны передавать потомкам приобретенные в
ходе своей жизни изменения (эта особенность называется наследственностью).
Итак, метаболизм, изменчивость, самовоспроизведение и наследственность –
вот признаки живого организма, и первые «живые молекулы» должны были обладать всеми или хотя бы большинством этих признаков. Как мы опять же знаем, всеми этими признаками совместно обладают системы, состоящие из так
называемых «живых молекул» – молекул белков (которые благодаря своим
особым свойствам обеспечивают обмен веществ и размножение) и генетических молекул (которые благодаря своим особым свойствам обеспечивают изменчивость и наследственность). Сейчас в любом земном организме есть и белки, и генетические молекулы, но могли ли они самозародиться на Земле? И если да, то кто был первым? По этому вопросу лагерь «самозарождения», в свою
очередь, разделяется на несколько подлагерей. Первый из них считает, что самозарождение могло начаться только с белков, потому что в условиях первобытной Земли белки обладали способностью к самозарождению. В обоснование
этого своего утверждения сторонники данной гипотезы ссылаются на знаменитый опыт Миллера.
В 1953 году Стенли Миллер, тогда еще безвестный аспирант знаменитого
геохимика Гарольда Ури, а сегодня и сам ведущий специалист по происхождению жизни, проделал следующий опыт. Он создал установку из двух сообщающихся сосудов, в одном из которых была вода, а в другом – та смесь газов
(водород, метан, аммиак и, естественно, водяные пары), из которой, по представлениям специалистов, состояла атмосфера «новорожденной» Земли. Когда
он пропустил через эту смесь электрические разряды (а можно не сомневаться,
что молнии в первобытные времена наличествовали в изобилии), вода в сосуде
побурела, а ее химический анализ показал, что там образовалось множество
аминокислот и других органических молекул. Этот знаменитый опыт (до сих
пор упоминаемый во всех учебниках) впервые показал, что чисто случайные
химические реакции в смеси простых неорганических молекул могут приводить к «самообразованию» все более и более сложных органических молекул и
83
веществ – возможно, вплоть до тех, на основе которых построено все живое.
Правда, тут имелась некая тонкость: согласно господствовавшей тогда теории
Опарина–Холдейна, первичная атмосфера была богата водородом (но лишена
кислорода); именно поэтому миллеровская смесь содержала водород. Сегодня
многие думают, что водорода в первичной атмосфере было намного меньше,
но, как показала проверка, на результаты Миллера это не влияет.
Опыт Миллера породил совершенно новую область исследований – «абиотическую (то есть «не-живую» или «до-живую») химию», и вскоре в этом
направлении были получены другие ободряющие результаты. В 1961 году Хуан
Оро упростил эксперимент Миллера, взяв за исходное смесь аммиака и циановодорода (тоже наверняка наличествовавшего в первичной атмосфере Земли), и
получил не только аминокислоты, но и один из тех «химических кирпичиков»,
из которых построены все генетические молекулы. Еще позднее Вехтерхойзер
и Хубер использовали для эксперимента ту смесь газов, которая выделяется в
местах прорыва горячей лавы на дне Мирового океана, в упоминавшихся выше
геотермальных трещинах. Испытания показали: в этой смеси происходят те же
циклы взаимосвязанных химических реакций, которые характерны и для живых
клеток. Это последнее открытие породило целую полемику: немецкие исследователи на основании своих результатов утверждали, что жизнь «самозародилась» на дне первичного океана при высокой температуре, тогда как другие
сторонники «самозарождения» выдвигали гипотезу «холодных родов».
Дело в том, что к тому времени было установлено, что «юное» Солнце (во
времена образования Земли, 4,5 миллиарда лет назад) было много тусклее, чем
сейчас, и поэтому появилось представление, что земные океаны были поначалу
покрыты сплошным ледяным панцирем, который изредка взламывался падавшими астероидами и кометами; эти же падения приносили в океан органические вещества, перемешивали воды океана и атмосферу, а дальше все шло по
сценарию Миллера. (Как уже сказано выше, позже нашли, что первичная атмосфера Земли имела не тот состав, что в эксперименте Миллера, но появились
другие работы, в которых органические молекулы самозарождались и при правильном подборе «первичной атмосферы».) Как бы то ни было, в любом из этих
вариантов – Миллера или его продолжателей – белки демонстрировали свою
способность «самозарождаться» в условиях первобытной Земли, причем с такой химической неизбежностью, что это на время привело некоторых ученых в
эйфорию – им стало казаться, что загадка жизни окончательно решена.
Но не тут-то было. Дальнейшее исследование белковых молекул привело к
пониманию, что они куда сложнее по строению, чем те простейшие аминокислоты, которые возникали в экспериментах Миллера и Оро. Конечно, можно
было оптимистически предположить, что впоследствии эти примитивные аминокислоты каким-то еще не известным способом (и все так же самопроизвольно
и случайно) сложились в более сложные молекулы настоящих (нынешних) белков. Но это уже было бы слишком натянутое, фантастически маловероятное
предположение. А главное – вскоре выяснилось совсем уж принципиальное обстоятельство, которое положило конец и этой надежде. Оказалось, что эти
сложные молекулы белков требуют для своего образования специальных «ин84
струкций» – из каких аминокислот складываться и в каком порядке, – а эти
«инструкции» запечатлены в генах одних генетических молекул (всем известная ДНК) и передаются аминокислотам с помощью других генетических молекул (так называемых РНК). Так что белки вроде бы не могут самозародиться,
если нет генетических молекул.
Выходит, первыми были генетические молекулы? Увы, тоже не выходит.
Дело в том, что, как оказалось, все процессы, которыми занимаются эти молекулы (образование «инструкций» для белков, приобретение и передача изменений и т. п.), в свою очередь, требуют участия специальных белков. Так что генетические молекулы тоже вроде бы не могут «самозародиться», если нет белков. Иными словами, белки не могли появиться без наличия генетических молекул, а генетические молекулы не могли появиться без наличия белков. Но допустить, что они самопроизвольно и случайно образовались одновременно и в
одном и том же месте, не могли даже самые пылкие оптимисты. Проблема самозарождения жизни снова зашла в тупик.
Однако в 1983 году появился намек на возможность выхода из этого тупика. Два исследователя, Томас Чех и Сидней Альтман, открыли новый вид генетических молекул РНК – так называемые «рибозимы». Оказалось, что эти молекулы одновременно обладают как свойствами генетических молекул (способны выполнять роль «инструкций» для образования белков), так и свойствами белков (могут ускорять, то есть катализировать, биохимические реакции образования белковых молекул). Собственно, их название – рибозимы – как раз и
образовано из двух соответствующих слов: «рибо» (с этого начинается химическое название молекул РНК) и «зимы» (это окончание слова энзим, как называются специальные белки-катализаторы). Рибозимы оказались способны разрезать другие молекулы РНК и сшивать такие куски друг с другом.
Лиха беда начало: некоторое время спустя американец Шостак сумел так
видоизменить рибозимы Чеха–Альтмана, что они оказались способны создавать
свои собственные копии, а еще позже тот же Шостак сумел создать в пробирке
такие условия, что коротенькие цепочки химических звеньев, из которых обычно состоят генетические молекулы начинали соединяться друг с другом в длинную цепь, подобную «настоящей» РНК. Энергию для такой реакции цепочки
получали, как оказывается, из особых фосфоросодержащих молекул, которые и
сейчас обеспечивают живые клетки этой энергией. Можно было думать, что такие простейшие короткие генетические цепочки и фосфоросодержащие молекулы вполне могли образоваться путем случайного соединения атомов в первичных земных океанах, а уж затем дать начало образованию простейших молекул РНК, обладавших способностью удваиваться и самим катализировать
свое удвоение. Это предположение было куда реалистичнее, а его вероятность
– куда больше, чем самопроизвольное и случайное образование сразу обоих видов «живых молекул» – и белковых, и генетических – в одно и то же время и в
одном и том же месте.
Так возникла новая гипотеза возникновения земной жизни, утверждавшая,
что появлению мира первых живых клеток предшествовал куда более примитивный мир, в котором существовали только молекулы «архаичной РНК», ра85
ботавшие поначалу сразу «за троих» – и за себя, и за будущую ДНК, и за будущие белки. Эти молекулы могли нести в себе простейшую биологическую информацию, поддающуюся небольшим усовершенствованиям. Они передавали
ее (путем самоудвоения) своим потомкам и сами катализировали первые, очень
простенькие и коротенькие биохимические реакции их функционирования. В
1986 году гарвардский биолог Гилберт придумал для этого древнейшего этапа
возникновения земной жизни название «РНК-мир». (В более широком плане
эту гипотезу еще называют: «В начале были гены» – чтобы отличить ее от гипотез «миллеровского» типа, которые в целом сводятся к идее: «В начале были
белки».) С этого момента начался энергичный поиск экспериментальных подтверждений новой гипотезы. В ходе такого поиска было накоплено много любопытных результатов. В 1993 году они были собраны в книге «Мир РНК», выпущенной лабораторией Колд Спринг Харбор, которой тогда руководил знаменитый Джеймс Уотсон (тот, что в паре с Фрэнсисом Криком некогда открыл
двойную спиралевидную структуру молекул ДНК). Десять лет спустя эта книга
была переиздана. Любопытно, что же говорит новое издание о результатах
штурма «РНК-мира»?
Прежде всего, оно обрисовывает, как именно представляют себе сторонники РНК-гипотезы становления жизни. «На первых стадиях эволюции, – пишут
они, – молекулы РНК развиваются по схеме самоудвоения, используя обмен
своими участками и случайные мутации для выработки новых свойств и приспособления к новым жизненным нишам. По мере такого усложнения эти молекулы начинают использовать свои зачаточные каталитические способности,
чтобы наладить синтез простейших белков. Белки, будучи намного более мощными катализаторами, сразу же после своего появления берут на себя управление процессами в клетке и помогают создать ДНК, которая становится тем
«жестким диском», где записывается вся клеточная информация».
В этой картине не хватает только самого первого этапа – образования самой «архаичной РНК». И вот тут, признаются авторы, их гипотеза наткнулась
на трудности. Для образования даже самой первой, самой простой РНК нужны
химические звенья четырех разных типов. Так вот, два из них довольно легко
«самозарождаются», если воссозданы условия первичной земной атмосферы.
Но вот два других упорно не хотят возникать. Правда, Миллеру и его ученику
Робертсону удалось в 1995 году создать один из них, резко изменив соотношения составляющих «первичного бульона», но большинство специалистов сомневаются в том, что в древних океанах могли существовать такие благоприятные условия.
Пытаясь обойти эту трудность, некоторые ученые (например, Джойс) выдвинули предположение, согласно которому «самыми первыми» были не молекулы РНК, а нечто более простое, что могло легче самообразоваться и что потом, спустя долгое время, постепенно, преобразовалось в РНК. Но для такого
«двухступенчатого» процесса нужно много больше времени, чем то, которое,
если верить Шопфу, прошло от конца «космической бомбардировки» до возникновения первых простейших микроорганизмов.
Все эти трудности, вместе взятые, сообщили переизданию книги «РНК86
овый мир» некий пессимистический настрой, которого не было в первом издании. Ведущие глашатаи РНК-гипотезы высказываются теперь весьма осторожно. Л. Оргелл говорит, что самопроизвольное возникновение «архаичной РНК»
граничило бы с чудом. Т. Чех заявляет, что такая РНК «слишком сложна для
первой самовоспроизводящейся молекулы, чтобы она могла появиться без всякой подготовки, как Афина из головы Зевса». И те же Чех, Оргелл и присоединившийся к ним нобелевский лауреат К. де Дюв уже начали поговаривать о каких-то «квази-живых молекулах», что предшествовали появлению самой РНК и
обладали такими свойствами, которые сделали более вероятным и быстрым это
появление. На этом пути уже появились новые идеи, но все эти поиски еще
находятся в самой зачаточной стадии, и пока сторонники «самозарождения» не
предложили еще никакого правдоподобного сценария такого самозарождения –
ни белкового, ни генетического.
Но ведь и сторонники «космической гипотезы», как мы видели, тоже ничего внятного пока не предложили. Так что же можно сказать о жизни? – спросим
мы в заключение вслед за поэтом. Ее загадка оказалась сложной. И даже чересчур, добавим вслед за другим поэтом. Еще недавно наука казалась близкой к
решению этой загадки. Сегодня она, кажется, снова отошла на исходные позиции. Обилие новых гипотез свидетельствует именно об этом. Ни одна из этих
гипотез не представляется убедительной. Ни одна не имеет надежного экспериментального подтверждения. И ни одна не кажется перспективным кандидатом на роль новой всеобъемлющей теории. Придется подождать.
Безумные идеи
А впрочем, некоторые ждать не согласны. И, опережая науку, они выдвигают свои гипотезы, каждая из которых на свой лад объясняет, каким именно
образом могла возникнуть жизнь на нашей планете и каким именно образом
она может (или не может) возникнуть на других планетах Солнечной системы
(и других звездных систем тоже). Временами эти их идеи впору назвать
«безумными».
Заметим сразу, что определение «безумная идея» отнюдь не предполагает,
будто идея обязательно глупа или вздорна. «Безумными» в свое время были
многие радикально новые гипотезы и теории, сегодня пользующиеся всеобщим
признанием и респектом. «Безумной» порой заставляет назвать идею скорее
ощущение ее некой экстравагантности, выхода за общепринятые рамки, этакого
«иконоборческого» характера – или же, напротив, чрезмерной простоты и одновременно чрезмерной общности, за которыми ощущается безбрежный размах
авторских претензий. Что не мешает, разумеется, даже такой идее иной раз оказаться научно состоятельной. Чтобы не множить эти туманные описания, приведем два конкретных примера.
Для начала напомним несколько научно установленных и изложенных ранее фактов. Установлено, что Земля в ее раннем прошлом (примерно от 4,1 до
3,9 миллиардов лет назад) подвергалась интенсивной бомбардировке довольно
крупными небесными телами – астероидами и даже целыми протопланетами.
87
То было время формирования всех планет Солнечной системы из первичного
газопылевого облака, окружавшего только что родившееся Солнце, и материала
для бомбардировки в системе было даже больше, чем нужно. «Больше, чем
нужно», потому что такая интенсивная бомбардировка то и дело вызывала на
молодой Земле чудовищные катаклизмы, что, понятно, препятствовало возникновению жизни. Установлено далее, что первые живые организмы на Земле появились примерно 3,8 миллиарда лет назад, то есть «почти сразу» после того,
как космические окрестности Земли очистились от беспорядочно носившихся
вокруг обломков и небесная бомбардировка изрядно стихла. Установлено также, что молодое Солнце в ту пору было много тусклее, чем сейчас, то есть излучало меньше энергии. И это как-то трудно увязать с возникновением жизни
на Земле, потому что жизнь требует достаточного тепла. Скажем, в антарктических условиях жизнь вряд ли возникла бы, а между тем установлено (это уже
последний из нужных нам фактов), что еще 800 миллионов лет назад и вплоть
до 540 миллионов лет назад ледники существовали даже на земном экваторе.
(Эта последняя трудность иногда называется «парадоксом молодого Солнца».)
Как совместить все эти противоречивые факты? Ситуация так и просится
быть объясненной «одним ударом» – и одним ударом ее и объясняет «безумная
идея», выдвинутая не так давно американским метеорологом Грегори Дженкинсом. Удар, который играет центральную роль в его теории происхождения
жизни, произошел, по мнению Дженкинса, примерно 4,5 миллиарда лет назад,
то есть практически сразу же после «рождения» Земли, и был так силен, что
повернул Землю «на бок». Иными словами, ось ее вращения, которая раньше
была почти вертикальна (то есть перпендикулярна плоскости орбиты), легла
почти горизонтально, под углом 70 градусов к вертикали. Естественно, экваториальные области при этом стали «приполярными», а учитывая еще и тусклость тогдашнего («молодого») Солнца, нетрудно понять, почему там появились ледники. Зато в бывших полярных областях установился теплый климат.
Но главное – что благодаря новому положению Земли, вращавшейся теперь «на
боку», этот теплый климат практически перестал меняться: из года в год, из века в век, из миллионолетия в миллионолетие он оставался очень теплым и благоприятным для возникновения жизни. Солнце, конечно, было тусклым, но это
компенсировалось постоянно ровным потоком его энергии, падавшим на «полярные» области Земли. В этих климатически устойчивых условиях органическая эволюция получила достаточно времени для первых «проб и ошибок», которыми сопровождались ее эксперименты по созданию простейших живых организмов.
Дженкинс завершает свою «безумную» гипотезу столь же эффектной концовкой. Примерно 540 миллионов лет назад постепенное скопление материков
вблизи Южного полюса Земли вынудило планету совершить «кувырок» вернувший земную ось к ее нынешнему положению (наклон в 23 градуса относительно вертикали). При таком положении оси начались сезонные изменения
климата на всех географических широтах, и это (утверждает Дженкинс) привело к бурному, взрывоподобному развитию новых живых форм на всей планете.
Те из читателей, которые помнят, что примерно 540 миллионов лет назад про88
изошел так называемый Кембрийский эволюционный взрыв, породивший множество новых живых форм, сразу поймут, на что намекает Дженкинс. (Те, кто
не помнит, пусть подождут – мы обязательно поговорим о великой Кембрийской загадке, только чуть нозже.)
Что, собственно, побуждает назвать гипотезу Дженкинса «безумной идеей»? Почему не отнестись к ней как к обычной научной гипотезе, которые то и
дело высказываются в науке и составляют, если вдуматься, главную форму ее
развития? Ведь все ее положения вроде бы вполне научны. Бомбардировка молодой Земли протопланетами, как мы уже говорили, происходила на самом деле – естественно, мог произойти и такой удар, который уложил бы планету на
бок. Кувырок Земли под воздействием специфического расположения континентальных плит тоже, скорее всего, имел место – стало быть, Земля вполне
могла в результате и прийти к ее нынешнему положению. В чем же дело?
Видимо, дело в том, что в этой идее явно ощущается некая «подогнанность». Сценарий происхождения жизни по Дженкинсу предусматривает слишком уж удачное стечение обстоятельств. Именно в нужный момент (4,5 миллиарда лет назад) удар астероида или протопланеты укладывает Землю на бок,
дабы она так лежала до следующего нужного (автору) момента. Именно в следующий нужный момент (540 миллионов лет назад) материки собираются так,
чтобы повернуть Землю обратно и произвести Кембрийский взрыв. Между тем,
как мы знаем, вместо первого «нужного» момента бомбардировка молодой
Земли началась добрых полмиллиарда лет спустя. А что до кувырка, вызванного движением тектонических плит, то наука пока еще не знает, был ли он вообще, а если действительно имел место – то один раз или многократно, если же
был единичным – то совпал ли по времени с Кембрийским взрывом, а если совпал – то намного ли изменил наклон земной оси. Но у Дженкинса Земля кувыркается только тогда, когда нужно, и ровно на столько, на сколько нужно, – разумеется, для того, чтобы объяснить то, что нужно.
Теперь о второй новейшей гипотезе «касательно происхождения жизни на
Земле». Она принадлежит американскому физику, профессору Ричарду Мюллеру. Не так давно группа исследователей из Геохронологического центра Калифорнийского университета в Беркли под руководством профессора Мюллера
опубликовала в одном из научных журналов сообщение о том, что они завершили изучение 155 зерен оплавленного базальта, обнаруженных ими в одном
грамме лунной почвы, доставленном на землю экипажем «Аполло-14» в 1971
году. Такие зерна образуются при сильном локальном повышении температуры, вызванном ударом метеорита, кометы или астероида о лунную поверхность. Измерив концентрацию радиоактивного изотопа аргона в этих зернах
(относительно его устойчивого изотопа) и зная скорость радиоактивного распада аргона, эти исследователи определили возраст каждого зерна. Это позволило
им оценить, сколько таких зерен появилось в те или иные периоды истории Луны, иными словами – какова была частота бомбардировок Луны в те или иные
эпохи.
Оказалось, что Луна претерпела в прошлом два периода особенно интенсивной метеорной бомбардировки. Одно повышение этой активности пришлось
89
на период с 4,0 до 3,0 миллиардов лет назад {с пиком 3,2 миллиарда лет назад),
когда средняя частота катастрофических ударов была вдвое больше, чем между
2,0 и 0,5 миллиарда лет назад, а второй период бомбардировок, причем той же
интенсивности, что и первый, начался около 500 миллионов лет назад и тянется
до сих пор. Подготовленные предыдущим рассказом, мы теперь уже не затруднимся опознать обе даты. Первый период, понятно, совпадает (примерно) с тем
временем, к которому современная наука относит (примерно) возникновение
жизни на Земле, а второй (тоже весьма примерно) – со временем Кембрийского
взрыва. Поскольку Луна находится в достаточно тесной (по космическим масштабам) близости к Земле, можно думать, что и Земля испытывала усиление
метеоритной бомбардировки в те же периоды. Отсюда следует странное (на
первый взгляд, даже весьма странное) заключение: оба ключевых события биологической эволюции – возникновение жизни как таковой и самое бурное в истории возникновение ее новых форм – происходили как раз тогда, когда бомбардировка Земли небесными телами была особенно сильной. Странно это выглядит по той причине, что, с точки зрения здравого смысла, такая бомбардировка должна была бы как будто приводить к прямо противоположному результату – уничтожению появляющихся или уже появившихся форм жизни.
Как же объясняют свой результат профессор Мюллер и его коллеги?
По их мнению, катастрофы, вызванные на Земле ударами падавших на нее
небесных тел, играли не отрицательную, а благотворную роль в становлении и
развитии жизни. Простейшие живые формы, считает профессор Мюллер, могли
появляться в промежутках между такими катастрофами, а сами эти катастрофы
служили своего рода «фильтром», пропускавшим (для дальнейшего развития)
только самые приспособленные из этих форм. «Когда речь идет о выживании
самых приспособленных, – говорит Мюллер, – имеется в виду не только способность конкурировать с другими видами, но и способность выжить в условиях общепланетарного катаклизма. Это требует высшей сложности и гибкости».
Один из сотрудников Мюллера добавляет к этому, что усиленная бомбардировка Земли небесными обломками была благотворной еще и потому, что эти обломки приносили на поверхность планеты новые вещества – и значит, возможности для более быстрого развития жизни, – отсюда и совпадение Кембрийского взрыва со вторым пиком метеорной активности. «Мы привыкли считать, что
метеоритные удары вредны для развития жизни, но теперь это уже не так очевидно».
Нельзя сказать, что эти рассуждения так уж убедительны, но это еще не
конец. Дальше идет самое интересное (или «безумное» – кто как сочтет). По
убеждению Мюллера, все эти периодические всплески метеорной активности
вызваны одной общей причиной. По Мюллеру, наше Солнце имеет невидимого
спутника – тоже звезду, но слабую и очень далеко расположенную, которая совершает один оборот вокруг нашего светила каждые 26 миллионов лет. Мюллер назвал эту звезду Немезидой – по имени греческой богини мести, так как
считает, что каждое ее приближение к Солнцу приводит к возмущению кометных и астероидных орбит и в результате – к увеличению частоты катастрофических соударений планет с этими небесными обломками. Каждое такое круп90
ное соударение, по Мюллеру, может вызвать изменение наклона земной оси с
последующим изменением земного климата (который поэтому многократно
менялся на протяжении земной истории), а особенно сильные воздействия
Немезиды на Солнечную систему приводят к обнаруженным сейчас группой
Мюллера длительным всплескам метеорной активности, влияющим на развитие
жизни на Земле. Теория эта пока остается качественной, «на пальцах», и законченное сейчас исследование лунного грунта и было предпринято, собственно,
для того, чтобы доказать существование 2б-миллионолетнего цикла метеорной
активности, вызванного гипотетической Немезидой. Однако вместо цикла, как
видим, были обнаружены лишь два всплеска, к тому же весьма длительной (в
сотни миллионов лет) протяженности. Тем не менее Мюллер видит в этом косвенное подтверждение своей идеи.
Так как же – является она «безумной» или нет?
Рождение клетки
Когда и как ни возникла бы жизнь на Земле и какое бы отношение к ней ни
имели всякие космические факторы, все имеющиеся данные показывают, что
вначале земная жизнь была весьма примитивной – множество «живых молекул», заполнявших воды земных океанов.
Конечно, появление этих первых «живых молекул» было огромным, поистине революционным шагом в истории Земли, но остановись жизнь
на этом, мы бы с вами сейчас не существовали. Тому, что мы существуем, мы
обязаны следующему важнейшему шагу в эволюции жизни, и шагом этим было, как легко понять, приобретение «живыми молекулами» защитной оболочки,
иными словами – появление первых живых клеток. И это тоже был не просто
следующий, а воистину кардинальный шаг. С одной стороны, «живые молекулы» отгораживались этим от опасных воздействий окружающей среды. С другой, они раз и навсегда избавлялись от «молекулярного паразитизма» себе подобных. «Что это такое?» – спросите вы, А вот что.
Представьте себе нашу «живую молекулу», что называется, «на воле», то
есть без защитной оболочки. Представьте себе, что в результате какой-то счастливой случайности она приобрела такое изменение (мутацию), благодаря которой стала способной производить какой-то выгодный для себя белок – например, помогающий ей извлекать пищу из окружающей среды. И что же? Поскольку она ничем не отгорожена ог своих соседок, те могут запросто воспользоваться этим белком, как своим, оставив нашу молекулу, что называется, не
91
солоно хлебавши. Если же молекула будет заключена в оболочку, все результаты ее деятельности, все блага полезных мутаций в ней будут принадлежать
только ей, оставаясь недоступными для других молекул, и, стало быть, эти мутации будут давать немедленное и явное преимущество в выживании только
этой молекуле. Так что приобретение защитной оболочки выгодно вдвойне –
она защищает нашу молекулу не только от окружающей среды, но и от соседокпаразитов. Это считается главным стимулом, который способствовал эволюции
жизни, ибо, укрывшись внутри такой оболочки, первичные
«живые молекулы» получали возможность в полной мере проявить свою
способность изменяться, развиваться и усложняться, и естественный отбор способствовал только тем из них, которые менялись в сторону лучшего приспособления к требованиям выживания.
Но тут неизбежно возникает вопрос: а как все это происходило «на самом
деле»? Неужто первые «живые молекулы» сами создавали себе такие защитные
оболочки – или же эти оболочки каким-то образом складывались сами собой, а
потом «живые молекулы» в них внедрялись? А если внедрялись, то на каком
этапе своего развития и как? К ответу на эти вопросы можно идти двумя путями – «сверху вниз» и «снизу вверх», посредством постепенного упрощения или
с помощью постепенного усложнения. В первом случае исследователи последовательно отщепляют от реального живого микроорганизма один за другим
все его «лишние» гены, чтобы, идя против хода естественной эволюции, постепенно дойти от нынешней сложной клетки до клетки с минимальным числом
генов, которая еще способна функционировать как живая. Идя этим путем,
американский биолог Хатчисон еще в 1999 году пришел к выводу, что минимальное число генов, необходимое для жизни, составляет 200-250 штук. (В
2006 году были открыты бактерии с несколько меньшим числом генов, но оказалось, что эти простейшие организмы не все жизненные функции выполняют
сами – часть необходимых им для жизни веществ они получают от более сложных клеток, с которыми живут в симбиозе.)
На пути «снизу вверх» биологи идут по ходу эволюции и пытаются искусственно создать простейшую живую клетку, соединяя ее важнейшие составные
части. Для этого они синтезируют пустую клеточную оболочку (мембрану), а
затем последовательно «начиняют» ее все более сложным набором синтезированных в пробирке генетических
молекул и белков, чтобы постепенно прийти к такому простейшему микроорганизму, который вдруг начнет вести себя, как живой. Процесс создания
такой «искусственной клетки» очень сложен. Даже синтез пустой оболочки
требует детального знания ее состава. Изучая оболочки реальных живых клеток, биологи установили, что они двуслойны и каждый их слой сложен из похожих на гантели молекул; на одном конце такой молекулы-гантели находится
фосфорная химическая группа, а на другом – липидная. Липиды, как всякий
жир, не любят воду и избегают соприкосновений с ней. Напротив, фосфорные
группы тянутся к воде и образуют с ее молекулами взаимовыгодные химические связи. Казалось бы, молекулам-спичкам достаточно расположиться в виде
пустой сферы, повернувшись фосфорной группой к воде, окружающей клетку,
92
а липидной – внутрь клетки, – и все – оболочка готова. Но не тут-то было! Беда
в том, что протоплазма, то есть содержимое клетки, тоже содержит воду. Поэтому оболочки реальных клеток состоят не из одного, а из двух слоев «спичек», и этот хитрый трюк природы позволяет расположить фосфорные группы
обоих слоев наружу, к воде и к протоплазме, а липидные группы – друг к другу,
спрятав их таким образом от соприкосновения с водой.
На самом деле оболочки реальных живых клеток имеют, конечно, более
сложное строение – в них существуют поры, через которые внутрь проникают
молекулы питательных и прочих нужных веществ, на их поверхности торчат
специальные молекулы-сигнализаторы (они называются «рецепторами»), с помощью которых клетка получает снаружи сигналы от других клеток, и так далее. Биологи пока не могут воссоздать всю эту сложность, поэтому они работают с упрощенными моделями, именуя их «протоклетками». Важный шаг в
создании таких протоклеток сделал уже упоминавшийся нами выше американский
биолог Джек Шостак. Он сумел синтезировать такие молекулы жиров, которые способны сами собой собираться в двухслойные пустые оболочки. Более
того – эти его оболочки способны сами собой расти, делиться и размножаться.
Оказалось, что такие молекулы могут сами собой сложиться в тех химических
условиях, которые существовали на ранней Земле. Это означает, что пустые
клеточные оболочки вполне могли возникнуть параллельно с возникновением
первых «живых молекул» и независимо от них. Иными словами, обе составные
части будущей первой клетки – пустая оболочка из молекул жиров и ее начинка
из «живых молекул» – вполне могли найти друг друга в первобытном океане и
образовать простейшую клетку. Шостак подтвердил это в опыте: он ввел в синтезированную им пустую оболочку молекулу, обладающую простейшими свойствами «живой» (так называемую «рибозому», которая способна сама себя
расщеплять), и показал, что эта молекула вполне «уживается» с оболочкой и
сохраняет внутри нее такую же химическую активность, как и «на свободе».
Тем самым он показал, что определенный вид РНК-молекулы (в данном случае
«рибозома») в сочетании с простейшим видом оболочки (в данном случае чисто
жировой) могут соединяться, образуя искусственное подобие живой клетки,
обладающей определенным подобием метаболизма.
Но молекулы жиров – не единственный материал, из которого природа
могла строить первые пустые клеточные оболочки. Не так давно была выдвинута другая гипотеза, согласно которой такие оболочки могли также складываться из молекул аминокислот, то есть составных частей белков. Было показано, что при достаточно высокой температуре такие молекулы склеиваются друг
с другом в длинные цепочки, которые затем – тоже сами собой – сворачиваются
в пустые микросферы. Это происходит потому, что молекулы аминокислот тоже имеют на одном конце
участок, избегающий соприкосновения с водой, а свернувшись в сферу,
они эти концы могут упрятать внутрь. Оказалось, что если к раствору таких молекул добавить фосфор, то процесс этот идет даже при вполне «домашней»
температуре – около 70 градусов, так что он вполне мог происходить сам собой
93
и на первобытной Земле. Интересно, что такие «протеноидные» микросферы
обладают несколькими свойствами настоящих клеточных оболочек – например,
ростом и делением – и, стало быть, тоже могли быть предшественниками оболочек реальных живых клеток.
Любопытное предположение насчет того, как могли возникать первые клеточные оболочки, высказал в своей книге «Клетка, или эволюция первых организмов» биофизик Джозеф Панно. По его мнению, первые клеточные оболочки
могли складываться за счет бурных явлений на мелководных берегах океанов.
Эти берега, говорит Панно, были гигантской лабораторией природы, где она
неустанно проводила свои эксперименты по созданию первых клеток. Перемешивание воды при набегании на берег вело к образованию множества мельчайших пузырьков. Чисто водяные пузырьки лопались весьма быстро, но поскольку ветры гнали к берегу все, что плавало в океане, в том числе и знакомые
нам уже молекулы спонтанно образовавшихся фосфолипидов, то из них могли
возникать маслянистые пузырьки, сохранявшиеся достаточно долго. За это
время внутрь отдельных таких пузырьков могли попасть молекулы белков или
других «живых молекул», которые усиливали устойчивость пузырька. Благодаря этому возникало изолированное временное убежище, где могли происходить
новые биохимические реакции и создаваться новые вещества. Когда, наконец,
такой пузырек все же лопался, результаты этих биохимических экспериментов
выплескивались наружу и входили в состав окружающей среды, которая благодаря этому непрерывно обогащалась все новыми и все более сложными веществами. Со временем эти вещества, в свою очередь, становились содержимым
новых пузырьков, делая их еще более устойчивыми, и так постепенно эти протоклетки усложнялись и эволюционировали.
Как видите, все эти сценарии исходят из одного и того же предположения,
что первые спонтанно образовавшиеся «живые молекулы» активно соединялись с первыми тоже спонтанно образовавшимися пустыми оболочками. Но что
могло подтолкнуть обе стороны к такому объединению? Понятно, что оно могло быть просто результатом счастливой случайности (например, одна из «живых молекул» случайно приобрела способность производить какой-то белок,
который помогал ей прикрепляться к пустой оболочке и затем входить в нее), а
могло быть продиктовано взаимной выгодой (если, например, при таком объединении выигрывалась какая-то энергия или увеличивалась устойчивость системы в целом).
Чтобы выяснить, какой из двух вариантов справедлив, одна из сотрудниц
Шостака, американка Ирена Чен, недавно провела специальное исследование.
Она поместила в пробирку множество пустых жировых оболочек и такое же
множество оболочек, в которых уже содержались «живые молекулы» (в ее опытах это были; молекулы РНК). В оба эти вида оболочек были внесены радиоактивные «метки», которые позволяли следить за каждым пузырьком. Оказалось,
что оболочки, в которых содержалась РНК, жадно похищают целые куски пустых оболочек. Чен удалось выяснить, в чем причина такого хищнического поведения протоклеток. Оказалось, что в оболочке, содержащей молекулу РНК,
внутреннее давление становится несколько выше, чем в пустой оболочке, и это
94
энергетически невыгодно. Чтобы снизить это давление, протоклетка должна
увеличить свою поверхность, а сделать это ей легче всего, «украв» кусок готовой оболочки у пустого пузырька. Иными словами, обретя содержимое («живую молекулу»),
оболочка обретала побуждение к более быстрому росту. А поскольку такой рост происходил за счет пустых оболочек, то в «борьбе за жизнь» наполненные протоклетки получали больше шансов, чем пустые. Получается, что
объединение пустой оболочки с «живой молекулой» отнюдь не требует какойлибо счастливой случайности – достаточно самого наличия свободных молекул
и пустых оболочек, чтобы их соединение в наполненную протоклетку оказалось
выгодным им обоим.
Во втором эксперименте Чен показала, как рост наполненной оболочки
может способствовать совершенствованию клетки в целом. Когда она помещала жировые пузырьки в питательную среду из жирных молекул, они начинали
расти за счет присоединения новых молекул жира из среды, и в результате такого бурного роста в оболочке запасалась дополнительная энергия, которая затем могла передаваться находящейся внутри молекуле РНК. А благодаря поступлению дополнительной энергии эта молекула получала возможность расширить круг своих биохимических реакций, что, в свою очередь, повышало вероятность набрести на какие-то новые усовершенствования. Вот так, без всякой
посторонней помощи, за счет одной лишь кооперации «живых молекул» с их
оболочками и самых зачаточных форм дарвиновской эволюции, клеточная
форма жизни начинает перевешивать более простые ее формы (плавающие по
отдельности «живые молекулы» и пустые оболочки). «Взаимовыгодная кооперация плюс дарвиновская конкуренция, – заключает Чен, – сильно облегчают
очередной фундаментальный шаг в эволюции жизни – переход от «голых» живых молекул к настоящим клеткам».
Фундаментальность этого шага понятна. Ведь первые же клетки немедленно стали новой лабораторией природы, в которой она могла – теперь уже с
намного большей эффективностью – осуществлять свои «слепые», случайные,
основанные на методе проб и ошибок эксперименты по усовершенствованию и
отлаживанию жизненных процессов.
О том, насколько совершенными оказались в итоге ее творения, свидетельствует тот факт, что уже первые созданные таким путем живые организмы – одноклеточные бактерии – оставались неизменными на протяжении последующих миллиардов лет, хотя сама Земля пережила за это время неоднократные катаклизмы. Эти первые простейшие формы жизни существуют по
сию пору и, возможно, переживут все другие, более поздние формы жизни,
включая род человеческий. Но эта их высочайшая выживаемость является, конечно, следствием их простоты. Чтобы породить более сложные формы, жизнь,
конечно, должна была стать многоклеточной, а для этого она должна была сначала породить новый, более гибкий и способный к развитию вид клеток – тех, у
которых генетические молекулы, этот носитель изменчивости и наследственности, укрыт в отдельное внутреннее ядро. Но история появления таких клеток
требует, пожалуй, отдельного рассказа.
95
Фантастическое путешествие
Давным-давно в Голливуде был поставлен занятный фильм под названием
«Фантастическое путешествие». Сценарий его написал знаменитый американский фантаст Азимов. Позже в том же Голливуде этот фильм переделали с учетом подъема уровня кинотехники и падения вкусов зрителя. В обоих случаях
речь шла о путешествии многократно уменьшенного героя в многократно
уменьшенном батискафе внутрь человеческого тела. Там он переживал волнующие приключения, побеждал злобных противников (тоже уменьшенных вместе с их батискафом), выполнял придуманную сценаристом задачу и спасал человечество. Или что-то в этом роде. Обязательный поцелуй в диафрагму тоже
наличествовал. Одно слово – великий Голливуд.
Самым скучным в обоих фильмах, как ни странно, был показ человеческого нутра. Герой мчался по каким-то грозным кроваво-красным туннелям,
низвергался по грохочущим водопадам то ли в желчный, то ли в мочевой пузырь, искал выхода из лабиринта розовато шевелящихся кишок – и все это вместе было подлинным торжеством Трюка и Эффекта. А между тем попробуй
сценарист и режиссер всерьез показать на экране нутро даже не всего человеческого тела, а хотя бы одной-единственной настоящей живой клетки, фильм стал
бы фантастической классикой всех времен и народов.
Помню свое первое впечатление от романа Станислава Лема «Эдем», в котором герои, оказавшись на некой планете, выходят на высокое плато, и перед
ними открывается город инопланетян. Это было впечатление от чего-то грандиозного в своей продуманной сложности и осмысленном движении. Уменьшенный человек (разумеется, при условии, что он способен был бы видеть
микроскопически, а мыслить – макроскопически), попав в живую клетку, был
бы, наверно, потрясен еще больше. Перед ним, сколько видно глазу, расстилались бы бесконечные индустриальные районы с высящимися зданиями фабрик
и движущимися повсюду громадными и сложными агрегатами, совершающими
непонятные, но явно разумные действия, плыли бы над головой тысячи какихто огромных машин, на ходу меняющих формы, словно выполняя фигуры какого-то грациозного танца, а вокруг тянулась бы паутина уходящих в бескрайнюю
даль дорог, по которым мчались бы во всех направлениях поезда с грузами... и
во всем этом ощущалась бы грандиозная мощь и непостижимый разум фантастически развитой технологии.
Но если бы такой путешественник продолжил свое движение внутрь открывшегося ему оазиса чужой цивилизации, его ожидало бы еще большее потрясение, потому что в какой-то момент он вдруг увидел бы высоко над головой что-то вроде того гигантского космического корабля, который накрывает
собой весь Нью-Йорк в фильме «День Независимости»: чудовищный, медленно
вращающийся шар, ощерившийся во все стороны тысячами жерл, изрыгающий
из себя во всех направлениях мириады юрких маленьких машин непонятного
назначения – явное средоточие, центр, сердце всей этой невероятной цивилизации, апофеоз ее высокоорганизованной сложности. То было бы клеточное ядро.
96
Никто не знает, когда и как появилось в клетке ее ядро. Известно лишь, что
у самых древних микроорганизмов – у бактерий – его не было и нет. Такие простые, безъядерные организмы биологи, как уже говорилось, называют «прокариотами». Клетки с ядром они называют «эукариотами». Клетки нашего организма – эукариоты, а вот живущие в нашем организме клетки кишечной палочки – прокариоты. Между теми и другими пролегла резкая граница, тем не менее
очевидно, что они связаны какой-то преемственностью. Несколько лет назад на
очередной международной конференции по биологии клетки в центре обсуждения стоял как раз вопрос об этой преемственности, то есть о происхождении
клеточного ядра. Выяснилось, что единого мнения по этому вопросу нет. Один
лагерь отстаивал мнение, что ядро появилось в результате слияния двух прокариотных микроорганизмов: тот, что побольше, стал клеткой, а тот, что поменьше, – ее ядром. Другие участники утверждали, что нечто похожее на зачаточное
ядро можно увидеть уже у некоторых бактерий, – следовательно, ядро развилось постепенно, без всяких драматических «слияний». Третьи выдвигали совсем уж безумную идею, что ядро – это некогда вторгшийся в клетку, а позднее
переродившийся вирус. Одно было ясно: какие-то усложнения организации
намечались уже у далеких предшественников нынешних эукариотов, какие-то
внутренние структуры в них действительно
зарождались, какие-то новые гены появлялись. Но понять, как это все вылилось впоследствии в появлении ядра, никак не удавалось.
Однако задача эта увлекает, потому что ядро занимает центральное место в
жизни клетки. Это гигантская (по клеточным масштабам) сфера, образованная
двойным слоем жировых молекул, в котором торчат тысячи и тысячи изощренно устроенных белковых молекул, образующих сквозные поры в жировой оболочке. Эти поры «дышат», то закрываясь, то открываясь по надобности и пропуская внутрь ядра или наружу из него всевозможные молекулы, необходимые
для жизнедеятельности клетки. Подобно какому-нибудь фантастическому космическому кораблю, вся эта сфера медленно вращается, и, подобно тому же кораблю, она заполнена тысячами сложнейших механизмов и в ней совершаются
тысячи сложнейших процессов. Присмотревшись, однако, можно понять, что
вся эта невообразимо запутанная жизнь концентрируется вокруг нескольких
десятков палочкообразных образований, потому что именно к ним и от них
направлено все движение в ядре. Эти «палочки» – так называемые «хромосомы». Каждая из них представляет собой отдельную, специальным образом
свернутую молекулу ДНК, несущую в себе драгоценные гены, и все, что происходит в ядре, так или иначе связано с работой этих генов: вон там подтаскивают небольшие химические звенья – нуклеотиды для постройки огромной молекулы-программы, по которой будет строиться какой-то нужный клетке белок; а
здесь вот какие-то белки разрезают, перестраивают и заново сшивают уже построенную молекулу-программу перед тем, как она «сойдет со стапелей»; а там
вот другая, уже полностью готовая программа торжественно плывет «на выход», к порам; тут несколько белковых молекул-«трудяг» кропотливо чинят какое-то неисправное место в хромосоме; а в стороне возводят какую-то громоздкую конструкцию – молекулы, которые потом вывезут из ядра в протоплазму,
97
чтобы там строить из них все новые и новые «рибосомы» – эти фабрики по
производству клеточных белков.
В бактериях все это происходит прямо в протоплазме, там нет этой двойной жировой границы. Здесь она есть, и это крайне важно: отделяя место работы генов от всех прочих жизненных процессов, она позволяет осуществлять более эффективный контроль за такими процессами. Понятно, что это дает клетке
с ядром определенное эволюционное преимущество перед безъядерной клеткой-прокариотом. И точно так же понятно, что происхождение такого преимущества весьма интересует биологов-эволюционистов. Как мы уже видели,
большинство из них полагает, что эука-риоты каким-то образом развились из
прокариотов, то есть из бактерий. Есть, однако, еще одна школа, которая выдвигает радикально иное суждение: это эукариоты появились первыми, но затем некоторые из них деградировали, утратили ядро и превратились в прокариоты. (Такие «теории деградации» – не редкость в эволюционной биологии; существует даже гипотеза, что шимпанзе – это деградировавшие Гомо сапиенс.)
Однако, в 1971 году американский микробиолог Карл Везе сделал открытие,
усложнившее общую картину. Везе обнаружил, что так называемые «бактерии»
в действительности содержат два разных класса простейших существ – собственно бактерии и так называемые археи, появившиеся несколько позже бактерий (около 2 миллиардов лет назад) и более близкие к эукариотам. Естественно, сразу же возникло предположение, что эукариоты «развились» не из
бактерий, а из архей. На это указывало и сходство некоторых генов у эукариотов и нынешних метанопроизводящих архей. Но проведенный недавно полный
анализ генов бактерий и архей показал, что на самом деле эукариоты содержат
в себе не один, а два вида генов – не только происходящие из архей, но и происходящие из бактерий. Причем «архейные» гены заняты в основном обслуживанием самих себя и всех других генов, а «бактериальные» работают на обмен
веществ в клетке и соблюдение в ней «чистоты и порядка». Это «разделение
труда» наводило на мысль, что эукариоты возникли из древнего симбиоза
слившихся воедино бактерии и археи, причем первая стала собственно клеткой,
а вторая – ее ядром, содержащим генетические молекулы. Такую гипотезу развивают, например, французские биологи Морейра и Лопец-Гарсиа. По их мнению, все началось с того, что какая-то древняя, питавшаяся метаном архея поселилась внутри какой-то древней бактерии. Бактерия согласилась на это, потому что белки археи улучшали ее (бактерии) обмен веществ, а архее такое сожительство было выгодно потому, что бактерия давала нужный ей для питания
водород.
Наследниками тех архей, которые первыми поселились в бактериях, авторы считают упомянутые выше современные метанопроизводящие археи – их
роднит с нынешними эукариотами наличие особых белков-гистонов, которых
нет у бактерий. Что же до тех первых бактерий, в которых поселились археи,
то, по мнению авторов, они должны были быть похожи на тот вид современных
бактерий, которые называются «микобактерии», потому что именно микобактерии, подобно нынешним эукариотам, обладают способностью обмениваться
сигналами с себе подобными, причем роль сигнальных молекул при этом игра98
ют те же молекулы, которые выполняют эту роль и у современных эукариотов.
Кроме того, клетки микобактерии способны образовывать многоклеточные
комплексы с себе подобными, и это тоже роднит их с эукариотами.
Совсем другую историю клеточной эволюции рисует австралийский микробиолог Фюрст. Он считает, что первые эукариоты появились одновременно с
разделением первичных микроорганизмов на археи и бактерии или даже раньше этого. По его мнению, они напоминали недавно открытые микробы, названные планктомицетами.
Эти одноклеточные микроорганизмы обладают довольно гибкими
внутренними мембранами, а в 2001 году в клетках одного из видов планктомицет было замечено что-то вроде внутренней двойной мембраны, окружающей ДНК, то есть «зародыш ядра». Эта мембрана состоит из отдельных частей,
между которыми имеются просветы, демонстрирующие, как могли образоваться нынешние ядерные поры. Наличие подобия ядра у бактерий говорит, по
мнению Фюрста, о том, что ядро появилось много раньше и бактерий, и самих
эукариотов. Возможно, считает Фюрст, уже первый, по-настоящему «живой»
микроорганизм, этот Последний Универсальный Общий Предок (ПУОП) и бактерий, и архей, и эукаритов, уже имел подобие ядра, только у бактерий и архей
оно позднее отмерло.
Но некоторые микробиологи в этом месте говорят: если уж мы дошли до
«общего предка», то следует напомнить, что еще более простыми, нежели архей, бактерии и эукариоты, биологическими образованиями были... вирусы. И
стоит обратить внимание на тот факт, что вирусы по своему строению весьма
похожи на клеточные ядра, если бы последние существовали самостоятельно, –
та же оболочка, внутри которой содержатся генетические молекулы. Почему бы
не предположить, что древнейшие вирусы обладали способностью самостоятельного размножения, но затем «обнаружили», что сосуществование с клеточными формами жизни для них выгоднее, поскольку клетки могут поставлять им
готовую пищу (у самих вирусов нет всех необходимых для этого механизмов)?
Поэтому они внедрились в клетку, став ее ядром, а клетке это тоже оказалось
выгодным, так как принесло много новых и полезных генов, сразу подбросив
клетку на более высокий уровень развития и совершенства. Вирус же, взамен за
готовую пищу, отказался от саморазмножения и стал пользоваться для этого
механизмами клетки. Так могли возникнуть и современные эукариоты, и современные, неспособные размножаться вне клетки-хозяина, вирусы. В итоге мы
получаем еще одно из трех упомянутых в начале возможных объяснений происхождения клеточного ядра. Увлекательные гипотезы, ничего не скажешь.
Как в природе появился секс?
Когда это произошло, неизвестно, но, создав эукариоты, жизнь вскоре (и
так же случайно) набрела на еще один важный способ совершенствования своих творений. Этим способом было сексуальное размножение. Ведь понятно,
что, соединяя два разных организма – мужской и женский, природа получала
потомка, в котором смешивались гены обоих родителей, а значит, было больше
99
разнообразия, больше возможностей для появления чего-то нового и более приспособленного. (Конечно, могло появиться и такое новое, которое было куда
хуже старого, – ну, что ж, тогда природа его безжалостно уничтожала, ей не
впервой!)
Однако чтобы приготовить жаркое, сначала нужно иметь мясо. Чтобы соединить мужской и женский организм для образования их общего потомка,
нужно сначала иметь существа разных полов. Как же это произошло? Как появились на свете первые «мужчины» и «женщины»? Вопрос заковыристый, и
прежде чем переходить к ответу, я хотел бы поделиться одним забавным
наблюдением. Может показаться, что оно не имеет отношения к делу, но вы
увидите, что имеет, поэтому потерпите.
Итак, наблюдение. Обращали ли вы когда-нибудь внимание на такую
странную закономерность: в новейшей (после Октябрьской революции) истории России имело место весьма любопытное чередование лысых и волосатых
вождей? В самом деле, посмотрите: за истекшие 90 лет бразды правления поочередно переходили от Ленина (лысый) к Сталину (волосатый), затем к Хрущеву (лысоватый), от него к Брежневу (волосатый), далее к Андропову (лысоватый), затем к Черненко(волосатый), потом к Горбачеву (явно с лысиной), отсюда к Ельцину (волосатый) и, наконец, к Путину (редковолосый до лысоватости). Но еще интересней, что приблизительно в той же последовательности чередовались и политические характеры упомянутых вождей: лысые были по
преимуществу реформаторы, тогда как сменявшие их волосатые более склонны
были к реакционности или консерватизму (лишь в последней паре это соотношение поменялось).
Это не мое наблюдение. Я взял его из книги известного английского биолога Стива Джонса. Английский автор завершает этот лысоволосый обзор российской истории словами; «Воистину, можно подумать, что вся история советской России управлялась тестостероном». А тестостерон, как вам, может быть,
известно, – это мужской половой гормон (хотя он играет важную роль и в жизни женщин тоже), и это он, в частности, виноват в повышенной волосатости
мужчин. Однако сам тестостерон вырабатывается в организме под воздействием белков, производимых по инструкциям особого гена (он обозначается латинскими буквами SRY), который находится на мужской половой хромосоме
(об этих хромосомах мы уже говорили раньше, когда рассказывали о появлении
у клеток ядра). Так что, в конечном счете, вывод Стива Джонса сводится к
утверждению о том, что российская политическая история последнего века
управлялась именно этой мужской половой хромосомой, которую только в
микроскоп и увидишь.
Об этой хромосоме и принесенных ею человеческому роду сомнительных
благах и неисчислимых бедствиях написано воистину колоссальное количество
книг (одна из которых, как видите, принадлежит Стиву Джонсу, а почти четверть остальных принадлежат авторам женского пола), и еще больше статей –
научных и не очень. В одной из таких статей второго рода рассказывалось, в
частности, о страшной судьбе, ожидающей упомянутую мужскую половую
хромосому и лежащий на ней «ген самцовости», как изящно именовал автор
100
статьи пресловутый ген SRY. Ужас этой судьбы состоит в том, что в самое
ближайшее время этот ген по разным причинам должен окончательно исчезнуть и тогда с мужским родом, на радость феминисткам, будет полностью покончено. Надо заметить, что срок, отпущенный мужчинам теми учеными, которых цитирует автор упомянутой статьи, на удивление щедрый – целых десять
миллионов лет. Но некоторые известные мне специалисты куда более суровы:
по их мнению, мужчинам осталось повелевать обществом не более пяти миллионов лет, то есть вдвое меньше. Понятно, однако, что на наш век в любом случае, как говорится, хватит. И потому мы, мужики, можем позволить себе этакое
вялое, ленивое шевеление типа чистого «любопытства ради любопытства»: ну,
хорошо, через пять или там десять миллионов лет мы типа вымрем от мутаций
и бабы опять возьмут верх со своим партеногенезом; а когда и как мы, мужики,
как бы впервые появились? Не то чтобы это нам было так уж важно, но, согласитесь, перед кончиной каждый настоящий «сапиенс», говорят, бегло озирает
всю свою предшествующую жизнь.
Так вот, оглядим всю нашу предшествующую жизнь – все, так сказать, четыре или сколько там миллиардов лет земной истории, в течение которых существует на Земле жизнь. Оглядим и увидим – оказывается, разделение полов
далеко не всегда существовало. Достаточно вспомнить, что свои первые пару
миллиардов лет жизнь на Земле, как мы только что рассказывали, прошла в виде одноклеточных бактерий, которые были, есть и будут совершенно бесполыми (хотя подобие или, если угодно, намек на половые сношения имеется уже и
у них).
Упоминавшийся выше Стив Джонс рисует это появление двух полов следующим ярким научно-популярным образом. Первые миллиарды лет жизнь обходилась без мужчин, проводя время в виде одиночных клеток в теплых мелких
прудах. Затем в одном таком древнем и бесполом раю произошло грехопадение
– было надкушено яблоко с древа сексуального познания. Иными (научными)
словами говоря, в генах каких-то бактерий произошло какое-то очередное случайное изменение, очередная мутация, изменился какой-то ген – и это изменение стало побуждать клетки, обладавшие таким изменившимся геном, сливаться, или, грубо говоря, «спариваться» с другими клетками, которые таким геном
не обладали. А войдя в эти ни в чем не повинные клетки, эти «интервенты» с их
изменившимся геном побуждали своих хозяек к делению. В результате получались уже две клетки, имеющие «ген интервенции», и теперь обе они «ощущали
потребность» к вторжению в следующие невинные клетки.
Эта агрессивная стратегия, легко понять, была крайне выгодна «гену интервенции» – ведь таким манером скорость его распространения на Земле удваивалась и удваивалась. Но тем клеткам, в которые вторгался этот ген, она
должна была казаться куда менее привлекательной. Ведь отныне они должны
были воспроизводить не только свои собственные гены, но также гены вторгшейся клетки. А кому хочется работать на чужого дядю? В результате, говорит
Джонс, могло произойти так, что первичные, бесполые клетки разделились на
две фракции: одна («интервенты») была «за» слияние с другими клетками, а
другая – «против» слияния, и каждая из них стала пытаться навязать другой
101
свою, выгодную ей стратегию выживания. Так родились половые различия, а с
ними – и секс.
Поскольку цели двух полов изначально были различны: одни «хотели»
сливаться, а другие защищались от этого, – развитие двух этих видов клеток
неизбежно шло в разном направлении. Среди обоих видов первоначально были
и большие, и маленькие по размеру клетки. Но ясно, что большой клетке легче
пережить «интервенцию» чужака: у них больше запас продуктов – хватит и на
чужого. И чем они больше, тем им легче. Конечно, чем они больше, тем больше
им требуется энергии, но зато им проще делиться, потому что в них, опять же,
накоплен большой запас необходимых для жизни продуктов. Поэтому среди
«жертв интервенции» должно было постепенно возрастать число больших клеток. Среди «интервентов» же ситуация была обратная. Им выгоднее было становиться поменьше, потому что их задача – любой ценой прорваться в клетку«жертву» – не умением, так числом. Но маленькие клетки не могут позволить
себе часто делиться – их запас ресурсов слишком мал для этого. Поэтому их
главный шанс на воспроизведение своих генов состоит как раз в слиянии с
большими клетками. А чтобы обеспечить достаточную частоту таких слияний,
маленьких клеток-«агрессоров» должно было быть много и они должны были
достаточно быстро двигаться в поисках потенциальных «жертв». Таким образом, в стремлении к гарантированному генетическому будущему один вид клеток должен был эволюционировать в сторону все меньших размеров и все
большей скорости передвижения, а другой вид – в сторону накопления все
большего количества жизненных ресурсов и увеличению размеров. Так появились нынешние мужские и женские половые клетки (сперматозоиды и яйцеклетки) в их всем знакомом, несопоставимом по размерам виде.
Другую попытку указать возможный механизм появления первых половых
клеток предпринял недавно Крис Базине из университета св. Иоанна в НьюЙорке. Согласно его гипотезе, этот процесс был тесно связан с образованием
нынешних митохондрий. Митохондрии – это небольшие образования, существующие внутри всех эукариотных клеток. Главная функция митохондрий состоит в обеспечении клеток энергией, необходимой для различных процессов
жизнедеятельности. В каждой клетке их насчитываются тысячи. Любопытно,
что митохондрии есть и в женской половой клетке (яйцеклетке), но они практически отсутствуют в мужской (то есть в сперматозоиде). Здесь они сосредоточены лишь возле «хвоста» – того подвижного жгутика, с помощью которого
сперматозоид движется (этому жгутику нужны, понятно, источники энергии) и
который отбрасывается (вместе с его митохондриями), когда сперматозоид завершает свой путь, достигает яйцеклетки и начинает проникать в нее. Биологи
давно уже обратили внимание на две необычные особенности митохондрий,
напрочь отсутствующие у прочих клеточных частиц, – наличие в них собственных генов и двойную оболочку. Правда, генов в митохондриях очень мало – несколько десятков (в клеточном ядре – десятки тысяч), но в других органеллах
генов нет вообще. Двойная оболочка тоже загадочна, потому что у других органелл оболочки тоже нет вообще или только одна.
Еще в XIX веке некоторые биологи, пытаясь объяснить эти странные от102
личия митохондрий, высказали мысль, что все митохондрии – остаток каких-то
бактерий, некогда внедрившихся в клетки. В наше время эту гипотезу воскресила Линн Маргулис. По ее мнению, широко принятому сегодня в биологии,
еще во времена, предшествовавшие появлению нынешних (так называемых эукариотных) клеток с их обособленным ядром, – в те далекие времена, то есть от
2 миллиардов до 700 миллионов лет назад, какой-то вид небольших прокариотных (безъядерных) бактерий приобрел в результате мутаций способность внедряться в другие, тоже прокариотные клетки, только значительно большего размера. В результате длительной борьбы нападающего с атакуемым обе стороны
пришли к симбиозу, выгодному для обеих: клетки-«хозяева» получили источник энергии; бактерии-«агрессоры» – источник питания. По пути к этому историческому компромиссу обе стороны постепенно эволюционировали в двух
различных направлениях. Бактерии-«гости» утратили основную часть своих генов (эти гены перешли в генетические молекулы клетки-«хозяина») и окутались
дополнительной оболочкой (которую подхватили из оболочки «хозяйской»
клетки, когда внедрялись в нее), а клетки-«хозяева» тоже окружили свои гены
дополнительной оболочкой, создав внутри себя отделенное от протоплазмы ядро и превратившись в эукариоты.
Крис Базине идет дальше Лини Маргулис. Он полагает, что внедрившиеся
бактерии обладали еще одной особенностью – некоторые из них оказались способными выходить из «хозяйских» клеток наружу и внедряться в другие такие
же эукариоты по соседству. При этом они захватывали с собой часть генов
прежнего «хозяина» и переносили эти гены на новое место жительства. Их очередной «хозяин» приобретал какие-то новые для себя гены. Если какие-то из
этих новых генов давали ему новые свойства, увеличивавшие его шансы приспосабливаться к изменениям окружающей среды, то такие «вторжения с переносом генов» способствовали выживанию и распространению этого «хозяина»,
а поэтому соответствующие клетки сохранялись в процессе эволюции. И постепенно такой процесс переноса генов от одной клетки к другой с помощью
особых небольших частиц мог стать важной частью жизненного цикла эукариотных клеток. Это должно было привести к постепенной специализации первых
митохондрий: какая-то часть из них эволюционировала в нынешние митохондрии, поставляющие своей клетке энергию, а другая часть, которая была наделена способностью подхватывать «хозяйские» гены и переносить их в другие
клетки, образовала новый тип маленьких подвижных частиц – предшественников современных сперматозоидов. Параллельно этому те клетки, которые лучше других воспринимали вторжения прото-сперматозоидов, тоже постепенно
выделялись в особую группу – прото-яйцеклеток. Разумеется, гипотеза Базине
относится к числу таких, которые крайне трудно проверить в прямом опыте. И
хотя Базине указывает на некоторые косвенные подтверждения своей гипотезы,
многие ученые, соглашаясь с ним в том, что касается определенной связи митохондрий с половым процессом, в го же время отрицают, будто этот процесс (то
есть разделение полов) появился только вместе с митохондриями. Например, по
мнению биолога Михо, первичное разделение полов, то есть обмен генетической информацией между клетками разного рода, существовал уже задолго до
103
вторжения митохондрий. В том же духе высказалась и сама Линн Маргулис:
«Базине всего лишь показал, что поведение современных митохондрий отчасти
напоминает поведение их древних бактериальных предшественников, но этого
еще недостаточно, чтобы подкрепить грандиозную претензию, будто именно
митохондрии ответственны за весь процесс образования двух полов».
Что ж, остается опять развести руками. И здесь наука еще не знает надежного окончательного ответа. А жаль. Ведь такой ответ мог бы приблизить нас с
вами к пониманию того, как все-таки появилась наша мужская волосатость, а
отсюда – и того, почему она сыграла столь роковую роль в политической истории России.
СНЕЖНЫЙ КОМ ЗЕМЛЯ
Снежный ком Земля
В старых фильмах об авиаторах была такая сцена: пилот запускает двигатель и кричит: «Мотор!» – а техник, стоящий на земле подле машины, отвечает:
«Есть мотор!» Вот и мы скажем: «Есть загадка!» - а состоит эта очередная загадка жизни в следующем: а что делали первые живые организмы, что прокариотные, что эукариотные, что мужские, что женские, последующие пару
миллиардов лет после своего возникновения? Как спрашивают на допросах: «А
где вы были в среду 7 февраля три года тому назад между 11,23 дня и 12,23 ночи? И докажите, что именно там». Или, как спрашивали в старых (очень старых) анкетах: «Чем занимались ваши родители до 1917 года?» В самом деле –
нам уже с большой степенью вероятности известно, что первые живые организмы появились если не 3,8 и не 3,5, то 3 миллиарда лет тому назад, почти никто уже не сомневается, что они существовали 2,1 миллиарда лет тому назад, и
все биологи знают, что еще 600 миллионов лет тому назад эти организмы были
практически такими же простейшими, как за 1,5 миллиарда лет до того. А потом вдруг – раз! – и произошел так называемый Кембрийский биологический
взрыв, разом, как Афина из головы Зевса, появились вдруг на Земле куда более
сложные (а главное – практически близкие к современным) многоклеточные
существа. Где же они были до этого? Где прятались все предыдущие полтора
миллиарда лет и чем занимались до 600-миллионного года? Что мешало им
эволюционировать раньше?
Как мы уже знаем, у науки пока нет готовых ответов на все эти детективные загадки далекого прошлого. Слишком далекого, скажем честно, чтобы
можно было уверенно сказать, что это было так-то и так-то, а не совсем иначе.
Зато у науки существует на любой вопрос куча гипотез – одна другой увлекательней. И это даже интересней – можно перебирать эти гипотезы, любуясь игрой человеческого ума. Вот и в данном случае на наш вопрос уже готов ответ,
точнее – гипотеза, а еще точнее – предположение. Первым выдвинул это предположение американский геолог Джозеф Киршвинк. Но выдвинул он его не в
порядке упомянутой чистой игры научного ума (это нам с вами, безответственным, все бы играться), а как вполне серьезную попытку найти решение сразу
104
четырех парадоксов, которые давно уже не давали покоя всем, кто занимался
прошлым Земли. Расскажем, однако, по порядку.
Первый из парадоксов, к которым была адресована эта гипотеза, был
обнаружен уже лет 50 назад, когда американский геолог Харланд установил,
что во многих местах планеты прибрежные, находящиеся на уровне моря слои
скал неопротерозойского периода (это именно то время, о котором речь в гипотезе Киршвинка) покрыты остатками ледниковых наносов даже в тропических
широтах. Это было необъяснимо, потому что сегодня лед в тропиках лежит
лишь в горах, не ниже 5000 метров, и даже в последний ледниковый период не
спускался ниже 4000 метров. Второе недоумение вызывал тот факт, что вскоре
вперемежку с этими наносами были обнаружены отложения, необычно богатые
железом. В нынешних условиях, когда в земной атмосфере присутствует свободный кислород, свободное железо немедленно окисляется, а между тем существуют надежные основания полагать, что в неопротерозойский период состав атмосферы был почти такой же, как сейчас. Еще одну загадку представляет
собой повсеместно наблюдаемая закономерность – выше ледниковых наносов
на скалах в тропических широтах всегда лежат толстые слои отложений, богатых углеродным соединением карбонатом. А известно, что карбонат выделяется из морской воды при ее нагреве и растворяется при охлаждении. Получается,
будто воды в тропических морях сначала были покрыты льдом, а потом довольно быстро прогрелись чуть не до 50 градусов и нагретая вода выделила
карбонат. Но откуда лед в тропических широтах? И, наконец, анализ этих карбонатных отложений на соотношение изотопов углерода (один из которых
участвует в биохимии жизненных процессов и потому указывает на существование или несуществование жизни) приводил к выводу, что железо было включено в скальные породы во времена длительных, в миллионы лет, перерывов
какого-либо биологического присутствия. Что могло вызвать такие огромные
перерывы в эволюции?
Все эти загадки и парадоксы были известны давно, и многие ученые
давно пытались их объяснить. В 1960-е годы сам Харланд первым отважился
высказать мысль, что в неопротерозойские времена Земля замерзала даже в
тропиках. Примерно тогда же к аналогичному выводу, но по совершенно иным
причинам, пришел ленинградский геофизик Михаил Будыко, один из первых
моделировщиков земного климата. В ходе своих расчетов он пришел к заключению, что при слишком сильном уменьшении концентрации атмосферного углекислого газа может произойти резкое снижение так называемого «парникового эффекта», создаваемого этим газом, и воздух охладится настолько, что это
вызовет распространение снега и льдов к экватору; в свою очередь, такое увеличение площади, занятой снегом и льдом (которые сильно отражают солнечный свет), вызовет еще большее охлаждение атмосферы, и такая цепная реакция может привести, в конечном счете, к замерзанию всей земной поверхности.
Необходимым условием этого катаклизма, по расчетам Будыко, является
уменьшение интенсивности излучения Солнца на 6–7 процентов против нынешней, но именно такую яркость Солнце имело 600–700 миллионов лет назад.
Будыко назвал найденное им решение климатических уравнений «решением
105
Белой Земли» или «ледяной катастрофой», но не придал ему особого значения:
в те времена никто не мог себе представить, что такое возможно, а кроме того,
случись такая катастрофа в действительности, что могло прервать такое обледенение?
Джозеф Киршвинк как раз и дал ответ на этот последний вопрос. В 1992
году он высказал предположение, что сдвиг тектонических плит, на которых
плавают континенты, должен был вызывать постоянное появление все новых и
новых вулканов, которые выбрасывали в атмосферу замерзшей Земли большие
количества углекислого газа. В обычных условиях избыток этого газа собирается в скалах в виде бикарбоната, а затем смывается в океан, где, соединяясь с
ионами магния и кальция, образует карбонатные отложения. Но в условиях
полностью замерзшей Земли (Киршвинк первым назвал ее в своей статье
«снежным комом») открытой воды не было, и углекислый газ должен был
накапливаться в атмосфере до тех пор, пока вызванный им «парниковый эффект» не поднял ее температуру настолько, что льды могли отступить.
Киршвинк пришел к этому сценарию, пытаясь объяснить упомянутую выше загадку появления железистых отложений на ледниковых наносах. По мнению Киршвинка, это железо растворилось в земном океане намного раньше – в
те времена, когда в атмосфере практически еще не было кислорода (в этих
условиях железо растворимо в воде). С появлением кислорода в атмосфере, а
затем в воде железо выпало из раствора на океанское дно. Но обледенение Земли, особенно если оно продолжалось миллионолетия, должно было лишить океанскую воду кислорода, и тогда железо могло снова раствориться в ней. Затем,
когда льды растаяли под влиянием «парникового эффекта», вода снова насытилась кислородом и железо опять выпало из нее на остатки ледников в виде железистых отложений. Расчеты показали, что для осуществления сценария Киршвинка, то есть для таяния «снежного кома», содержание углекислого газа в
атмосфере должно повыситься до уровня, который был в 350 раз больше нынешнего. Предположив, что вулканы в те времена выбрасывали столько же углекислого газа, что и сейчас, можно вычислить, что для его накопления в достаточном для таяния количестве период «снежного кома» должен был продолжаться миллионы лет.
Предположение Киршвинка было встречено довольно прохладно, но в последующие годы обнаружились два новых факта, говорящие в его пользу, – уже
упомянутые карбонатные отложения и данные по их изотопному составу. Это
побудило четырех других американских ученых во главе с профессором Хоффманом выступить в 1998 году с пространной статьей, воскресившей – но уже на
более широких основаниях – гипотезу «снежного кома». Сценарий этой катастрофы выглядел теперь так. 700 миллионов лет назад участки суши, составляющие нынешние континенты, группировались в основном вблизи экватора.
Моря вблизи полюсов были покрыты льдами. Поток солнечного тепла был на
6-7 процентов меньше, чем сейчас, что делало климат весьма неустойчивым относительно возможных резких изменений. Таким изменением мог быть достаточно длительный перерыв вулканической деятельности, приведший к уменьшению притока углекислого газа в атмосферу. Это должно было вызвать спад
106
«парникового эффекта» и соответствующее понижение температуры.
Поскольку континенты тогда лежали у экватора, они не были покрыты
льдами и эта суша могла поглощать углекислый газ, как обычно, даже при понижении температуры. А это продолжающееся высасывание углекислого газа
из атмосферы вело к еще большему уменьшению «парникового эффекта» и
дальнейшему снижению температуры. (Если бы континенты были расположены у полюсов, как сейчас, они больше были бы покрыты снегами и льдами и
меньше отсасывали бы углекислый газ, что позволило бы его концентрации в
атмосфере стать равновесной.) Это, в свою очередь, вело к расширению площади подо льдами, пока не началась обвальная цепная реакция, которая за считанные тысячелетия (а может, и за сотни лет!) привела к обледенению всей Земли.
Обратный путь – таяние льдов за счет восстановившегося «парникового эффекта», как описывал Киршвинк, – тоже должен был представлять собой лавинообразную реакцию, так что переход от температуры минус 50 градусов Цельсия
к температуре плюс 50 градусов мог произойти за те же тысячи или даже сотни
лет, то есть – в геологических масштабах времени – практически мгновенно.
Чудовищные дожди, обогащенные растворенной углекислотой, должны
были быстро разлагать скалы, обнажившиеся в результате таяния ледников, и
сносить продукты этого разложения в океан, где в результате быстро нарастало
содержание карбоната, оседавшего на дно в виде карбонатных скал. Это объясняет их нынешнее повсеместное обнаружение. Необъясненным остается лишь
четвертый парадокс – длительные перерывы в «биологически активных» слоях
этих скал. Они могут быть следствием многократных (по мнению авторов, четырехкратных) повторений цикла «обледенение-таяние», но как тогда объяснить, что после каждого такого цикла жизнь на Земле ухитрялась воскреснуть?
Первоначальное предположение авторов, что это оказалось возможным в силу
невероятной приспособляемости простейших организмов, не очень убедило
биологов. Однако в последнее время стали накапливаться новые доводы в пользу этой гипотезы. Так, техасский ученый Хайд и его коллеги произвели компьютерные расчеты, которые подтвердили правдоподобность описанного выше
сценария «снежного кома» и, сверх того, показали, что в некоторых вариантах
на обледеневшей Земле могли остаться свободные ото льда «оазисы», способные поддерживать жизнь в любых ее тогдашних формах. Оппоненты Хайда заявили, что он просто заменил гипотезу обледенелой Земли гипотезой Земли
«слякотной». Но нельзя не признать, что такая замена может объяснить последний, еще не объясненный парадокс и одновременно снимает веское возражение
против гипотезы «снежного кома».
Пока же она все еще остается гипотезой – из разряда тех «безумных идей»,
что время от времени взрывают укоренившиеся научные представления и тем
самым энергично стимулируют умы. Но есть у нее замечательная особенность,
которая привлекает внимание биологов. Если предположить, что такие периоды
«снежного кома» повторялись и много раньше Кембрийской эпохи, то это
весьма непринужденно объясняет, почему первые живые организмы раньше не
эволюционировали. Им просто было некогда. Они старались хотя бы выжить.
107
Проходя космическую пыль
У сценария «снежного кома» есть не только привлекательное достоинство
– у него есть также важный недостаток. Он не объясняет, что могло быть причиной неопротерозойских обледенений (если они были). Правда, Киршвинк и
другие смутно говорят что-то о спаде вулканической активности, но оппоненты
справедливо замечают, что если верить данным геологии (а почему бы им не
верить?), то как раз в эти времена никакого такого спада мощной вулканической деятельности на Земле не замечалось. И это ставит гипотезу снежного кома в трудное положение. А жаль.
Но вот недавно группа ученых во главе с Александром Павловым предложила совершенно новое возможное объяснение этой катастрофы, и оно сразу
приковало внимание всех – и специалистов, и неспециалистов. Потому что это
не «земное», по Киршвинку, а, прямо сказать, «космическое» объяснение.
Вот что говорят Павлов и его коллега. В астрономически недавнем прошлом Солнечная система в своем обращении вокруг центра Галактики не раз
проходила через плотные облака межзвездного газа и пыли, и всякий раз при
этом земная атмосфера наполнялась пылевыми частицами – примерно так же,
как было после взрывов великих земных вулканов вроде Кракатау и Пинатубо,
с той разницей, что концентрация космической пыли была в несколько раз более высокой, а ее существование – во много раз более длительным, чем пыли
вулканической.
Последствия этого космического явления, продолжают авторы, были для
Земли трагическими. Пыли было так много, что солнечный ветер (потоки частиц от Солнца), обычно выдувающий ее из земной атмосферы, теперь не мог
защитить Землю, и пыль накапливалась в течение всех тех сотен тысяч лет, которые требовались Солнцу, чтобы пересечь гигантское облако. Пылинки отражали в пространство солнечные лучи, не пропуская их к Земле, и в то же время
не мешали теплу самой Земли излучаться в космос. В результате Земля охлаждалась сразу по двум причинам: не получая солнечного тепла и теряя свое
собственное – и неизбежным результатом этого стало обледенение всей поверхности планеты, от полюсов до экватора. Земля превратилась в сплошной
снежный (на самом деле – ледяной) ком и оставалась подо льдом по меньшей
мере несколько миллионов лет. Лишь потом, когда Солнечная система вынырнула наконец из облака межзвездной пыли, тепловое равновесие восстановилось и ледники растаяли.
Судя по расположению пылевых облаков в галактике, – говорят авторы, –
самых «недавних» таких обледенений, или «снежных комов», в истории Земли
было даже два: первое – 750 миллионов лет назад, второе – 600 миллионов лет
назад. Последнее из этих двух обледенений и таяний ледников как раз предшествовало загадочному Кембрийскому взрыву, так что можно думать, что сам
этот взрыв и был как раз порожден предшествовавшим ему обледенением. Действительно, в условиях сплошного обледенения, «снежного кома», живые микроорганизмы миллионолетиями находились не только в стагнации, как мы уже
108
говорили, но также в ситуации жесточайшего стресса. И даже если в них происходили изменения, потенциально ведущие к развитию и усложнению, то
этим изменениям (мутациям) просто не было хода. А как только этот стресс
был снят (благодаря таянию ледников), накопившиеся за предыдущие миллионы лет мутации сразу развернулись широчайшим веером, породив массу новых
форм.
У нас, не-биологов, этот замечательный сценарий вызывает другого рода
вопросы. В какой мере реален описанный авторами сценарий прохождения
Солнечной системы через такие плотные облака межзвездной пыли, да еще с
такими катастрофическими последствиями? Ответ на этот вопрос прост и печален: да, это, увы, вполне реально. Дело в том, что, согласно представлениям современной науки, Солнце и его планеты в ходе своего обращения вокруг центра
нашей Галактики Млечный Путь должны были – и не раз! – проходить через
неблагоприятные для жизни участки космического пространства. Наглядной
иллюстрацией этого может служить хотя бы наша нынешняя ситуация. Как обнаружили астрономы, в настоящее время Солнечная система находится в относительно спокойном «Местном пузырьке» пространства, свободном от чересчур мощных потоков излучения и слишком плотных скоплений вещества (то
есть межзвездного газа и пыли). Но, по расчетам тех же астрономов, в ближайшие миллионолетия ей предстоит пересечь на своем пути довольно густые
межзвездные облака, а затем и вообще покинуть свой тихий «пузырек» и выйти
в открытое плавание, вступив в бурную и неустойчивую область ближнего
космоса, которую кто-то возвышенно назвал «Орлиной грядой». А еще дальше
по пути Солнца как раз находятся гигантские газопылевые облака вроде тех, о
которых говорит гипотеза Павлова. По его расчетам, за время одного оборота
вокруг центра Галактики, что занимает у Солнца 250 миллионов лет, оно 8 раз
пересекает такие облака. Так что в описанном Павловым сценарии нет ничего
удивительного, он вполне реален. Удивляться, скорее, приходится тому, что это
произошло всего дважды.
КЕМБРИЙСКИЙ ВЗРЫВ
Поразительный скачок
Настала, наконец, очередь поговорить о самом Кембрийском взрыве. У
эволюции, как мы уже видели, много увлекательных загадок, но этот взрыв (а
109
точнее – бурное одновременное возникновение множества новых биологических видов в начале Кембрийской эпохи) – одна из самых увлекательных. Он
так удивителен, что на первый взгляд может быть объяснен только вмешательством Высшей Силы. Но гипотеза Высшей силы как-то плохо сопрягается с
теорией эволюции, и это явное противоречие заставило несколько поколений
биологов-эволюционистов ломать головы над «Кембрийской загадкой» и искать для нее возможные естественные причины.
Мы, однако, чувствуем, что пора уже объяснить, из-за чего, собственно,
такой шум? Что особенного в этом эволюционном скачке? Ведь история эволюции, как мы уже рассказывали выше, знает и другие, не менее катастрофические и не менее загадочные события – например, Великое Обледенение (то
бишь «снежный ком») или же всем известное поголовное исчезновение динозавров, произошедшее 65 миллионов лет тому назад. А то есть еще так называемая «Великая Смерть», или «Пермская катастрофа», как ее. еще называют, –
массовое и стремительное вымирание живых организмов в земных океанах в
Пермскую геологическую эпоху, 245 миллионов лет назад. Все они тоже вызывают всякие догадки и споры. Почему же тогда именно Кембрийский взрыв вызывает самые острые препирательства ученых вот уже свыше 150 лет, почти с
самого момента его открытия?
Ответ состоит в том, что среди всех многочисленных загадок биологического прошлого Земли Кембрийский взрыв занимает особое место. Во-первых,
в отличие от всех прочих перечисленных катастроф и катаклизмов, этот взрыв
привел не к подавлению или уничтожению, а, напротив, к стремительному появлению множества новых биологических форм. Во-вторых, это рождение новых форм началось совершенно внезапно, мы уже об этом говорили. Нет никаких свидетельств, будто ему предшествовало длительное накопление постепенных изменений и усложнений. Далее, это непонятное появление новых форм не
растянулось на всю Кембрийскую эпоху или хотя бы значительную ее часть, а
произошло почти одновременно, в течение каких-нибудь 3-5 миллионов лет. В
геологических масштабах времени это совершенно ничтожный срок – он составляет всего одну тысячную от общей длительности эволюции (что и заставляет назвать этот эволюционный скачок «биологическим взрывом»). Наконец,
последствия этого взрыва имели уникальное значение для эволюции жизни на
нашей планете – они разделили историю этой эволюции на две неравные части.
Если до-Кембрийская эпоха была временем единоличного господства одноклеточных организмов, то после-Кембрийская стала эпохой многоклеточных форм.
И более того – в ходе кембрийского взрыва впервые в истории эволюции возникли многоклеточные организмы вполне современного типа – в том смысле,
что именно тогда сложились все основные характеристики тех телесных «планов», по которым организмы строятся до сих пор, и были заложены предпосылки будущего выхода этих организмов из морей на сушу и завоевания ими всей
поверхности Земли.
Биологический размах этого эволюционного скачка был воистину фантастическим. Ничего подобного ему не было ни раньше, ни позже. Доказательством этого служат окаменелости того периода, обнаруженные в 1909 году на
110
так называемом шельфе Бэрджесса в Канаде. Законченное к 80 годам анатомическое изучение этих находок показало, что в составе возникшего тогда биологического разнообразия были представлены родоначальники всех важнейших
современных биологических классов – защищенные твердым панцирем беспозвоночные (улитки, моллюски и членистоногие, или артроподы, вроде крабов и
трилобитов), звездчатые эхинодермы (вроде морских звезд) и, наконец, хордовые, из которых произошли все нынешние позвоночные вплоть до человека.
Более того, на том же шельфе были обнаружены также десятки других, родственных современным, но не выживших впоследствии разновидностей. И,
словно этого мало, на шельфе Бэрджесса было найдено еще великое множество
совершенно уникальных форм, вообще не имеющих никакого родства и никаких соответствий среди современных организмов (например, загадочная многоножка, получившая название «Галлюциногения»).
Все эти факты получили независимое подтверждение в ходе недавних палеонтологических исследований в Китае. Там тоже было обнаружено богатейшее разнообразие окаменелых останков Кембрийских организмов. В каком-то
смысле, это разнообразие порожденных Кембрийским взрывом живых форм
было даже «избыточным»: ведь значительная часть их, вроде Галлюциногении,
вымерла, не дав никакого продолжения. Видимо, они не были приспособлены к
тем экологическим условиям, в которых оказались после своего появления. Не
исключено, что если бы условия сразу же после Кембрийского взрыва были несколько иными, то из этого разнообразия выжили бы иные формы и тогда сегодня Земля была бы населена иными организмами и существами. Разумеется, то
же самое могло произойти еще и в том случае, если бы такой взрыв повторился
еще раз значительно позднее, – тогда экологические условия наверняка были
иными. Но ничего подобного, как уже сказано, больше никогда не случилось.
Эволюция словно разом исчерпала запас своих принципиально различных конструкций в этом единичном и уникальном пароксизме лихорадочной творческой активности и все последующие полмиллиарда лет, вплоть до нашего времени, опять занималась только изменением и усовершенствованием уже созданного. Иными словами, Кембрийская эпоха была уникальной поворотной
точкой в истории эволюции. Вот эта-то уникальность и загадочность и привлекают к ней неослабное внимание биологов на протяжении последних 150 лет.
Но есть и еще одна, не столь заметная причина. Дело в том, что проблема
Кембрийского взрыва имеет также прямое отношение к дарвиновской теории
эволюции. Она не просто «имеет отношение» к этой теории, но, как уже было
сказано выше, попросту ей противоречит. И первым, кто это осознал, был сам
Дарвин. Кстати, он же был первым, кто предложил возможный выход из этого
противоречия. Однако предложенная Дарвином гипотеза не удовлетворила
многих его последователей, и в результате биологи-эволюционисты разделились на два враждующих лагеря, спор между которыми длится вот уже полтора
столетия. Попробуем разобраться в этом споре.
Первооткрывателем Кембрийского взрыва был Роберт Мэрчисон – английский аристократ, который под влиянием своей честолюбивой жены решил заняться наукой. Изучая окаменелости древних эпох, найденные в соответствую111
щих отложениях, он обнаружил, что слои древних отложений разделены резкой
границей. Ниже этой границы они крайне бедны биологическими останками и
демонстрируют повсеместное распространение одних лишь простейших одноклеточных организмов – бактерий и водорослей, а затем, начиная с Кембрийской эпохи, около 550 миллионов лет назад, внезапно демонстрируют невиданное богатство новых биологических форм. Будучи человеком верующим и разделяя убеждение великого Линнея, что «существует ровно столько видов,
сколько их первоначально сотворил Создатель», Мэрчисон расценил открытое
им явление как прямое свидетельство вмешательства Божьей руки в развитие
жизни.
Ученый опубликовал результаты своих исследований в 30-е годы XIX века. Несколько десятилетий спустя вышла в свет знаменитая работа Дарвина
«Происхождение видов», в которой впервые последовательно излагалась и подробно аргументировалась теория развития жизни на Земле, основанная на
представлениях о наследуемых изменениях и естественном отборе. Разумеется,
Дарвин не принял объяснения Мэрчисона. Но он сразу же усмотрел, что Кембрийский взрыв является камнем преткновения для его теории. Дело в том, что,
по Дарвину, эволюция должна была происходить постепенно, плавно и непрерывно, то есть, как сегодня говорят, градуально. В своей книге он весьма недвусмысленно писал: «Естественный отбор ежедневно и ежечасно подвергает
строжайшему придирчивому обследованию все происходящие в мире изменения, даже самые малейшие, отвергая то, что плохо, сохраняя и улучшая то, что
хорошо... Мы не замечаем этих медленных изменений в их постепенном становлении и замечаем их лишь тогда, когда ход времени отмеряет огромные
промежутки целых исторических эпох».
Понятно, что дарвиновский градуализм был несовместим с наличием
столь резкого, кратковременного и стремительного явления, как Кембрийский
взрыв. Градуализм покоится на убеждении, прекрасно сформулированном знаменитым популяризатором дарвинизма Т. X. Хаксли: «Natuie non facet saltum» –
«Природа не терпит скачков» – а между тем данные Мэрчисона недвусмысленно показывали, что вплоть до Кембрийской эпохи простейшие организмы,
населявшие земные океаны, практически не эволюционировали, и, напротив, в
Кембрийские времена эволюционный процесс каким-то непонятным образом
претерпел радикальное изменение, имевшее характер резкого, почти «точечного» скачка. Это противоречие настолько волновало Дарвина, что в предисловии
к последнему изданию своей книги он специально отметил: «В настоящее время это явление (Кембрийский взрыв. – Р. Н.) остается необъяснимым; и оно поистине может быть рассматриваемо как убедительный аргумент против взглядов, развиваемых в данной книге».
Как уже сказано, Дарвин попытался найти выход из возникшей ситуации.
Возможно, предположил он, Кембрийский взрыв на самом деле не был настоящим «взрывом»; возможно, в действительности ему пред-шествовал длительный период постепенного, градуального накопления эволюционных изменений
и становления новых биологических форм. Просто Мэрчисону не удалось обнаружить эти предшествующие промежуточные формы. Такое объяснение поз112
воляло сохранить тот непрерывный и плавный характер эволюции, который
Дарвин постулировал на основе собранных им эмпирических данных и который
был в его глазах стержневой особенностью всего эволюционного процесса.
Некоторые биологи-эволюционисты не согласились с дарвиновским толкованием Кембрийской загадки. (Уже Хаксли в своем письме Дарвину накануне публикации «Происхождения видов» предупреждал: «Вы напрасно взвалили на себя совершенно ненужную трудность, приняв, что природа не терпит
скачков».) Эти дарвинисты вообще не могли принять дарвиновского градуализма. Он казался им не столько выведенным из эмпирических фактов (ведь
противоречил же он фактам, установленным Мэрчисоном!), сколько привнесенным в биологию извне. Дело в том, что уже во времена Дарвина существовала принципиально другая точка зрения, которую наиболее энергично развивал французский натуралист Жорж Кювье и которая сегодня именуется «катастрофизмом». Согласно этой концепции, геологическая (и, как следствие, биологическая) история Земли развертывалась далеко не плавно, но, напротив,
изобиловала скачками и разрывами катастрофического характера (которые,
впрочем, не имели ничего общего со сверхъестественными чудесами или Божьим вмешательством). Кембрийский взрыв прекрасно вписывался в эту концепцию, и именно это обстоятельство побудило многих эволюционистов оспорить
гипотезу Дарвина, признать реальность Кембрийского скачка и перейти на позиции «катастрофизма».
Так случилось, что Кембрийская загадка с самого начала разделила дарвинистов-эволюционистов на два противостоящих лагеря, по-разному понимающих ход биологической эволюции. По одну сторону водораздела оказались
убежденные «градуалисты», по другую – столь же убежденные «катастрофисты». (Третий лагерь, противостоящий и «градуалистам», и «катастрофистам»,
составляют современные «креационисты», продолжатели Мэрчисона, вообще
отрицающие естественную эволюцию.)
Последователи дарвиновского градуализма решительно отрицали реальность Кембрийского взрыва, утверждая, вслед за Дарвином, что перед нами –
лишь видимость эволюционного скачка, вызванная попросту тем, что еще не
найдены или почему-либо не могут быть найдены (например, бесследно исчезли) те постепенно усложнявшиеся промежуточные биологические формы, которые скрытно предшествовали так называемому Кембрийскому скачку.
Эта концепция держится до сих пор. Ее сторонники предлагают различные
возможные объяснения отсутствия до-Кембрийских промежуточных форм. Одни утверждают, что предшествовавшие биологические формы не сохранились
потому, что не имели скелета или наружного панциря и были мягкими, желевидными (что, кстати, в основном соответствует истине). Другие объясняют отсутствие переходных форм в до-Кембрийских отложениях чисто физическими
причинами, утверждая, что до-Кембрийские породы подверглись такому сильному нагреву и давлению, что в них не сохранились никакие биологические
останки (что не вполне соответствует истине). Третьи выдвигают предположение, что до-Кембрийская жизнь развивалась в озерах, а Кембрийский взрыв –
попросту следствие бурной и быстрой миграции уже сформировавшихся в этих
113
озерах биологических форм в моря и океаны (эта гипотеза получила своеобразное развитие в упомянутой выше работе Киршвинка и его коллег). Все эти гипотезы объединяет стремление показать, что переход от до-Кембрийских форм
к после-Кембрийским был в действительности плавным и непрерывным, только
следы его по тем или иным причинам пока не найдены или вообще не сохранились.
И действительно, не так давно исследователям удалось обнаружить первые
виды многоклеточных организмов, непосредственно предшествовавших Кембрийским. Они были найдены в отложениях вблизи австралийского поселка
Эдиакара и потому получили название «эдиакарских». Почти до самого последнего времени, до 1980-х годов, эдиакарские существа рассматривались в
духе дарвиновского градуализма – как промежуточное звено в истории постепенного усложнения биологических форм от до-Кембрийских к послеКембрийским. Но затем более тщательное изучение этих останков показало,
что на самом деле они не имеют связи с современными биологическими формами. Возможно, они вообще представляли собой некую особую, тупиковую
ветвь биологической эволюции, которая не дала никакого продолжения. Некоторые биологи полагают, что эта ветвь жизни была уничтожена в ходе какой-то
катастрофы, предшествовавшей Кембрийскому взрыву.
Разумеется, невозможно исключить, что надежды Дарвина и прочих «градуалистов» еще оправдаются и со временем будут найдены какие-то другие отложения с таким же, как на шельфе Бэрджесса или в Китае, богатством биологических форм, но только отложения эти будут до-Кембрийские, а формы –
промежуточные, предшествующие Кембрийским. В этом случае дарвиновская
теория эволюции сохранится вместе со всем ее градуализмом, постепенностью
и плавностью развития. Но пока ничего подобного не обнаружено, и на этом
основании биологи-«катастрофисты» все энергичнее настаивают на необходимости пересмотра дарвиновской теории. По их убеждению, Кембрийский взрыв
(а также другие аналогичные скачкообразные явления вроде быстрой гибели
всех динозавров или упоминавшейся выше «пермской катастрофы») диктует
неизбежность такого расширения теории эволюции, которое допускало бы не
только плавное, но и «взрывное» изменение биологического разнообразия, не
только постепенность, но также «скачки» и «катастрофы» в развитии. Особенную остроту этот затянувшийся спор обрел с начала 1970-х годов, когда уже
упоминавшийся выше Стивен Гулд и его коллега, палеонтолог Ник Элдридж,
предложили радикальный вариант такого расширения дарвинизма – так называемую теорию «пунктирного равновесия», в которой длительные периоды
градуального развития со временем обязательно сменяются короткими «катастрофическими» взрывами. А какими причинами объясняют сегодня Кембрийский взрыв те, кто считает его эволюционной реальностью? За последние десятилетия было предложено немало возможных объяснений Кембрийской загадки. Гипотеза «снежного кома», о которой мы рассказывали выше, – одна из них.
А вот другая, еще более фантастическая. Ее тоже предложил Киршвинк, и она
называется «гипотезой кувырка». Согласно этой гипотезе, около полумиллиарда лет назад наша планета претерпела подлинный «кувырок» в космическом
114
пространстве. По расчетам Киршвинка, в ходе этого катаклизма Земля разом
повернулась на целых 90 градусов относительно своей оси, в результате чего
все основные материки сменили свое прежнее местоположение (они тогда
находились около полюсов) на нынешнее, и этот планетарный катаклизм
вполне мог стать исходным толчком, повлекшим за собой загадочный Кембрийский взрыв. Появились и другие, пусть менее впечатляющие, но зато более
надежно обоснованные предположения. Мы уже наловчились перебирать научные гипотезы. Вернемся же к этому увлекательному занятию снова.
Гипотезы и споры
Среди множества гипотез, предложенных для объяснения Кембрийской загадки, наиболее серьезной до последнего времени считалась так называемая
«кислородная». Она основана на предположении, что Кембрийский взрыв был
вызван резким изменением химического состава земной атмосферы и океанов.
Тот факт, что физико-химические условия влияют на темп биологической
эволюции, известен давно. Многие биологи убеждены, что необычайно медленное изменение биологических форм на протяжении первых 3 миллиардов
лет их существования было обусловлено не обледенениями или другими подобными причинами, а недостатком свободного кислорода. В первичной атмосфере Земли кислорода не было вообще, потому что он сразу же вступал в реакцию с другими элементами и оставался связанным в земной толще и атмосфере в виде окислов. Только с появлением первых одноклеточных водорослей,
примерно через полмиллиарда – миллиард лет после образования Земли, начался процесс фотосинтеза, при котором вода и углекислота (поглощенная водорослями из воздуха) при содействии солнечного света превращались в свободный кислород и органические вещества. Однако и тут кислороду «не повезло» –
его жадно захватывало растворенное в океанской воде железо. Возникавшие в
результате окислы железа медленно оседали на океанское дно, выбывая из химического кругооборота. Мир, как выразился один из геохимиков, «непрерывно
ржавел», а свободного кислорода в нем не прибавлялось.
В отсутствие свободного кислорода организмы вынуждены были оставаться анаэробными. Это означало, что переработка продуктов в них, обмен веществ, или метаболизм, происходили без участия кислорода – медленно и неэффективно. Именно это, как считают биологи-«кислородники», и тормозило
эволюцию первых организмов. Положение несколько изменилось только с того
момента, когда растворенное в океанах железо насытилось кислородом и концентрация этого газа в атмосфере благодаря все тому же фотосинтезу стала
наконец постепенно возрастать. Это сделало возможным появление первых
аэробных организмов. Они все еще были одноклеточными, но их метаболизм
шел куда эффективнее, и поэтому они быстрее размножались и плотнее заселяли океаны. Так прошли первые 3,5 миллиарда лет, к концу которых содержание
кислорода в атмосфере достигло, как считают ученые, около одного процента.
В этот момент эволюция сделала следующий важный шаг – появились первые
многоклеточные организмы. А затем, еще через полмиллиарда лет, наступил
115
Кембрийский взрыв и разом положил начало всему сложному разнообразию
современной жизни.
Можно сказать, что история биологической эволюции была в определенном смысле историей кислорода. Так не был ли и Кембрийский «скачок эволюции» следствием скачкообразного возрастания свободного кислорода в атмосфере?
Именно такое предположение высказали в 1965 году два американских физика Беркнер и Маршалл. Они рассуждали следующим образом. Сложные многоклеточные организмы нуждаются в большом количестве кислорода, причем
сразу в двух его видах: во-первых, в виде свободного кислорода, необходимого
для дыхания (то есть для метаболизма) и построения коллагена – этого важнейшего элемента телесной структуры; а во-вторых, в виде озонового слоя, необходимого для защиты от вредоносного солнечного ультрафиолета. Поскольку
такие сложные многоклеточные формы до Кембрийской эпохи не появлялись,
значит, их появление было задержано отсутствием необходимой концентрации
кислорода в атмосфере. На этом основании можно допустить, что именно в
Кембрийскую эпоху такие количества впервые появились. Это уникальное событие – преодоление «кислородного рубежа», скачкообразное повышение
уровня кислорода в атмосфере до нынешнего 21 процента – и было, по Беркнеру и Маршаллу, основной причиной Кембрийского взрыва.
Поначалу эта «кислородная гипотеза» не имела достаточного подтверждения. Данные геохимического анализа древних пород как будто не показывали
признаков «кислородного скачка» в Кембрийский период. Поэтому гипотезу
Беркнера – Маршалла долгое время считали интересной, но неубедительной.
Но буквально в последние годы (1994-1996) положение резко изменилось. Причиной тому было открытие американского исследователя Кнолля. Изучая соотношение двух изотопов углерода, С-12 и С-13, в породах до-Кембрийских времен и Кембрийских времен, Кнолль получил неопровержимые свидетельства
того, что в самом начале
Кембрийской эпохи это соотношение резко изменилось – изотопа С-12
«разом» стало меньше, чем раньше. А такой «углеродный скачок» должен был
обязательно сопровождаться соответствующим «кислородным скачком», что
как раз и соответствует предположению Беркнера – Маршалла.
Почему это так? В процессе фотосинтеза водоросли превращают углекислый газ и воду в кислород и углерод. При этом углерод остается в водорослях в
виде органических веществ – углеводов и т. п. Но водоросли постепенно умирают и становятся добычей бактерий, которые разлагают эти органические вещества и выделяют содержащийся в них углерод. Делают они это с помощью
кислорода. Грубо говоря, водоросли изымают из окружающей среды углерод и
добавляют в нее кислород, а бактерии изымают образовавшийся кислород и
возвращают в среду углерод. Все это относится к углероду-12, потому что в
описанных процессах участвует именно этот изотоп. Так как он возвращается
обратно в среду, то его соотношение с изотопом С-13 остается неизменным.
Что же может означать внезапное уменьшение доли С-12? Только одно: он
116
больше не возвращается в окружающую среду в тех же количествах, то есть его
выделение бактериями резко уменьшилось. Но это значит, что бактерии стали
потреблять много меньше кислорода из окружающей среды. А тогда концентрация этого кислорода в среде должна быстро возрастать.
Значение этого открытия таково, что «кислородную гипотезу» теперь нужно по справедливости именовать гипотезой Беркнера – Маршалла – Кнолля.
После работ Кнолля наличие «кислородного скачка» в Кембрийский период
признается большинством ученых. Веские свидетельства в пользу этого «скачка» дали открытия самых последних лет. В 2006 году канадский геохимик Дональд Ганфилд, изучая различные осадки железа в морских скалах, обнаружил,
что вплоть до окончания так называемого Гаскерского обледенения (580 миллионов лет назад) кислород в глубины океана не проникал, но сразу после таяния льдов его появилось такое количество, которое соответствовало 15процентному содержанию свободного кислорода в земной атмосфере. А на
другой стороне земного шара, в Омане, американские геологи Дэвид Файк и
Джон Гротцингер обнаружили совершенно аналогичное явление в теплых водах Персидского залива. Они нашли осадочные слои с таким соотношением
изотопов серы и углерода, которое неопровержимо свидетельствовало о приходе кислорода, причем опять-таки после Гаскерского обледенения. А что это
значит – «после Гаскерского обледенения»? Это значит – перед самым Кембрийским взрывом («перед самым», разумеется, в геологических масштабах
времени).
Тем не менее у «кислородной гипотезы» есть уязвимое звено. Она не может ответить на вопрос, что могло быть причиной того «невозвращения» С-12 в
окружающую среду, которое привело к самому «кислородному скачку». В качестве такой причины называются самые разные факторы. Сам Кнолль предположил, например, что это «невозвращение» С-12 в кругооборот веществ было
вызвано резко увеличившейся эрозией прибрежных скал и известняков. Миллионы тонн смытой в океан породы постепенно заваливали останки водорослей
вместе с их углеродом-12 на дне океана, не допуская бактерии к этим останкам.
Но что могло породить этот скачок эрозии? Опять проклятая неизвестность.
Совершенно другая гипотеза была предложена биохимиком Хайесом. По
его мнению, причиной начавшегося выхода С-12 из кругооборота могло быть
появление первых кишечнополостных организмов. Пожирая водоросли, эти
микроскопические хищники выбрасывали в воду органические остатки (содержащие С-12) в виде фекальных «таблеток», внутри которых эти остатки были
надежно защищены от воздействия бактерий. Действительно, недавние исследования показали, что в пред-Кембрийский период в донных породах начинает
быстро, скачком нарастать доля углерода-12. Впрочем, этот факт в той же мере
может служить и подтверждением гипотезы Кнолля.
Третья гипотеза была предложена американским геологом Муром в 1993
году. По Муру, причиной убыли С-12 были резкие тектонические сдвиги типа
перемещения материков, произошедшие в самый канун Кембрийской эпохи.
Такие сдвиги, говорит Мур, могли привести к раздроблению океанов на менее
крупные и к тому же замкнутые водоемы – моря и озера, а это должно было
117
уменьшить интенсивность циркуляции воды. В результате органические останки водорослей вместе с их углеродом оставались на морском дне и не поднимались к поверхности, где их могли бы разлагать бактерии. Тем самым углерод
выходил из кругооборота, позволяя синтезированному водорослями кислороду
быстро накапливаться в атмосфере. Эта «тектоническая гипотеза» Мура получила неожиданное развитие в «гипотезе кувырка» Киршвинка. Мы уже упоминали о ней, но теперь мы можем рассказать о ней чуть подробней.
К своему фантастическому предположению Киршвинк пришел на основании данных, собранных за время 20-летних исследований так называемого
остаточного магнетизма древних скал Австралии и Америки. Когда вулканические скалы застывают, магнитное поле в них как бы «замораживается» в том
виде, каким оно было во время остывания. Исследование такого остаточного
магнетизма позволяет определить, каким было магнитное поле Земли в самые
далекие времена. Направление вектора магнитного поля скалы показывает, где
располагался в древности магнитный полюс Земли. В то же время угол наклона
этого вектора по отношению к вертикали указывает на ту географическую широту, где некогда образовалась и находилась данная скала. Если она образовалась в районе тогдашнего магнитного полюса, этот вектор будет вертикален,
если на тогдашнем экваторе – горизонтален; в промежуточных широтах он
займет промежуточное положение.
Свои измерения профессор Киршвинк и его сотрудники проводили с помощью высокочувствительных сверхпроводящих магнитометров. Возраст скал
определялся с помощью новейшего ураново-свинцового радиоактивного метода. Все полученные результаты подверглись тщательной обработке и многолетней перепроверке. Произведенный затем анализ позволил построить наглядную картину геологических изменений, происходивших на Земле в начале
Кембрийской эпохи – 550–500 миллионов лет тому назад. Картина эта оказалась весьма неожиданной и поистине сенсационной. Вот как, по Киршвинку,
развертывались тогдашние геологические события.
Незадолго до начала Кембрийской эпохи завершился раскол древнейшего
суперконтинента, состоявшего из большинства современных материков (палеогеологи дали этому суперконтиненту имя Родиния). Почти сразу же вслед за
этим разделившиеся материковые массы начали перегруппировываться, объединяясь в новый суперконтинент – Гондвана. На последних стадиях образования Гондваны возник резкий дисбаланс в распределении континентальных масс
относительно земной оси. Земной «волчок» потерял устойчивость. Вращающееся тело наиболее устойчиво, когда образующие его массы сосредоточены на
экваторе или распределены относительно него более или менее равномерно;
между тем Гондвана располагалась слишком близко к полюсу. Восстановление
устойчивости Земли потребовало быстрого перераспределения континентальных масс. Поэтому вся твердая оболочка планеты стала соскальзывать по мантии как единое целое, пока не сместилась на 90 градусов относительно оси
вращения. Как показали расчеты Киршвинка, материковые плиты Австралии и
Америки, находившиеся прежде в районе полюсов, должны были совершить
этот поворот и перемещение к экватору за какие-нибудь 15 миллионов лет –
118
срок в геологических масштабах ничтожный (три десятитысячных общего возраста Земли). То был, действительно, настоящий «кувырок». А его результатом
стало то, что ось вращения Земли, сохраняя прежнее направление в пространстве, повернулась на 90 градусов относительно твердой оболочки, и вращение
земного волчка снова стало устойчивым.
По Киршвинку, именно этот «кувырок» планеты мог быть основной причиной Кембрийского биологического взрыва. «Быстрое перемещение материков, – говорит один из соавторов Киршвинка Риппердан, – не могло не привести к закрытию одних и образованию других водных бассейнов – этих единственных тогда ареалов жизни, к изменению тогдашних океанских течений, к
резким переменам климата и к другим, столь же катастрофическим явлениям.
Все эти катастрофы должны были дать толчок к появлению новых форм жизни,
приспособленных к изменившимся условиям. Но именно такое быстрое возникновение новых форм и было характерно для Кембрийского взрыва».
По мнению самого Киршвинка, быстрые изменения акватории океана, вызванные соскальзыванием материков, должны были привести к довольно частым и резким сменам океанских течений. «Каждое такое изменение имело
глобальный характер, – говорит он. – Оно разрушало сложившиеся региональные экосистемы на более мелкие ареалы. В этих мелких ареалах новые формы
жизни имели больше шансов на выживание, чем в больших регионах. Наши
данные говорят, что такие изменения течений происходили тогда чуть не каждый миллион лет или около того. За миллион лет эволюция успевала отобрать
самое лучшее из уцелевшего от последнего цикла и создать новые региональные системы. Но затем этот процесс начинался снова – и так полтора-два десятка раз за время всего катаклизма. Это наилучшие условия для возникновения
большого биологического разнообразия».
Изложенные выше гипотезы касательно происхождения Кембрийского взрыва были либо химическими, либо физическими. Есть еще серия гипотез
биологического характера. Первой из таких «чисто биологических» гипотез
была «гипотеза жнеца», сформулированная в 1973 году американцем Стивеном
Стенли. Стенли исходил из хорошо известного в экологии «принципа прореживания». Было замечено, что внедрение в искусственный пруд хищной рыбешки
ведет к быстрому увеличению разнообразия зоопланктона в этом пруду. И
напротив: достаточно удалить из скопления разнообразных водорослей питающихся ими морских ежей, как это разнообразие начинает уменьшаться. Иными
словами, «прореживание» экологической ниши «жнецом-хищником», питающимся ее обитателями, необходимо для поддержания или расширения ее биологического разнообразия.
На первый взгляд это противоречит здравому смыслу. Представляется, что
такой «жнец», истребляя население ниши, будет уменьшать число населяющих
ее видов, а некоторые, самые малочисленные, и вообще сведет на нет. Но, как
видим, действительность опровергает это интуитивное рассуждение. И вот почему. Во всякой нише, населенной так называемыми «первичными производителями» (то есть организмами, получающими свою пищу напрямую – из фотосинтеза, а не посредством поедания других), один или несколько видов неиз119
бежно становятся «монополистами» – они захватывают все жизненное пространство и питательные вещества ниши и не дают развиваться другим видам.
Появившийся в этих условиях «жнец» будет, скорее всего, питаться этими господствующими видами (хотя бы потому, что они способны обеспечить его
наибольшим количеством пищи) и, стало быть, будет в первую очередь уменьшать именно их биомассу. Но благодаря этому он расчистит часть жизненного
пространства и тем самым освободит место новым видам. А это приведет к
увеличению биологического разнообразия всей ниши. Тот же принцип, как
видно из приведенных выше примеров, действует и в других экологических системах. Стенли же применил «принцип прореживания» для объяснения загадки
Кембрийского взрыва.
Легко видеть, что этот взрыв вполне укладывается в данную схему. В
пред-Кембрийскую эпоху земные океаны почти монопольно заселяли одноклеточные бактерии и водоросли нескольких немногих видов. Целые миллиардолетия их никто не «прореживал», и потому они не имели возможности быстро
эволюционировать. Если бы в такой среде внезапно появился какой-нибудь одноклеточный растительноядный «хищник», он обязательно должен был бы – по
«принципу прореживания» – вызвать быстрое появление новых видов. Это, в
свою очередь, должно было привести к появлению новых, более специализированных «жнецов», расчищающих место для следующих новых видов, так что
разнообразие биологических форм начало бы нарастать, как снежный ком, – а
это и есть ситуация Кембрийского взрыва.
Таким образом, по Стенли, «триггером» Кембрийского взрыва было случайное появление некого «хищника» в среде простейших одноклеточных организмов пред-Кембрийской эпохи. А тот факт, что этот взрыв имел характер
резкого скачка, не представляет собой никакой особой загадки. Точно такой же
характер имеет развитие многих биологических систем в условиях наличия достаточно свободного жизненного пространства и достаточно обильного количества пищи. Если, например, высадить небольшую колонию бактерий на питательную среду в лабораторной чашке Петри, она будет размножаться по тому
же закону «снежной лавины», и это скачкообразное размножение прекратится
лишь с заполнением всего доступного пространства и исчерпанием питательных веществ. Кембрийские океаны и были такой природной «чашкой Петри»
для новых биологических видов. Когда же новые виды заполнили собою эти
океаны, условия для скачка исчезли и более никогда уже не повторялись, чем и
объясняется, по Стенли, уникальность Кембрийского взрыва.
Совершенно иное биологическое объяснение Кембрийского взрыва предложили в 1994-1997 годах американские биологи Валентин, Эрвин и Яблонский. По их мнению, этот взрыв произошел в силу того, что у некоторых примитивных пред-Кембрийских организмов в результате случайных генетических
изменений появилась способность резко расширить спектр возможных телесных структур. Действительно, одной из важнейших особенностей Кембрийского скачка было как раз такое вот внезапное появление множества биологических форм с совершенно новыми телесными признаками. Некоторые из этих
новых организмов обрели четко выраженные головы и хвосты, у других отчет120
ливо выделились сегменты и брюшко, у третьих возникли конечности, еще какие-то оделись в панцири, некоторые обзавелись усиками-антеннами или жабрами, и так далее. В общей сложности исследователи насчитывают целых 37
новых телесных планов, возникших (и притом почти одновременно) в ту эпоху
бурной эволюционной активности. И все основные принципы телесной архитектуры современных организмов зародились именно тогда.
Понятно, что такое новшество не обошлось без генов. И действительно,
биологи, изучая гены различных современных животных, установили недавно,
что за телесный план организма отвечает группа особых генов, получившая латинское обозначение «hox». Гены этой группы регулируют процесс закладки
самых основных и самых общих принципов телесной структуры. И, что интересно, выяснилось, что 8 основных из этих «hох»-генов впервые появились
примерно 565 миллионов лет тому назад, то есть в эпоху, непосредственно
предшествовавшую Кембрийскому эволюционному взрыву. Как мы уже знаем,
сами планы телесной архитектуры современных организмов возникли в Кембрийскую эпоху. А теперь мы видим, что регулировочные гены, ответственные
за такие общие планы, появились незадолго до этого. Вполне естественно предположить, что именно появление первой группы генов «hox» ( состоявшей из
восьми первичных генов) сыграло роль триггера того уникального взрыва
форм, который мы называем Кембрийским взрывом.
Но при всей биологической фундаментальности этого события оно, тем не
менее, было всего лишь необходимым, но недостаточным условием Кембрийского взрыва. Как говорят Валентин и его соавторы, организмы – не механические матрешки, которые достаточно толкнуть, чтобы получить автоматический
ответ. Скорее всего, потребовалось сложное сочетание различных условий,
чтобы возможность стала действительностью и произошел скачок эволюции,
подобный Кембрийскому взрыву. Появление новых регулировочных генов было только одним из таких условий – подготовительным, а в Кембрийскую эпоху
могло произойти что-то дополнительное, что запустило эти гены в работу, так
что они создали то множество разнообразных форм и типов, что так характерно
для того времени. Валентин и его коллеги не уточняют, что могло быть таким
«дополнительным триггером», но намекают, что это мог быть резкий рост атмосферного кислорода (уже знакомая нам «кислородная гипотеза») либо нечто
вроде той экологической «гонки вооружений», когда взаимодействие хищников
и жертв могло породить целый спектр различных новых видов (а это уже намек
на опять-таки знакомую нам «гипотезу хищника-жнеца»). Новейшие гипотезы
о причинах Кембрийского взрыва тяготеют к «междисциплинарности», то есть
имеют тенденцию объединять в себе несколько разных гипотез и тем самым
объяснять это уникальное и загадочное явление не одной какой-либо единственной причиной, а взаимодействием нескольких различных факторов как
физико-химического, так и биологического характера.
Остановимся на этом. Гипотез, как видите, много, а вот причины и механизм Кембрийского взрыва пока еще по-прежнему не имеют общепринятого
объяснения, и это явление все еще остается одной из не разгаданных наукой загадок, которыми полнится запутанная история жизни на Земле. Но мы уже к
121
этому привыкли.
ВРЕМЕНА КАТАСТРОФ
Экскурсия по катастрофам
Пусть вас не пугает название. Я не приглашаю вас в какой-нибудь Музей
Катастрофы, а всего лишь предлагаю отправиться в прошлое нашей планеты:
она тоже знавала исчезновение почти всего живого – и притом не единожды. И
даже после Кембрийского взрыва. Причем не раз и не два, а, как считают сегодня палеонтологи, как минимум 4-5, а то и большее количество раз за последние 250 миллионов лет биологическая жизнь на Земле была близка к полному
или почти полному прекращению, чтобы затем, подобно пресловутому фениксу, воспрять и снова расправить крылья. Если бы в нашем распоряжении была
Уэллсова машина времени, мы могли бы хоть сейчас провести экскурсию по
всем этим катастрофам. Это была бы не только впечатляющая, но и весьма небесполезная экскурсия, потому что окажись мы в нужное время в нужном месте, нам, возможно, удалось бы решить мучающий палеонтологов и геологов
вопрос: что было причиной этих регулярно повторяющихся биологических катастроф, или, как они выражаются, «массовых истреблений»?
Одна из последних по времени попыток решения этого вопроса принадлежит американцам Стозерсу и Рампино и французу Кортилло, которые не так
давно высказали предположение, что все те массовые истребления, которые
насчитывает наука в истории последних 250 миллионов лет, были вызваны одной и той же причиной – грандиозными вулканическими извержениями. Эти
ученые даже выстроили хронологическую таблицу, в которой даты известных
геологии сильнейших извержений были сопоставлены с датами известных палеонтологам биологических катастроф. И они утверждают, что эта их таблица
демонстрирует совпадение извержений и катастроф по меньшей мере в четырех
случаях, однако с точностью всего в несколько миллионов лет. Увы, это не та
точность, чтобы считать «вулканическую гипотезу» окончательно доказанной.
Тем более, что у гипотезы есть конкуренты.
Действительно, если бы на своем воображаемом пути в прошлое мы сделали остановку на отметке «минус 65 миллионов лет», то стали бы свидетелями
столкновения Земли с огромным метеоритом – может быть, даже целым астероидом. Следы этого грандиозного катаклизма, обнаруженные на полуострове
Юкатан в Центральной Америке, так точно совпадают по времени с исчезновением динозавров и выходом на освободившуюся историческую сцену первых
крохотных млекопитающих, что сегодня уже почти никто не сомневается в том,
что именно такое столкновение и было причиной данной катастрофы. Правда,
пять лет назад было установлено, что незадолго до удара метеорита-астероида
(на пару-другую миллионов лет раньше) земной климат был уже изрядно расшатан мощными вулканическими извержениями на Деканском плоскогорье
нынешней Индии, и кое-кто из ученых уже тогда поторопился связать исчезновение динозавров с этими извержениями. Но в палеохронологии все решает так
называемый «тайминг», то есть соответствие во времени. Судя по останкам,
122
процесс вымирания динозавров происходил довольно быстро и занял какиенибудь тысячи, может быть, десятки тысяч лет. В геологических масштабах это
было почти «точечное» событие, и его положение на временной оси почти идеально совпадает с положением на ней другого «точечного» события – Юкатанского удара, который мгновенно выбросил в атмосферу огромное количество
пыли, отражавшей солнечный свет, что должно было весьма быстро вызвать
резкое похолодание (так называемую «ядерную зиму») и столь же быстрое
(опять-таки в геологических масштабах времени) вымирание зависевших от
внешнего тепла динозавров.
Эта история учит, что при всей соблазнительной простоте «вулканической
гипотезы» биологических катастроф она не всегда бывает правильной и порой
объяснение этих катастроф следует искать на других путях. Такой урок тем более важен, что стоит нам на нашей машине времени продвинуться еще дальше в
прошлое, до отметки «минус 250 миллионов лет», как мы обязательно столкнемся с еще одной такой катастрофой – даже более жутких масштабов. Оказывается, не только млекопитающие (и мы в их числе) стали хозяевами планеты
благодаря истреблению динозавров, но и сами динозавры воцарились на планете благодаря массовому истреблению предшествовавших им живых видов. На
этой отметке, которая находится точно на границе между «Пермским» и «Триасовым» геологическими периодами, биологическая жизнь на Земле вновь претерпела чудовищно-катастрофическое прореживание: в течение считанных
миллионолетий исчезли почти 80 процентов всех обитателей морей и океанов и
почти 70 процентов всех обитателей суши! И если в случае динозавров катастрофе было поначалу предложено два объяснения, то тут их было предложено
сразу несколько.
И это не удивительно. Пермско-Триасовое побоище было самым грандиозным за всю историю жизни на Земле. Вот и попыток его объяснения накопилось столько, что их перечнем, по мнению некоторых, можно заполнить телефонный справочник. Тут были и вспышки сверхновых звезд неподалеку от
Солнечной системы, и внезапные всплески космической радиации, и повсеместное опреснение земных океанов, и подвижки океанского дна, и неожиданные климатические катаклизмы, и гигантские процессы горообразования. Постепенно, однако, выяснялось, что все эти гипотезы несостоятельны, и к нашему времени «на кону» остались, как уже сказано выше, лишь некоторые – самые правдоподобные.
Первой из них следует назвать теорию американских геологов Шопфа (того самого) и Зимберлофа, которая сразу привлекла внимание своей простотой.
Теория эта исходила из того факта, что Пермско-Триасовая катастрофа затронула прежде и больше всего живых обитателей моря, а эти существа, как показывает изучение Пермских отложений, населяли прежде и больше всего мелководные моря, а не глубины тогдашних океанов. Исходя из этого, упомянутые
авторы предположили, что исчезновение обитателей моря на грани Пермского
и Триасового периодов было вызвано быстрым и резким сокращением среды их
обитания, то есть этих вот мелководных морей. Само же это сокращение они
123
объяснили произошедшим в ту пору очередным слиянием разрозненных континентов в единый суперматерик (геологи, которые страшно любят все называть
красивыми именами, называют этот суперматерик «Пангея»). При таком слиянии мелководные моря, разделявшие сближавшиеся континенты, в конце концов исчезли, к экологическая ниша планетарной жизни резко сократилась. Вот
жизнь и вымерла почти что целиком.
Это действительно была очень простая модель, но в ее пользу говорили
многие геологические и палеонтологические данные, а также проведенные авторами математические расчеты. Тем не менее, у этой гипотезы выявился существенный недостаток. Ее правдоподобие резко снизил все тот же «тайминг».
Теория не могла объяснить довольно большую – в геологических масштабах –
скорость катастрофы, которую трудно было согласовать с весьма малой, почти
микроскопической скоростью сближения континентов. Поэтому американцы
Кнолль и Гроцингер предложили для той же катастрофы совершенно иное объяснение.
В этом месте я позволю себе немного отвлечься и дать волю собственному
воображению. Своим мысленным взором бывалого экскурсовода я так и вижу,
как, ошеломленные зрелищем жуткого побоища, мы стоим посреди мертвой
равнины, пересеченной холмами и оврагами, в такой же мертвой тишине, не
оживляемой ни птичкой, ни насекомым (до их появления еще десятки миллионов лёт), стоим, забыв о нашей машине времени, что нетерпеливо роет землю
копытом, стоим, застыв в позе горестного изумления, печально склонившись
над жалкими остатками биологических видов, переживших великую ПермскоТриасовую катастрофу. Мы ждем, каков будет пост-мортем господ Кнолля и
Гроцингера: они обещали все нам объяснить. Мы застыли и ждем. Но вот наконец появляются оба уважаемых профессора и уже издали ободряюще машут
руками. На их лицах написано: «Эврика!» Степенно приблизившись к нам, они
произносят: «Это было несварение желудка!» И, увидев тупое недоумение на
наших скорбных лицах, снисходительно начинают объяснять.
Исходным пунктом рассуждений Кнолля и Гроцингера послужил тот факт,
что в последние годы геологи стали все чаще обнаруживать в осадках поздних
пермских времен своеобразные отложения – так называемые неорганические
карбонаты. В отличие от карбонатов органических, которые образуются из
склеившихся друг с другом и омертвевших микроскопических сине-зеленых
водорослей, неорганические карбонаты, как правило, формируются без всякой
помощи живых существ, но лишь при том условии, что вода содержит высокую
концентрацию карбона, то бишь углерода. Углерод мог содержаться в воде, в
основном, в виде растворенного углекислого газа, и, таким образом, вся эта
цепь рассуждений (говорят Кнолль и Гроцингер) привела нас к выводу, что в
позднюю пермскую эпоху, то есть во времена, близкие к интересующей нас
Пермско-Триасовой катастрофе, воды земных океанов были насыщены углекислым газом. Как могло возникнуть такое положение?
Напомним (объясняют Гроцингер и Кнолль, видя нашу тупость), что 250
миллионов лет назад, все земные континенты представляли собой единый суперконтинент, а все нынешние земные океаны – единый суперокеан, который
124
вонзался в эту суперсушу узкими и мелководными заливами-морями. Именно
эти мелководные и хорошо прогреваемые моря как раз и были заповедниками
тогдашней биологической жизни, в том числе фитопланктона (о чем говорили
уже Шопф и Зимберлоф). Планктон этот непрестанно высасывал из атмосферы
углекислый газ, использовал его для своих биологических потребностей, а умирая, уносил его с собой на дно океана. Это происходит и в нынешнюю эпоху – с
той, однако, разницей, что сегодня существует гигантский антарктический ледовый континент, который охлаждает прибрежную воду и заставляет ее опускаться в глубины океана, а согревшуюся – напротив, подниматься из глубин.
Это благодетельное действие Антарктики приводит к постепенному перемешиванию океанских вод, но когда б этого не было (а в пермский период континентальных льдов не было нигде), океан бы не перемешивался и за миллионы лет
его глубины окончательно превратились бы в застойные и зловонные сточные
воды, битком набитые мириадами мертвых планктонных частиц с их углекислогазовым содержимым. Не так ли?
Увлекаемые логикой этих рассуждений, мы согласно качаем головой,
и приободренные Кнолль и Гроцингер продолжают: таким образом, наш диагноз произошедшего, как мы уже сказали, острое несварение океанского желудка. Страдающему человеку в таких случаях порой помогает сода. 250 миллионов лет назад этого еще не знали, но на помощь океану пришел другой спасительный механизм. Поскольку углекислый газ, которым планктон накачивал
океанские глубины, в свою очередь, выкачивался из атмосферы, то последняя
постепенно очищалась от этого газа и тем самым освобождалась от его «парникового», то есть согревающего влияния. По мере исчезновения этого газа из атмосферы все больше земного тепла вырывалось в космос, и земной климат становился все холоднее и холоднее, пока Земля наконец не вступила в очередной
ледниковый период. На ней появились континентальные льды, и в какой-то
момент охлажденные ими поверхностные воды впервые стали опускаться в
глубины суперокеана, а вода из этих глубин начала подниматься к поверхности.
Действие этой конвекции как раз и было подобно действию соды на забитый
желудок: океан издал раблезиански чудовищную отрыжку, вместе с которой
исторг наружу накопившийся в нем за миллионы лет углекислый запах мертвого планктона. Океану стало легче, но для земной жизни это имело трагические
последствия.
Легко представить себе, со вздохом заключают авторы, обводя взглядом
мертвую равнину, каким было воздействие этой углекислой отрыжки на мелководные заповедники земной жизни. Эти мелководья были попросту отравлены
и погублены на корню. Те живые существа, у которых скорость метаболизма,
то есть обмена веществ с окружающей средой, была достаточно высока и которые поэтому худо-бедно успевали выводить из организма излишние количества
углекислоты, еще кое-как выживали, хотя и среди них потери достигли почти
50 процентов. Но те, у которых метаболизм происходил медленно, например,
кораллы и некоторые виды планктона, погибли почти целиком.
Такова вкратце гипотеза Кнолля – Гроцингера, и надо сказать – теперь уже
вполне серьезно, что она объяснила некоторые ранее известные науке факты, не
125
получавшие объяснения в «вулканической гипотезе». Так, например, нарисованная Кноллем и Гроцингером картина различной реакции организмов с разным метаболизмом на океанскую «отрыжку» хорошо согласуется с тем, что известно науке о несходных масштабах гибели различных биологических видов в
ходе Пермско-Триасовой катастрофы. Анализ изотопного состава неорганических карбонатов (с которых началась вся цепь рассуждений об «отрыжке») показал, что их происхождение скорее всего действительно связано с ростом концентрации углерода в застойных глубоких водах. И наконец, совсем недавно
геологи обнаружили следы доселе неизвестного оледенения, имевшего место
как раз в конце Пермского периода. В то же время и у этой гипотезы есть свой
камень преткновения, причем тот же, что у «вулканической гипотезы»: она не
может (пока?) объяснить обнаруженного недавно загадочного факта почти полного исчезновения земной растительности уже за миллионы лет до апогея самой Пермско-Триасовой катастрофы.
Поэтому многие ученые продолжали размышлять о причинах этой великой
катастрофы. А когда ученые размышляют, особенно среди ночи, они зачастую
приходят к удивительным и странным выводам, которые потом не дают спать
их коллегам. Именно так произошло с британским геологом Адрианом Джонсом из Лондонского университета. Он тоже пришел к странному выводу, который, грубо говоря, состоял в том, что наша Земля напоминает надутый резиновый шарик, а падающий на нее метеорит или астероид может сыграть роль
иголки, способной этот шарик проколоть. Причем здесь, однако, Пермская катастрофа? Сейчас увидите.
Геологам известно, что скалы глубоко под поверхностью Земли, на глубине в десятки километров, раскалены до 2000 градусов. Они, однако, не плавятся. Их плавлению мешает вес лежащих выше слоев, создающий высокое
давление. Но что, если снять это давление? Что, если что-нибудь сорвет и сбросит вышележащие слои Земли? Понятно, что нижележащие скалы немедленно
превратятся в раскаленную лаву и выплеснутся наружу в виде сотен и тысяч
вулканических извержений, способных растянуться на тысячи лет. Такой могучий перманентный вулканизм неизбежно насытит воздух горячей пылью и углекислым газом и истребит все или почти все живое.
Но что же может сорвать такое количество слоев земной почвы, чтобы разом высвободить гигантскую энергию, запасенную в нижележащих скалах?
Метеориты, вестимо, удивляясь нашей непонятливости, объясняет Адриан
Джонс. Астероиды. Те самые, которые уничтожили динозавров, как впервые
предположил Нобелевский лауреат Луис Альварец. Как мы подробнее расскажем ниже, Альварец с сыном Уолтером нашли ряд убедительных доказательств
виновности метеорита, начиная со слоя повышенной концентрации иридия на
всем земном шаре (как раз в слоях, отвечающих времени гибели динозавров) и
до углеродных шариков-«баккиболлов», наполненных межпланетными газами
(и в массовом количестве рассеянных в тех же слоях). Только Альварец и его
последователи считали, что метеорит был один, и упал он в районе нынешнего
Мексиканского залива и вызвал такие сейсмические и атмосферные последствия, пережить которые даже динозаврам оказалось не под силу, а Джонс и его
126
сторонники, канадец Аб-бот и американка Исли, утверждают, что такие метеоритные удары в истории Земли происходили неоднократно и все они совпадали
по времени с периодами мощной и длительной вулканической деятельности
(вызванной вышеописанным действием этих метеоритов). Кроме «динозавровых метеоритов» (65 миллионов лет назад), время падения которых, как мы уже
знаем, «почти» совпадает с периодом образования гигантских полей вулканической лавы на Девонском плоскогорье в Индии, Джонс, Аббот и Исли указывают на такие же поля в Западной Сибири, образовавшиеся, по геологическим
оценкам, около 250 миллионов лет назад и совпадающие по времени с переходом от Пермского к Триасовому геологическому периоду, то есть как раз с произошедшей на этом переходе Пермской биологической катастрофой.
Впрочем, тотчас нашлись специалисты, которые поспешили заявить, что
эта гипотеза представляется им неубедительной. Расчеты Джонса весьма приблизительны, заявил, например, американский профессор-планетолог Мелош, –
а совпадения времен вулканизма с биокатастрофами имеют точность не больше
нескольких десятков миллионов лет. И вообще, если метеорит углубится в земные скалы, он тут же рикошетирует, а Земля всего лишь встряхнется, никакого
расплавления скал на глубине не произойдет. На это Адриан Джонс возразил,
напомнив Мелошу об Исландии, где таяние ледников снизило наружное давление настолько, что подземные вулканы и гейзеры действуют там до сих пор. В
свою очередь, этот спор так возбудил профессора-физика Мюллера из Калифорнийского университета, что он решился предложить еще одну «фантастическую», как он сам сказал, теорию возбуждения вулканизма ударом метеорита, в
которой главным виновником являются уже не раскаленные подземные скалы,
а металлическое ядро Земли. Спорам этим и сегодня не видно конца.
Впрочем, та живность Пермской эпохи, с которой все эти споры начались,
может спать совершенно спокойно. Ей ведь уже все равно, от чего она погибла.
Мать всех катастроф
Не могу закончить рассказ о великих катастрофах, не упомянув Питера
Уорда. Этот известный американский ученый начинает свою недавнюю статью
«Удар из глубины» размышлением о путях развития науки. Это развитие, говорит он, в чем-то напоминает пунктирную линию эволюции жизни. Точно так
же, как, по Гулду-Эддриджу, в ходе эволюции длительные периоды постепенного накопления незаметных, мелких изменений уже существующих видов
сменяются короткими интервалами взрывоподобного появления множества совершенно новых видов, так и в науке постепенное развитие существующих
теорий время от времени прерывается внезапным появлением совершенно новых, революционных гипотез и теорий.
Эти свои размышления Питер Уорд предпосылает изложению одной такой
революционной теории – предлагаемому им оригинальному объяснению так
называемых биологических катастроф. Всех. Разом. Одной причиной. Все ученые, о которых мы рассказывали раньше, предлагали объяснения тех или иных
конкретных катастроф – Пермской, Юрской и тому подобное, – а Уорд замах127
нулся на все сразу. Он, можно сказать, пытается назвать «мать всех катастроф».
Действительно, спор о причинах этих катастроф, или, как их еще называют,
«массовых истреблений биологических видов», идет в науке уже много десятилетий, и Уорд совершенно прав: причудливые зигзаги этого спора действительно напоминают пунктирный путь постепенной эволюции, прерываемой появлением новых видов, в данном случае – новых теорий. Как мы уже знаем, массовые истребления происходили в истории Земли не однажды. В целом, наука
насчитывает пять крупнейших таких катастроф, во время которых погибала
значительная часть тогдашних живых существ – в океанах или на суше (в конце
Ордовикского геологического периода, 443 миллиона лет назад; в конце Девонского – 374 миллиона лет назад; в конце Пермского – 251 миллион лет назад; в
конце Триасового – 201 миллион лет назад; в конце Мелового – 65 миллионов
лет назад). Что же касается менее значительных, то их насчитывается с добрый
десяток. Возможно, располагай наука средствами более глубокого проникновения в прошлое, ей удалось бы нащупать и другие катастрофы, но и того, что
уже известно, вполне достаточно, чтобы понять, что перед нами некая закономерность, у которой должны быть какие-то причины или даже одна, общая
причина. Об этой-то причине и идет в науке затяжной спор, в который сейчас
включился Питер Уорд.
Напомним то, что нам уже известно. Долгое время такой общей причиной
всех катастроф, как не раз говорилось выше, считались вулканические извержения. Действительно, даже извержения отдельных мощных вулканов вроде
Кракатау вызывают, как мы знаем, серьезные атмосферные и климатические
последствия, продолжающиеся порой несколько лет, и легко представить себе,
какими катастрофическими могли быть последствия одновременного извержения тысяч вулканов, сопровождавшие столкновения континентальных плит и
процессы горообразования в прошлом. Как показало изучение древних лавовых
полей в различных местах земного шара (например, в Сибири или на Деканском плоскогорье в Индии), в истории Земли не раз случались такие длительные периоды вулканизма, продолжавшиеся порой тысячелетиями. Каждый такой период сопровождался непрерывным и чудовищным выбросом пыли и газов, который нарушал экологическое равновесие планеты и приводил к гибели
многих видов живых существ.
Вулканическая гипотеза так непринужденно объясняла биологические катастрофы прошлого, что долгое время считалась единственно возможной. Первая брешь в ней была пробита лишь в 1980 году, когда американские ученые
отец и сын Альварецы выдвинули предположение, что причиной по крайней
мере одной из катастроф – знаменитого истребления динозавров – было не извержение вулканов, а столкновение Земли с крупным метеоритом или даже
астероидом. Основанием для этого было обнаружение в земных слоях соответствующей давности (65 миллионов лет назад) относительно большой концентрации иридия – редкого на Земле химического элемента, который заносится на
земную поверхность частицами космической пыли. В данном случае высокая
концентрация иридия заставляла думать уже не о частицах пыли, а о падении
на Землю крупного космического тела. Удар несущегося с космической скоро128
стью крупного метеорита должен был оставить след в виде огромного кратера,
а последствия такого удара могли быть не менее смертоносными для земной
флоры и фауны, чем длительный период мощного вулканизма, разве что куда
более сконцентрированными во времени.
Обнаружение кратера подходящих размеров и давности (Чикскулуб на
мексиканском полуострове Юкатан) упрочило положение метеоритной гипотезы, и она стала считаться наиболее возможной причиной гибели динозавров. И
хотя отдельные исследователи до сих пор продолжают отстаивать роль вулканизма и в этой «катастрофе динозавров», но даже они стараются теперь, как мы
уже рассказывали, каким-то образом совместить это с метеоритным ударом.
Утверждается, например, что хотя удар был, но ему предшествовал длительный
период вулканизма, который расшатал экологическое равновесие планеты и
практически привел ее на край катастрофы (такой период вулканизма в эту
эпоху действительно был), так что последующий удар метеорита сыграл лишь
роль «последней соломинки», окончательно и быстро обрушившей это равновесие.
Появление и упрочение метеоритной гипотезы Альварецов породило соблазн объяснить подобными столкновениями и другие крупные биологические
катастрофы, иными словами – объявить удары метеоритов новой общей причиной всех биологических катастроф в истории Земли (эту мысль впервые высказал в 1991 году палеонтолог Дэвид Рауп в своей книге «Истребления: незадачливые гены или незадачливая судьба?»). В самом деле – столкновения нашей
планеты с метеоритами не только не исключены, но, как мы хорошо знаем,
происходят непрерывно, а за прошедшие 500 миллионов лет наверняка могли
быть и отдельные столкновения с достаточно крупными небесными обломками.
И каждое такое столкновение неминуемо должно было привести к очередному
массовому истреблению земной жизни.
Эти соображения побудили ученых к интенсивным поискам следов таких
столкновений. Поиски облегчались тем, что характер искомых следов был известен заранее. Это были, разумеется, богатые иридием слои соответствующей
давности, а также некоторые другие последствия космического удара. Мощное
столкновение с метеоритом должно было резко изменить структуру земных
скал, оставив в них характерные «ударные конусы», а быстрое последующее
остывание скальных пород должно было привести к образованию множества
округлых стеклоподобных микроглобулл. В кварцевых породах под воздействием ударных волн должны были возникнуть вкрапления так называемого
«потрясенного кварца» и спекшиеся зерна железа и никеля. Особенно специфическим последствием космического столкновения должно было стать появление полых углеродных шариков-«фуллеренов», содержащих газы типа аргона,
гелия и неона в том соотношении, в каком они встречаются в метеоритах и
космической пыли. И, разумеется, важным свидетельством в пользу гипотезы
столкновения был бы кратер подходящих размеров и возраста.
Вооруженные всеми этими приметами, специалисты составили нечто вроде таблицы всех обнаруженных ими в последние годы следов космических ударов, начиная с отметки «минус 500 миллионов лет». Пометив на той же таблице
129
известные науке периоды древнего вулканизма, они получили возможность более надежно судить, чему следует скорее приписать ту или иную биологическую катастрофу прошлого – вулканам или метеоритам. Такое сопоставление
привело многих ученых к выводу, что большинство, если не все катастрофы
древности были вызваны космическими столкновениями. Так, в отложениях
Девонского периода эпохи был найден тонкий слой иридия; следы иридия были
обнаружены также в отложениях Триасового периода, и особенно много свидетельств в пользу метеоритного удара было найдено для так называемого «Великого Пермского побоища» – катастрофы конца Пермского периода, когда погибло почти 80 процентов всех обитателей земных океанов. В отложениях того
времени были обнаружены не только слои иридия, но и фуллерены, и «потрясенный кварц» с микроглобуллами, и все прочие следы метеоритного удара, а
главное – засыпанный землей древний кратер в районе Беду на северо-западе
Австралии; его размеры – 200 км в поперечнике – превосходят даже размеры
юкатанского «кратера динозавров», а возраст (220–250 миллионов лет) хорошо
согласуется со временем Пермской катастрофы. Да, недаром Адриан Джонс
связал эту катастрофу с ударом метеорита.
С учетом того, что самое «недавнее» массовое истребление (гибель динозавров в конце Мелового периода) уже ранее было надежно отождествлено с
метеоритным ударом, единственной не связанной с метеоритами катастрофой
оставалась самая древняя – Ордовикская; но для нее было предложено отдельное объяснение: мощный поток убийственной радиации от вспыхнувшей вблизи Солнечной системы сверхновой звезды. Итогом всех этих исследовательских
усилий оказалась единая и связная «космическая» теория земных биологических катастроф, сменившая прежнюю вулканическую «парадигму». Но в точном соответствии с размышлениями Уорда и эта новая «общая модель» недолго
оставалась на монопольном положении. Опубликованные в самые последние
годы результаты новых, более детальных исследований поставили под сомнение всеобщность метеоритной модели, и вот теперь Питер Уорд выдвигает на
роль очередной «матери всех катастроф» совершенно иную, прежде никем вообще не рассматривавшуюся причину.
Как мы уже сказали, Питер Уорд – известный американский биолог, профессор университета штата Вашингтон и руководитель отдела изучения биологических катастроф. В последние годы он вместе с другими коллегами разработал новую, более точную методику изучения слоев в древних отложениях времен «катастрофы динозавров». В слоях до и после этой катастрофы они нашли
очень много окаменелых останков древних организмов; в слоях времен катастрофы таких останков оказалось, естественно, меньше, потому что меньше
стало живых существ. Однако исследователи заметили, что такое уменьшение
останков в древних слоях происходит неравномерно: останки самых мелких
микроорганизмов исчезают разом, как будто катастрофа срезала их одним махом, но чем больше по размерам представители того или иного биологического
вида, тем как будто бы постепенней происходило их исчезновение. Детально
изучив это странное несоответствие, ученые пришли к выводу, что оно является
результатом некой систематической погрешности: большие размером останки
130
попросту реже встречаются. Была выведена формула, позволявшая учесть эту
погрешность, и тогда оказалось, что даже самые крупные моллюски того периода, аммониты, исчезли столь же быстро («внезапно» – в геологических масштабах времени), как и многие прочие, более мелкие виды. Удар метеорита
действительно вызвал «мгновенную» катастрофу.
Этот вывод подтвердили и другие исследования Уорда, в которых
изучалось соотношение изотопов углерода в древних слоях той же эпохи. Мы
уже знаем, что растения потребляют углекислый газ из атмосферы и путем фотосинтеза превращают его в углерод (который они используют для построения
новых клеток и накопления энергии) и кислород (который они «выдыхают» обратно в атмосферу). При этом растения, как оказывается, предпочитают тот углекислый газ, в котором имеется изотоп углерода с весом 12 единиц; в результате такого предпочтения изотоп с весом 12 единиц уходит из атмосферы, и его
там становится меньше. В то же время изотоп с весом 13 единиц в атмосфере
сохраняется. Поэтому отношение количества атмосферного С-13 к количеству
атмосферного С-12 позволяет судить, с какой интенсивностью в тот или иной
период поглощался углерод С-12, то есть много или мало на Земле в это время
было растений, водорослей или микробов, живших за счет фотосинтеза. Как
только это отношение резко падает (то есть С-12 перестает поглощаться), можно говорить об исчезновении фотосинтезирующих видов (а также, видимо, и
более крупных существ, которые этими видами питаются).
В случае Мелового периода график, показывающий, как менялось это отношение до и после катастрофы динозавров, действительно имеет четкий и
крутой спад на отметке 65,5 миллионов лет, и этот спад сохраняется затем
весьма длительное время (порядка десятков тысяч лет). Но вот в случае катастроф Пермского и Триасового периода Уорд и его коллеги обнаружили совершенно иную картину: на протяжении доброй сотни тысяч лет концентрация
С-12 то резко падает, то резко растет, как будто земная растительность и микробная жизнь то исчезали, то восстанавливались вновь – и так несколько раз.
Никакой единичный метеорит или астероид, понятно, не мог вызвать такие изменения; их могло бы вызвать только систематическое падение на Землю многих метеоритов один за другим с интервалом в тысячи лет, – но геология не дает никаких свидетельств в пользу такого маловероятного события в соответствующие эпохи.
Более того – исследования последних лет поставили под сомнение и те
прежние находки (фуллерены, «потрясенный кварц»), которые как будто говорили о метеоритном характере Триасовой и Пермской катастрофы. Геологи
разошлись во мнении относительно природы так называемого «кратера Беду»,
и многие теперь считают, что это не кратер, а просто особая геологическая
формация. А слои иридия Пермского периода хоть и говорят об ударе метеорита, но такого небольшого, что это никак не может объяснить масштабы тогдашней катастрофы.
Но если не вулканизм и не те метеориты – что же тогда?! Новое объяснение, предложенное Уордом, основано на изучении других, ранее не входивших
в научный оборот следов биологических катастроф – так называемых биомар131
керов. Так называются специфические, особенно устойчивые органические молекулы, которые остаются от некоторых микроорганизмов на месте своей гибели. Подобные биомаркеры позволяют судить о наличии или отсутствии микробной жизни, даже если эта жизнь не оставила окаменелых останков. Так вот,
для слоев всех катастроф, кроме последней («катастрофы динозавров»), оказались характерны биомаркеры, оставляемые фотосинтетическими сульфидными
бактериями, которые обнаруживаются сегодня в лишенных кислорода (аноксических) глубинах застойных озер и Черного моря. Эти бактерии извлекают
энергию путем окисления сероводорода – очень ядовитого газа, убийственного
для других форм жизни. Обилие таких бактерий в морских отложениях на скалах времен Триасовой и Пермской катастрофы говорит о том, что в океанах тогда было очень мало кислорода. В сегодняшних океанах кислород наличествует
примерно в одинаковой концентрации во всех слоях, до самого дна; он проникает в воду из атмосферы и перемешивается подводными течениями. Только в
особых условиях, как, например, в Черном море, кислород проникает лишь на
определенную глубину, а дальше начинается аноксический слой, насыщенный
сероводородом. Сульфидные бактерии живут как раз на границе раздела кислородного и аноксического слоев, потому что им нужен, с одной стороны, сероводород, приходящий снизу, а с другой – солнечный свет, приходящий сверху
(свет нужен им для фотосинтеза) .
Расчеты Ли Кампа из Пенсильванского университета показали, что при
уменьшении концентрации кислорода в океанах сульфидные бактерии начинают усиленно размножаться и производить все больше сероводорода. Из-за этого уровень слоев, насыщенных этим газом, постепенно повышается, все более
приближаясь к поверхности, и при какой-то критической концентрации газа сероводородный слой вообще всплывает на поверхность и сероводород начинает
выделяться в атмосферу огромными ядовитыми пузырями. Данные, полученные Уордом при исследовании биомаркеров конца Пермского периода, говорят
о том, что концентрация сероводорода достигла тогда как раз этой критической
величины. Вырвавшиеся в атмосферу огромные количества этого ядовитого газа и были, видимо, главной причиной массовой гибели растительных и животных видов как в океанах, так и на суше. Вспомним, как вулканическая теория
объясняла массовые истребления обильным выделением газа, только углекислого, выброшенного при извержениях вулканов. И Кнолль с Гроцингером тоже
поминали этот газ, рассуждая об «углекислой отрыжке», которая якобы была
причиной Пермской катастрофы. Однако Уорд утверждает, что повышение
концентрации углекислого газа и вызванное этим потепление не могли бы уничтожить растения – они, напротив, должны были бы еще больше расцвести, а
мы помним, что в эту эпоху они тоже погибли. Зато «сероводородная теория»
это затруднение снимает, потому что сероводород одинаково смертелен и для
животных, и для растений.
Но, оказывается, сероводород не был единственным виновником Пермской
катастрофы. Как показали расчеты Александра Павлова из Аризонского университета (того самого Павлова, о котором мы упоминали в связи со «снежным
комом»), при очень большом содержании сероводорода (газа в атмосфере) про132
исходит разрушение озонового слоя, защищающего жизнь на Земле от убийственного воздействия ультрафиолетового излучения Солнца. Видимо, в Пермский период именно это и произошло, потому что найденные недавно в Гренландии окаменевшие споры тех времен отличаются уродствами, характерными
как раз для растений, слишком долго подвергавшихся воздействию ультрафиолета.
Возможно, однако, милостиво соглашается Уорд, что свою роль сыграл и
вулканизм, сопровождавший ряд крупных и мелких катастроф, известных
науке. Массовое выделение метана и углекислого газа при извержениях вулканов вело, как только что сказано, к потеплению, а ядовитость сероводорода
возрастает с повышением температуры. Но главная роль потепления состояла,
по-видимому, в том, что оно, как всегда, затрудняло поглощение кислорода водой, а это вело к тому, что кислорода в океанах становилось все меньше и слои
сероводорода поднимались все выше к поверхности, пока, наконец, не вырвались наружу.
Гипотеза Кампа–Уорда о решающей роли сероводородной «отрыжки» океанов как общей причине многих биологических катастроф древности уже подтверждена данными по биомаркерам Палеоценской эпохи (54 миллиона лет
назад), когда произошло довольно значительное истребление целого ряда животных. Те же биомаркеры свидетельствуют, что аналогичная цепь событий
(вызванное вулканизмом потепление – исчезновение кислорода в океанах –
подъем сероводородных слоев и выход ядовитого сероводорода в атмосферу с
последующим разрушением озонового слоя) могла иметь место также в конце
Триасового, середине Мелового и конце Девонского периодов. Иными словами,
именно эта «отрыжка» все уверенней выходит на авансцену как повторяющаяся, общая причина если не всех до единой, то очень многих биологических катастроф. Всякий раз после такой «отрыжки» возрождение жизни начиналось
только с окончанием глобального потепления, потому что когда вулканизм затихал и температура снижалась, кислород начинал больше растворяться в воде
и сероводородные слои начинали опускаться в глубины океанов.
Это наводит на грустные размышления: ведь сегодня мы опять говорим о
надвигающемся глобальном потеплении, только на этот раз о рукотворном. Не
готовим ли мы и себе такую же «сероводородную отрыжку»?
Впрочем, мы уже видели уверенное восхождение и последующий крах
столь многих гипотез, что не удивимся, если окажется ошибочной и эта, очередная...
ОТ ДИНОЗАВРОВ К МЛЕКОПИТАЮЩИМ
Бурная жизнь динозавров
133
Как бы они ни погибли, эти динозавры – великие, средние, малые и все, но
нельзя забывать, что они правили Землей по меньшей мере полтораста миллионов лет подряд, а это много дольше, чем правим ею мы, цари природы. И если
отсчитать от момента гибели динозавров – 65 миллионов лет назад – время их
существования, то есть еще полтораста миллионов лет назад (плюс-минус пару
дней, не больше), то окажется, что динозавры расхаживали по Земле и сто, и
даже двести миллионов лет назад. Это как раз те цифры, к которым мне бы хотелось привлечь ваше напряженное внимание. Ибо, как вы сейчас убедитесь,
они показывают, что жизнь этих гигантских пресмыкающихся была весьма
бурной – во всяком случае, не менее бурной, чем наша. Разумеется, мы можем
похвастать, что на нашем веку произошли целых две с половиной мировые
войны (половина – холодная), а то и целых три (если прибавить нынешнюю
войну с террором), но поверьте: даже мировые войны – ничто в сравнении с теми бедствиями, которые – если верить ученым, – пережили на своем веку (за
свои полтора миллиона веков) несчастные ящеры.
Действительно, ученые недавно пришли к выводу, что примерно 120 миллионов лет назад и повторно около 90 миллионов лет назад земные океаны претерпели еще одну, на сей раз метановую «отрыжку» с невообразимо жуткими
последствиями, а всего лишь через 6 миллионов лет после этого, то есть 84
миллиона лет назад, вся наша Земля как целое претерпела, как мы уже рассказывали, такой могучий «кувырок», последствия которого хоть и можно вообразить, но как-то не хочется. И поскольку все это, как мы заблаговременно подсчитали, происходило между появлением динозавров на Земле и их исчезновением, то, стало быть, им и досталось все это пережить. Воистину не позавидуешь.
Естественно, в задних рядах назревает вопрос: каким образом ученые вообще ухитряются заглядывать в такие глубины прошедшего времени и еще чтото там видеть? В разных случаях по-разному. В данном случае – с помощью
взятия глубинных проб со дна океана. Эти пробы почвы, если брать их буром с
определенных глубин, приносят сведения о составе осадочных пород, осевших
на дно в определенное прошлое время. Поскольку темп такого осаждения уже
изучен, вычислен и проверен, его величина позволяет узнать, какого возраста
данная проба. В ней, понятно, зафиксирован («вморожен») химический состав
тогдашней воды, из которой осел соответствующий слой придонной почвы. В
134
частности, там «вморожено» то соотношение между изотопами углерода С-13 и
С-12, которое тогда характеризовало воду. Это соотношение, в свою очередь,
характеризует насыщенность воды метаном. Всякое изменение этой изотопной
пропорции говорит ученым, что с метаном, растворенным
в океанской воде, что-то произошло: его стало больше или меньше.
Однако обнаружить такое изменение не так-то просто. Раньше, когда донные пробы брали с глубин, разделенных очень большими промежутками, никакие такие изменения вообще не обнаруживались. Но в последние годы промежутки между пробами стали делать – в переводе на разделяющие их годы – через каждые несколько тысяч лет, и тогда выяснилось, что изменения были,
только раньше они проскальзывали сквозь чересчур редкое сито и оставались
незамеченными.
Это происходило потому, что изменения эти занимали довольно короткий
промежуток времени – каких-нибудь несколько тысяч лет. Понятно, что две
пробы, разделенные десятками тысяч лет, не могли уловить то, что происходило в промежутке между ними. Теперь же, сделав свое «сито» более частым,
геологи сразу обнаружили три случая резкого, продолжавшегося всего несколько тысяч лет скачка в соотношении углеродных изотопов, или, что то же
самое в концентрации метана в океанской воде. Третий случай, произошедший
55 миллионов лет назад, динозавров уже не коснулся: они к тому времени остались на Земле только в виде скелетов, – зато он обозначил, как считают ученые,
важнейший поворотный пункт в эволюции млекопитающих. Два же других
случая – 120 и 90 миллионов лет назад, как мы уже говорили, выпали на долю
ящеров. Оба раза океан, так сказать, чудовищно рыгнул метаном, или, деликатно выражаясь, за геологически короткое время выделил в атмосферу огромное
количество этого газа. Сообщение об этом новом открытии геологов, естественно, вызвало целый ряд вопросов.
Прежде всего, понятно, возник вопрос о возможных причинах этих явлений. Затем – вопрос об их последствиях. Что касается причин, то пока предложено лишь одно приемлемое (но еще далеко не всеми спе-циалистами принятое) объяснение – вулканическая деятельность на дне тогдашних океанов. Все
мы знаем, что на океанском дне тоже есть вулканы и что время от времени там
происходят вулканические извержения. Предполагается (и на это указывают
другие, независимые данные), что именно 120 и 90 миллионов лет назад определенные участки океанского дна переживали период особенно бурной вулканической активности, сопровождавшейся извержением огромных количеств лавы. Эта лава согрела придонную воду, в которой плавали (как плавают, кстати,
и сейчас) громадные куски заледеневшей смеси метана и воды, образованные
специальными придонными бактериями. В результате постепенного нагрева
часть этих метановых льдин разрушилась, и произошло «быстрое» высвобождение колоссальных количеств метана, который постепенно выделился из воды
в атмосферу. Здесь, немедленно окислившись под воздействием свободного
кислорода, этот метан превратился в углекислый газ.
Теперь становятся понятны и последствия. Все мы знаем, что углекислый
135
газ является так называемым «парниковым газом». Он пропускает к поверхности Земли ультрафиолетовое излучение Солнца, но когда в результате взаимодействия с растениями, оно превращается в более длинноволновое излучение,
тот же газ уже не выпускает его наружу. Иными словами, он действует, как
крыша парника или теплицы.
Под его слоем образуется перегретая влажная атмосфера. Все мы знаем
также, что именно таким «парниковым влиянием» созданного нами самими избытка углекислого газа многие ученые объясняют нынешнее глобальное потепление. Точно так же быстрое выделение метана из океанской воды и, как результат, насыщение атмосферы большим количеством углекислого газа должны
были и 120, и 90 миллионов лет назад привести к аналогичному глобальному
потеплению и даже (если вспомнить, о каких количествах идет речь) к суперпотеплению как на суше, так и в воде. В толще океана это потепление должно
было вызвать расцвет органической жизни. Остатки этой тогдашней пышной
органики как будто бы действительно найдены сейчас в определенных местах
океанского дна. На суше же резкое повышение температуры могло создать приемлемый для динозавров климат даже в полярных областях, и, опять же, исследователи давно установили, что примерно 90 миллионов лет назад динозавры и
другие пресмыкающиеся действительно продвинулись далеко на север (достаточно сказать, что останки крокодилов были недавно найдены – причем именно
в слоях 90-миллионолетней давности – вблизи Ньюфаундленда, в северной Канаде.)
Таким образом, свидетельства метановых «отрыжек» древнего океана
слишком убедительны, чтобы их игнорировать. Скорее всего, обе отрыжки действительно имели место, и древнему океану придется «взять их на себя», как
сказано в классическом анекдоте советских времен. Зато в следующем катаклизме, тоже выпавшем на эпоху динозавров, виновата, по всей видимости, уже
не вода, а суша. Этим катаклизмом, как я уже сказал, был головокружительный
«кувырок», проделанный нашей планетой 84 миллиона лет назад. Динозавры,
можно сказать, только-только оправились от недавнего выброса метана в атмосферу, как тут вдруг у них, что называется, земля поплыла под ногами. Такой
случай, насколько нам известно, всего лишь дважды описывался в литературе,
да и то в художественной: один раз у Марины Цветаевой («... мне нравится, что
... шар земной не поплывет под нашими ногами...»), второй у мужественного
романтика Эрнеста Хемингуэя в его романе «По ком звонит колокол». Но с динозаврами-то это было на самом деле!
Вот как это произошло, по мнению ученых. Известно, что земные континенты (точнее, континентальные плиты, на которых они лежат и которые сами
плавают на магме) блуждают по лицу Земли и в течение десятков и сотен миллионов лет то собираются в единые супер-материки, то расходятся в самых
причудливых комбинациях. Но с недавних пор, а именно с 1969 года, известно
также, что время от времени происходят такие смещения, в которых участвуют
не отдельные какие-то материки, а вся планета в целом. Год назван точно, потому что именно в этот год два американских ученых, физик Питер Гольдрайх
и математик Адар Тумре, строго научно рассмотрели, что будет с вращающим136
ся телом, если некая избыточная масса на его поверхности или внутри него
начнет перемещаться от экватора к полюсу. Вращающаяся Земля наиболее
устойчива, когда самые массивные ее части – многокилометровый ледовый
слой на поверхности или гигантская скала внутри мантии – располагаются как
можно дальше от оси ее вращения, иными словами – когда неуравновешенная
масса находится на экваторе. Если такая масса образуется в ином месте или
сдвинется от экватора туда, Земля ответит на это «кувырком»: она повернется
так, чтобы эта избыточная масса оказалась на экваторе; при этом ось ее вращения, оставаясь по-прежнему сориентированной на те же звезды, что прежде,
повернется относительно Земли и выйдет из нее в ином месте. Иными словами,
произойдет то, что называется «истинным перемещением полюсов» (в отличие
от простого, хаотического и медленного, а также весьма незначительного их
перемещения, вызванного постоянным покачиванием земной оси относительно
того же заданного положения). Как мы уже рассказывали, американский геолог
профессор Киршвинк полагает, что такой кувырок наша планета претерпела во
времена Кембрийского взрыва более 550 миллионов лет тому назад. А вот теперь два других американских ученых, Сэйджер и Копперс, выступили с
утверждением, что такой же кувырок, или истинное перемещение полюсов,
имел место и много позже, а именно 84 миллиона лет назад (плюс-минус 2
миллиона), то есть как раз во времена динозавров. Согласно расчетам этих ученых, кувырок был изрядным: Земля в течение каких-нибудь двух миллионов
лет повернулась на 16–20 градусов. Это соответствовало перемещению почвы в
районе Атлантического океана с севера на юг, к экватору, на 110 сантиметров в
год – в 10 с лишним раз быстрее, чем происходит современный континентальный дрейф.
Это свое предположение упомянутые ученые подтвердили убедительными
измерениями палеомагнетизма. Это позволило им установить, как менялось положение магнитных полюсов Земли в интервале от 120 до 39 миллионов лет
назад. И в одной точке этого интервала, приблизительно 84 миллиона лет назад,
они обнаружили особенно резкое перемещение этих полюсов. А как известно,
магнитные полюса, хоть и перемещаются из-за разных подвижек материала в
металлическом ядре Земли, но всегда при этом стараются держаться рядом с
географическими полюсами. Так что если 84 миллиона лет назад произошло
резкое и быстрое смещение магнитных полюсов, то значит, столь же резко и
быстро сместились в ту пору полюса географические, то есть земная ось.
Выводы Сэйджера и Копперса были подтверждены независимыми измерениями палеомагнетолога Ричарда Гордона, проведенными в Тихом океане. Однако пока что далеко не все специалисты признали правоту этих исследователей. Некоторые считают их данные недостаточными, другие – неубедительными. Потребуются, стало быть, дальнейшие исследования и проверки. Но если
предположение подтвердится, это будет свидетельствовать, что у динозавров
действительно была бурная жизнь, полная неожиданностей и катаклизмов. То
океаны тысячелетиями кипят, выбрасывая в небо потоки метана, то земля миллионы лет ползет под ногами невесть куда... Какая уж тут жизнь! Чем такая
жизнь, уж и впрямь лучше астероид – тр-р-р-ах! – и разом все мучения кончи137
лись.
А ведь разумно, ничего не скажешь...
Портрет ящера на фоне эпохи
Все-таки не хочется расставаться с динозаврами на слишком печальной
ноте. Ну, конечно, конец их был ужасен – врагу не пожелаешь. Но пока они
жили, расхаживали по земле, плескались в воде земных океанов и летали птеродактилями на своих ящериных крыльях в земном воздухе, у них тоже были
свои счастливые минуты, И чем больше ученые узнают об этих симпатичных
ящерах, тем более очевидно становится, что с динозаврами никогда не соскучишься. История этих животных непрерывно подбрасывает все новые вкусные
детали. И вот тому доказательства – последние по времени.
Не так давно группа ученых под руководством Мартина Кундрата из Праги увенчала свои шестилетние исследования окаменелых яиц динозавров публикацией любопытных выводов. Группа Кундрата изучала, как развивались эмбрионы динозавров по сравнению с эмбрионами птиц и аллигаторов. Для этого
найденные яйца (конкретно – яйца так называемого теризино-зауроида, которого относят к растительноядным динозаврам) осторожно и тщательно очищались
от окаменелых остатков скорлупы, чтобы выявить столь же окаменелые косточки самого эмбриона и питательного желтка вокруг, а также расположение
эмбриона в этом желтке. Объем оставшегося желтка уменьшается по мере развития эмбриона, и степень расправленности косточек грубо характеризует возраст зародыша.
Еще более точные данные о возрасте ученые получили, изучая степень пористости костей эмбриона. Скелетик начинает свое существование в виде мягких и очень пористых костей, которые постепенно твердеют. Степень такого
затвердевания тоже отражает возраст зародыша. С другой стороны, изучение
костей важно само по себе. Кундрат обнаружил, что зародыши теризинозауроида, пройдя всего две трети пути к полному созреванию, уже обладали костями, настолько менее пористыми и настолько более твердыми, чем их сверстники в яйцах аллигаторов, что детеныши этих динозавров были способны ходить сразу после выхода из яйца.
Вторым предметом изучения были зубы. Кундрат собрал много окаменелых зубов теризино-зауроидных зародышей разного возраста. И обнаружилась
еще одна любопытная особенность. У самых молодых зародышей зубы были
еще похожи на зубы других динозавров, питавшихся мясом. Но по мере развития в яйце они все более и более превращались в зубы, предназначенные для
растительной пищи. Однако процесс этого превращения заканчивался уже вне
яйца. Иными словами, новорожденные теризино-зауроиды, появляясь на свет,
были способны не только бегать на всех своих четырех, но и питаться как растениями, так и мясом. И только потом, повзрослев, они полностью становились
убежденными вегетарианцами. Как известно, развитие особи повторяет в чемто развитие вида и даже предшествующих видов. Поэтому превращение молодого теризино-зауроида из хищника в травоядного может быть признаком того,
138
что динозавры-вегетарианцы в свое время развились из плотоядных.
Очень симпатичная история, но вторая нисколько не хуже. Это история о
том, почему динозавры стали такими большими. Прославленный (неизвестно
почему) тиранозавр весил 6 тонн, но не шел ни в какое сравнение с куда менее
популярным среди детей и взрослых брахиозавром (кстати, тоже мирным вегетарианцем), вес которого достигал 88 тонн! Как говорится – как их только земля носила?!
Палеонтолог Грегори Эриксон из Флориды заинтересовался этим вопросом и решил выяснить – действительно, как? В качестве объекта изучения он
выбрал мелкотонного тиранозавра, поскольку его костей собрано особенно
много – как вы, наверно, знаете, достаточно, чтобы построить полный скелет, и
даже не один. Изучение этих костей позволило Эриксону вывести кривую роста
данного динозавра. И что же оказалось? Оказалось, что тираннозавр начинал с
довольно небольших размеров и гигантом становился только в юности, когда
вдруг, ни с того ни с сего, начинал расти экспоненциально. Иными словами, он
рос не столько дольше, чем современные млекопитающие и пресмыкающиеся,
сколько намного быстрее, чем они. Между 14 и 18 годами он, по данным Эриксона, ежедневно набирал по 2 килограмма. 4 года по 365 дней каждый (не считая високосного) и по 2 кг в день – это же жуть что получается. Это получается
почти 3 тонны!
Поскольку в природе нет дармовых завтраков, она (природа) возместила
быстрый рост тираннозавра столь же быстрым его старением. Самый старый из
известных тираннозавров (знаменитая «Красотка Сью» в музее Филда в Чикаго) умер примерно в 28 лет. К тому же тираннозавры не могли двигаться быстро. Точнее, это взрослые, весом больше 1 тонны, не могли – детишкитираннозавры бегали, по всей видимости, достаточно резво. А у взрослых скорость бега ограничивал вес. Он не давал тираннозаврам передвигаться быстрее,
чем со скоростью 35-40 км в час. Чтобы бегать быстрее, требовалась такая масса мышц, что скелет динозавра не мог бы ее поддерживать. Компьютерные модели, разработанные британским биологом Хатчинсоном, показали, что даже
при тех мышцах, которыми располагал тиранозавр, он ходил и бегал крайне
неуклюже – голова на длинной шее все время перетягивала его вперед, и только
большой вес защищал его от падения.
А как же тогда передвигался вдесятеро более тяжелый брахиозавр? Мы
опять возвращаемся к исходному вопросу. Но теперь ученые нашли на него ответ. Мэтью Боннан из университета штата Иллинойс показал, что такие огромные динозавры просто шаркали ногами, почти не отрывая их от земли. У современных больших животных вроде носорогов и слонов кости по мере роста и
увеличения веса перестраиваются, всякий раз подгоняясь под новый вес. Динозавры же, что молодые, что старые, имели, как оказалось, кости одной и той же
формы, только все более и более толстые. И ходили они, раскачиваясь, точно
маятник, едва-едва отрывая то одну, то другую ногу и опираясь всеми остальными тремя, чтобы сохранить устойчивость.
И это лишь малая часть того, что наука на данный момент может сказать о
весе, росте, созревании и хождении самых огромных животных, существовав139
ших за всю земную историю. А кстати, недавно она (наука) узнала кое-что новое и о том, как они перестали ходить по Земле вообще. Как мы помним, это
произошло в результате падения огромного метеорита или астероида в районе
Мексиканского залива примерно 65 миллионов лет тому назад. И вот сейчас
американский ученый Дуг Робертсон сумел уточнить некоторые детали этого
ужасного происшествия. Согласно его расчетам, основной удар по тогдашним
живым существам нанесли добела раскаленные обломки скал, выброшенные в
небо и затем упавшие вниз. Этот огненный дождь буквально испепелил все живое на поверхности Земли. Уцелели только те животные – в том числе крохотные в ту пору (не больше мыши) млекопитающие, – которые могли спрятаться
в норах или в воде. Но динозавры и птерозавры (летающие ящеры) были слишком большими, чтобы найти убежище. Поэтому они в прямом смысле слова
были изжарены заживо, увы.
Тоже веселенькая история, не правда ли...
Трудно быть маленьким
И вот наконец сменили несчастных динозавров наши прямые предки –
млекопитающие. И что – жить стало лучше, жить стало веселее? Куда там!
Млекопитающим тоже оказалось нелегко. Более того – млекопитающим поначалу пришлось очень трудно. Во-первых, и это главное, они поначалу
были маленькие. То есть не все маленькие. Недавно в Китае нашли огромное кладбище древних животных, точнее – их останков, и там обнаружились
следы довольно больших млекопитающих – размером с нынешнего крота. А в
другом месте ученые нашли отпечатки скелета водоплавающего млекопитающего величиной с нашего небольшого дельфина. Но в основном млекопитающие на первых порах действительно были маленькие – не больше современной
мыши. А маленьким всегда плохо. Ведь Землей в ту начальную для млекопитающих пору еще владели упомянутые выше динозавры. И вот бедные млекопитающие вертелись у них под ногами, как мыши под ногами у слонов, и,
наверно, массами гибли затоптанные. Но что поделать: хочется есть – надо вертеться.
Поэтому млекопитающие, надо думать, с восторгом встретили падение на
землю того астероида, а может – извержение того вулкана, который 65 миллионов лет назад покончил с эпохой динозавров. Они, наверно, думали, что в отсутствие динозавров они сами станут хозяевами Земли и, конечно, управятся с
ней куда лучше тупоголовых ящеров. Эпигоны всегда так о себе думают. Но,
увы, когда они вылезли из своих крохотных нор на опустевшие материки, то
сразу поняли, что и в новой эпохе им ничего хорошего не светит. Да и как,
спрашивается, им что-нибудь могло светить, если пыль и прах, в которые обратились земная почва и космический астероид в результате их теплой и шумной
встречи, застлали все небо так, что даже в полдень было темно. И жутко холодно, потому что солнечные лучи не могли пробиться через этот толстый слой
пыли, окутавший всю планету, с экватора до полюсов. Много позже люди придумали для такой погоды выразительное название «ядерная зима» – в том
140
смысле, что если взорвать над Землею пару десятков термоядерных бомб, то
примерно такая погода на ней и наступит. Но этого, к счастью, никто пока не
проверял.
Ядерная зима над Землею продолжалась очень долго, и опустевшие материки планеты успели замерзнуть и покрыться льдами. Несчастные маленькие
млекопитающие опять погибали огромными массами. Выжили только те, что
обитали близ экватора, где было чуть потеплее. И неизвестно, сколько еще
прожили бы и эти, если бы вдруг все разом не изменилось. В один прекрасный
день над океаном вдруг бесшумно поднялся туман, который постепенно застлал
все небо и надолго стер с мира все его краски. Когда же земля и вода вновь вынырнули из этого бесформенного серого месива, обнаружилось чудо: везде капало, хлюпало и чвакало. Материки оттаяли, в воздухе стояло весеннее тепло, и
тысячи тысяч новых млекопитающих куда крупнее прежних бегали, метались,
суетились и сновали повсюду, суматошно осваиваясь в новой жизни.
Теперь изложим то же самое сухо, прозаически. В 30 минутах езды от
немецкого города Франкфурта располагается знаменитая Мозельская долина,
где в последние годы было обнаружено древнее озеро примерно 50миллионолетней давности. В грязевых слоях этого высохшего озера сохранились на удивление цельные, порой даже с очертаниями внутренних органов,
скелеты десятков тысяч животных, некогда обитавших на его берегах, в его водах и в воздухе над ним. Изучение этих находок подтвердило давнее предположение ученых (сформировавшееся под влиянием других находок такого же рода, хотя и не столь эффектных), что около 55-50 миллионов лет назад на Земле
произошло какое-то событие, которое дало толчок быстрому и многостороннему развитию млекопитающих. Судя по всему, это событие сопровождалось
значительным повышением среднегодовых температур на планете, в результате
чего доселе небольшие и немногочисленные млекопитающие стали увеличиваться в размерах и количестве и быстро распространяться,
колонизуя оттаявшие континенты и видоизменяясь сразу во многих эволюционных направлениях. Вслед за эпохой динозавров (через 10-15 миллионов
лет!) наконец-то наступила эпоха млекопитающих. Именно тогда появились
первые, дальние предшественники современных лошадей, собак, обезьян, слонов и людей.
Такие резкие потепления палеоклиматологам хорошо известны. Два из
них, как мы только что рассказывали, произошли еще в эпоху динозавров, 120 и
90 миллионов лет назад. Оба раза это было вызвано мощным и относительно
быстрым выбросом метана из океанских глубин, своего рода «метановой отрыжкой океана». Теперь палеоклиматологи, исследуя пробы, поднятые с океанского дна вблизи мыса Канаверал во Флориде, обнаружили, что 55 миллионов
лет назад Земля пережила третий такой же катаклизм, который по мощности и
последствиям превосходил оба предыдущих и был едва ли не самым большим
за последние сотни миллионов лет истории нашей планеты. Достаточно сказать, что в результате этого третьего выброса океанского метана содержание
углекислого газа в атмосфере разом увеличилось в несколько раз, возник сильнейший парниковый эффект (в который метан тоже внес свою долю), и в итоге
141
среднегодовая температура на Земле за несколько тысяч лет поднялась на 5-6
градусов, что почти вдвое больше, чем повышение температуры за те два десятка тысяч лет, что отделяют нас от последнего ледникового периода.
Результаты многолетних исследований американских и австралийских
ученых, занимавшихся изучением этого древнего феномена, позволили достаточно детально представить себе причины, ход и характер этой гигантской
климатической катастрофы, разыгравшейся 55 миллионов лет назад на поверхности и в глубинах океана. Это пролило также дополнительный свет на ход
аналогичных катастроф в эпоху динозавров и отбросило неожиданный угрожающий отблеск на наше собственное близкое будущее. Вот как выглядит эта
жуткая картина в описании ученых. Примерно 60 миллионов лет назад (то есть
через 5 миллионов лет после гибели динозавров) по какой-то пока еще непонятной причине началось постепенное потепление океанских вод. Когда это потепление достигло определенного «порога», произошло неизбежное в таких
случаях изменение циркуляции океанских течений. Оно привело к тому, что
теплые поверхностные воды были «вдавлены» в глубины океана пришедшими
им на смену холодными течениями. Прогревание глубинных вод привело к тому, что кристаллы заледеневшего метана, находившиеся в придонных слоях
почвы, стали превращаться в газ. Пузыри метана, вырывающиеся из почвы,
размыли ее и вызвали грязевые оползни. В результате кристаллы метана еще
более обнажились для доступа теплой воды и выделение газа пошло еще более
быстро. Этот самоускоряющийся процесс вызвал постепенный подъем образовавшегося метана в верхние слои океана, а оттуда – выделение в атмосферу.
Здесь, соединяясь с кислородом воздуха, метан начал образовывать углекислый
газ, который, как уже говорилось, имеет парниковые свойства: пропускает к
поверхности Земли ультрафиолетовое излучение Солнца, но не выпускает
назад, в космос, инфракрасное, тепловое излучение, испускаемое растениями,
водой и почвой. Вот почему конечным климатическим результатом всего процесса и оказалось глобальное потепление Земли. Судя по данным авторов работы, этот процесс занял не более 5-6 тысяч лет, то есть действительно был климатическим катаклизмом, а не постепенным, растянутым на милли-онолетия
изменением климата.
Первым биологическим (экологическим) последствием этого климатического катаклизма была массовая гибель микроскопических живых видов, доселе обитавших в придонных слоях океана. Привыкшие к холодной воде, они не
смогли так быстро приспособиться к ее нагреванию. По оценкам авторов, погибло около половины всех тогдашних глубоководных организмов. Вторым,
еще более важным, но уже наземным последствием потепления были описанные выше распространение и эволюция млекопитающих. Но какие же отблески
все это происшествие бросает на наше будущее? А вот какие. По подсчетам авторов, в ходе описанного катаклизма в атмосферу было выброшено миллиард
миллиардов тонн метана. Сама по себе эта цифра не говорит ничего, но она немедленно начинает звучать зловеще, если вспомнить, что, согласно некоторым
прогнозам, к 2100-му году человечество выбросит в атмосферу около двух третей этого количества. Однако тот «порог», перейдя который, процесс начал са142
моускоряться и приобрел характер необратимого катаклизма, может быть и сегодня перейден куда раньше, чем в атмосферу поступит все это количество метана, то есть даже раньше 2100 года.
В этой картине, конечно, остается еще много неясностей. Есть и различия.
Например, в прошлом метан поступал в атмосферу через океан, сейчас он поступает в нее напрямую. Неясно, как это различие влияет на скорость потепления, хотя можно думать, что просачивание метана через толщу воды замедляло
этого процесс. Неизвестно, как влияли на ход потепления перемены в циркуляции океанских течений, и неясно, что происходит с этой циркуляцией сегодня.
Неизвестно, каковы были концентрации метана и углекислого газа накануне
древнего потепления, что делает неоднозначным его сравнение с нынешним. И
так далее. Тем не менее уже и сейчас ясно, что в такой неустойчивой ситуации
может произойти все что угодно, в том числе самое худшее – для человечества,
разумеется. Ясно также, что наша огромная планета живет какой-то своей
странной жизнью, в которой одни грандиозные процессы связаны с другими
столь же грандиозными процессами, меняясь и меняя друг друга под влиянием
иногда космических, а иногда и совсем ничтожных факторов, и приводя к результатам, обратить которые не под силу населяющим ее разумным млекопитающим, просто потому, что они слишком малы в сравнении с нею.
Да, трудно быть маленьким, даже если ты человек. Приходится быть особенно осторожным. Но все же в утешение следует сказать, что животные с этой
задачей справились – и справились неплохо, судя по тому, какого разнообразия
и численности они достигли за прошедшие с тех пор 50 с лишним миллионов
лет. Так что люди многому могут у них поучиться. Стоит присмотреться к тем
хитроумным способам выживания, которые они за эти миллионы лет нашли. Но
этому мы посвятим вторую часть нашей книги.
ЧУДЕСА ЭВОЛЮЦИИ
Загадка исчезнувших звеньев
На протяжении всего этого рассказа о происхождении и развитии жизни я
то и дело повторял слова «эволюция», «теория эволюции», «под давлением
эволюции» и тому подобные. Эти слова отражают мое – и, разумеется, не только мое – глубокое убеждение, что происхождение и развитие жизни управляется законами дарвиновской эволюции. Это убеждение разделяет сегодня и
большинство ученых. Но не все. Мне приходилось встречать вполне достойных, много сделавших в науке людей, которые выражали, мягко говоря, некоторое сомнение в справедливости дарвиновской теории. А уж среди людей простых это сомнение распространено чуть ли не повсеместно. В одном английском журнале была не так давно опубликована статья, автор которой, американская журналистка, писала: «Недавно, на завтраке с моими подругами, в разговоре вдруг наступила пауза. «Поднимите руки, кто сомневается в дарвинизме», – сказала я. К моему удивлению, все трое – учительница, музыкальный
агент и драматург – медленно подняли руки. Одна недавно прочла книгу Майкла Дентона «Эволюция: теория, переживающая кризис»; другая, религиозная
143
христианка, высказала убеждение, что библейский рассказ о сотворении мира
по-прежнему остается лучшим объяснением вселенной; третья обвинила доктрину о выживании самых приспособленных в оправдании ужасов капитализма».
И далее журналистка припоминала: «До недавнего времени сомнение в
дарвинизме было свидетельством религиозных предрассудков или попросту
невежества. Я помню свой разговор с матерью. «Мама, ты веришь в эволюцию?» – «Разумеется, дорогая. Если ты будешь часто грызть ногти, твои дети
тоже
будут грызть ногти. И их дети тоже, и так начнут появляться на свет дети с
уже обгрызанными ногтями». А ведь вся суть теории естественного отбора состоит в том, что она отрицает, будто приобретенные в ходе жизни привычки
могут передаваться по наследству».
Мама этой журналистки – не какое-то вопиющее исключение. Проведенные в Америке опросы показали, что если предъявлять взрослым американцам
описание процесса естественного отбора без упоминания слова «эволюция», то
78 процентов из них фактически соглашаются с этими описанием. Но в то же
время 62 процента этих же людей выражают абсолютную уверенность в том,
что Бог создал людей сразу в нынешнем их виде без всяких эволюционных добавок. Это напоминает мне гуляющую в Интернете злобноватую шутку: как
примирить теорию эволюции с религией? Ответ: нужно подправить теорию
эволюции, чтобы она стала приемлемой для верующих, – например, так: «Человек произошел от обезьяны, которую создал Бог, по своему образу и подобию».
Недавний обзор международной группы исследователей показал, что в самой «передовой» стране мира – в Соединенных Штатах, где совершаются многие из самых важных научных открытий современности, в том числе в области
генетики и биологии, где о науке широко пишут массовые газеты и популярные
журналы, рассказывает телевидение, – так вот, в этой стране за последние 20
лет число людей, принимающих тезис, что человек произошел от обезьяны,
упал с 45 до 40 процентов. В результате американцы сегодня разделяются в
этом отношении почти поровну: 40 процентов «за» эволюцию и 39 процентов
категорически «против», остальные 21 процент – колеблющиеся и сомневающиеся. Любопытно, однако, что в Европе верящих в эволюцию гораздо больше
и только в Турции (а также в остальной Азии) их меньше, чем в Соединенных
Штатах. Чем это объяснить?
Разумеется, в немалой степени это объясняется сильными позициями фундаменталистской религии в США. Но религия сильна, скажем, и в Италии, а
тем не менее в Италии в эволюцию верит чуть не вдвое больше людей, чем в
США. Есть, однако, в Соединенных Штатах один специфический феномен, которого практически нет в других странах мира, и вот он-то, думается, во многом повинен в приведенных выше цифрах. Феномен этот называется «Теория
Разумного Дизайна». Нынешние сомнения являются результатом более чем десятилетней целенаправленной антиэволюционной кампании, проводимой груп144
пой религиозных ученых, которые собрались в так называемом «Институте Открытий» в Сиэтле. Их теория, которую они широковещательно и громогласно
противопоставляют дарвинизму, представляет собой не что иное, как осовремененный вариант креационизма, то есть веры в божественное сотворение мира
и человека, только приодетый в научные одежды. В последние годы эта систематическая кампания возымела серьезный успех. Некоторое время назад они
сумели убедить одного американского издателя добавить в учебник биологии
параграф, поощряющий студентов изучать и другие теории возникновения видов кроме дарвинизма. Они убедили советы по образованию во многих американских штатах знакомить детей не столько с теорией эволюции, сколько с теорией «разумного дизайна», или, по крайней мере, преподавать их параллельно
как две равноценные гипотезы. Эти люди финансируют дискуссии, учреждают
стипендии для соответствующих исследований, публикуют книги, распространяют брошюры и наклейки и проводят опросы, последний из которых показал,
что 71 процент взрослых американцев считают, что школьникам следует рассказывать о «недостатках» и «противоречиях» дарвинизма.
Как я уже сказал, в отличие от примитивных креационистов, слепо верящих в библейский рассказ о сотворении мира, сторонники «разумного дизайна»
пытаются подкрепить свою теорию научными доказательствами. Они согласны, что Земля не была создана за 6 дней, а насчитывает миллиарды лет. Но
они напоминают, что, по теории относительности Эйнштейна, течение времени
зависит от скорости движения наблюдателя, и, выворачивая этот закон на свой
хитрый лад, говорят, что «скорость движения Бога» отличается от «скорости
движения человека», а потому миллиарды лет с нашей, человеческой точки
зрения – это 6 дней «с точки зрения Бога». Они признают, что живые существа
могут с течением времени все лучше приспосабливаться к своей среде. Но они
отрицают мысль о том, что все живое произошло путем эволюции от общего
предка, от первой «живой молекулы», самозародившейся когда-то в первобытном океане. Такое самозарождение так маловероятно, что на него не могло хватить всего времени существования Земли, а не то что первого полумиллиарда
земных лет. И точно так же не могло появиться путем постепенной и случайной
эволюции все разнообразие живых видов. Нет, – говорят они, – если «непредвзято» изучать жизнь, то можно убедиться, что каждый отдельный вид был создан неким Разумным Дизайнером.
Самыми выдающимися представителями теории «разумного дизайна» являются биохимик Майкл Бехе и профессор-юрист Филипп Джонсон из Калифорнии. Бехе атаковал дарвинизм в своей книге «Черный ящик Дарвина»
(1996). «Если заглянуть в живую клетку, – пишет он, – можно увидеть, что это
поразительно сложная микроскопическая машина. Каждая ее часть сконструирована так точно, что ее невозможно удалить или изменить, и точно так же невозможно представить себе ее функционирующей в промежуточном, менее совершенном виде. Как же такая клетка могла появиться в результате серии случайных приспособлений к окружающей среде?»
Далее Бехе приводит набор аргументов, опирающихся на данные палеон145
тологии и прежде всего – на отсутствие промежуточных звеньев между видами
– вроде полуящера-полуптицы, например. Аналогично не найдены-де никакие
останки сложных организмов ранее так называемой Кембрийской эры, то есть
старше 550 миллионов лет. Если Дарвин прав, то где же останки всех наших
эволюционных предшественников?
Филипп Джонсон, автор книги «Дарвин на суде», говорит, что эволюция
ненаучна, потому что она не поддается проверке: она выдвигает утверждения о
таких событиях (например, о происхождении жизни), которые сегодня нельзя
воспроизвести. По Джонсону, все новые виды были созданы Богом или другим
Разумным Дизайнером сразу в готовом виде, полностью сформированные и
помеченные ярлыком: «Сделано на небесах». При этом он тоже вовсю оперирует научными терминами вроде «Кембрийский взрыв» и «несводимая сложность».
Выдающийся английский биолог-эволюционист Ричард Даукинс, отвечая
Бехе и Джонсону, говорит, что сложный организм может выглядеть несводимым к более простым, но на самом деле это не так. Например, тот механизм
свертывания крови, который Бехе приводит как пример «несводимости», в действительности представляет собой модификацию тех белковых процессов, которые первоначально отвечали только за пищеварение. Так что процесс свертывания крови вполне можно свести к совокупности более простых биохимических процессов, ничего загадочного или «божественного» здесь нет. Другой
биолог-эволюционист Матт Ридли, автор книги «Геном», очень доходчиво объясняет, почему отсутствуют останки докембрийских организмов: «Потому что
раньше было мало твердых частей. Мало челюстей, мало костей. В действительности до-Кембрийских останков много, но это в основном останки микросуществ». А утверждения сторонников «разумного дизайна», вроде того же Бехе, насчет отсутствия «промежуточных звеньев» и вообще являются прямым
подлогом. На самом деле в Китае не так давно найден «пернатый ящер», который как раз и представлял собой переходное звено от динозавров к птицам. И
ученые уже вполне серьезно обсуждают, как произошло такое превращение.
Наука, что ни день, находит все новые доказательства эволюции. Недавно было
показано эволюционное происхождение такого сложнейшего органа, как материнская плацента. Оказалось, что в ходе развития жизни этот орган в разных
своих видах возникал не один-единственный раз, а по меньшей мере трижды.
Где уж тут говорить о «сотворенном сразу и полностью сформированном»? И что это за «Высший Разум», который создает свои творения только с
третьей попытки?
Краткая история глаза
146
Как я сказал, наука, что ни день, находит все новые подтверждения творческих способностей эволюции, которая с помощью малых случайных изменений – и естественного отбора, конечно, – может без всякой помощи «Высшего
Разума», создавать в высшей степени сложные вещи. Теперь я хочу подтвердить это свое утверждение рассказом об истории глаза.
О глазе особенно часто упоминают креационисты и сторонники теории
«разумного дизайна», когда хотят доказать, что никакие случайные малые изменения не могли за обозримое время создать никакого сложного органа. При
этом они ссылаются на известный пассаж в книге Дарвина «Происхождение
видов», где сам автор теории эволюции говорит: «Предположение, будто глаз, с
его несравненной способностью фокусироваться на различные расстояния,
пропускать различное количество света и корректировать аберрации, мог быть
сформирован с помощью естественного отбора, представляется, должен признаться, в высшей степени абсурдным».
Однако, ссылаясь на Дарвина, его противники неизменно (и, разумеется, в
своих интересах) «забывают» закончить цитату. А конец ее звучит куда оптимистичней. Упомянув, с каким недоверием была встречена теория Коперника,
Дарвин далее пишет: «<Точно так же> разум говорит мне, что если окажется
возможным показать, что существуют многочисленные градации перехода от
несовершенного и примитивного глаза к совершенному и сложному, причем
каждая очередная ступень полезна для своего обладателя, что несомненно; и
что глаз хотя бы немного варьирует, причем эти вариации наследуются, что почти наверняка имеет место; и что эти вариации могут оказаться полезными для
любого животного при меняющихся условиях жизни, – то недоверие к мысли,
что совершенный и сложный глаз мог быть сформирован естественным отбором... не может считаться серьезным».
Сегодня, почти 150 лет спустя, мы знаем, что Дарвин был прав и появление глаза вполне объяснимо на основе естественного отбора, то есть эволюции.
Более того, мы знаем, что разного рода глаза формировались по меньшей мере
40, а то и 60 раз в ходе эволюции, причем каждый раз разными и независимыми
147
путями. Исследуя эти пути, ученые выявили по меньшей мере 9 различных
принципов построения глаз у разных животных и проследили главные этапы их
реализации в ходе развития жизни. Весь этот накопленный за полтораста лет
материал идет вразрез с утверждениями теории «разумного дизайна». Глаз не
только сформировался именно путем случайных мутаций, естественного отбора
и законов наследственности, но к тому же и за весьма короткое (в геологических масштабах), а отнюдь не астрономически долгое время.
Я не знаю лучшего популярного изложения краткой истории глаза, чем
то, которое приведено Даукинсом в его книге «Взбираясь на Гору Невероятностей». Ричард Даукинс, о котором я уже упоминал выше, не только крупный
ученый (он автор теории «эгоистического гена», которая легла в основу современного неодарвинизма), но и блестящий популяризатор. Я позволю себе в
дальнейшем следовать его изложению.
Начнем с того, что ничего чудесного или сверхъестественного в этой истории нет. Появление глаза – дальнее следствие того вполне естественного факта,
что определенные химические вещества, так называемые пигменты, способны
реагировать на падающий на них свет. В природе существуют десятки таких
пигментов самого разного рода, и один из них, хлорофилл, достаточно хорошо
известен многим. Это тот пигмент, который придает зеленую окраску растениям и некоторым так называемым зеленым бактериям. Когда квант света, фотон,
падает на молекулу хлорофилла, то в ходе возникающих при поглощении химических реакций выделяется энергия, которая используется растением или
бактерией для производства пищи (процесс этот называется фотосинтезом).
В основе зрения тоже лежало, по всей видимости, использование какого-то
светочувствительного пигмента, первичной полоски фотоклеток, позволявших
древним организмам различать свет и темноту. Такое различение и сегодня демонстрируют многие простейшие организмы и личинки. Вполне можно представить себе, что такая способность была чем-то полезна этим организмам –
например, для движения в сторону пищи или бегства от угрозы, поэтому обладатели такой полоски сразу получали некоторое, пусть и микроскопическое
преимущество перед теми, кто ею не обладал.
Хотя развитие глаза, как и многих других сложных органов, шло, как уже
сказано, самыми разными путями, все они имели одно общее – каждый следующий шаг давал им определенное преимущество. Но, разумеется, этот общий
закон не следует расширять безгранично. Конечно, улитке было бы выгоднее
иметь глаз с такой чувствительностью, как у человека, но эта выгода не может
перевесить того факта, что такой глаз был бы больше самой улитки. Глаз очень
высокой чувствительности обязательно должен иметь размер больше некоторого минимального, и это требование кладет предел зрительным возможностям
различных животных. Не случайно самый большой глаз в природе, диаметром
37 см, имеет животное гигантских размеров – осьминог с десятиметровыми
щупальцами.
Итак, на самой первой ступеньке эволюции глаза мы встречаем просто
скопления фотоклеток. Их размещение не играло особой роли (у некоторых бабочек, например, такие клетки находятся на гениталиях), потому что они поз148
воляли лишь определить наличие или отсутствие света, но не давали никакого
изображения. Главным было то, что такие фотоклетки, поглощая фотоны, выделяли энергию, которая, в отличие от растений, шла на раздражение какой-то
нервной клетки. Поскольку такая сигнализация о наличии света была, как уже
отмечено, выгодна ее обладателям, то эволюция стала двигаться в сторону
улучшения чувствительности этих скоплений. Ведь это только говорится, что
фотон, падая на клетку, поглощается. На самом деле фотон – такая крохотная
частица, что может пройти клетку насквозь, не поглотившись. Ясно, что чем
больше число слоев таких фотоклеток, тем больше вероятность, что какая-то из
них все-таки поглотит фотон. И действительно, у всех животных мы встречаем
не один, а много – десятки и сотни фотослоев, наложенных друг на друга. Такая
структура требует определенной организации, и здесь начинается первое разветвление: у осьминогов, например, эти слои свернуты в полую трубку, а у позвоночных они образуют плоский диск.
Но и это еще не дает возможности достаточно хорошо определять направление на источник падающего света. Ведь свет может попадать в фотоклетку с
самых разных сторон. Если, однако, расположить за слоем фотоклеток что-то
вроде непрозрачного экрана, то, поворачивая голову, можно будет грубо определить, откуда именно идет свет. И действительно, таким способом ориентации
на свет пользуются некоторые виды личинок. Практически все глаза (кроме так
называемых составных, о которых речь пойдет позже) имеют такой непрозрачный слой позади слоя фотоклеток. А у некоторых плоских червей, как ни
странно, даже впереди – так его случайно расположила случайная мутация. И
поскольку само появление непрозрачного слоя уже было некоторой выгодой,
то, невзирая на сильное поглощение света в нем, эволюция глаза плоских червей уже не сошла с однажды выбранной дорожки, а боролась с ее недостатками
новыми «изобретениями».
Однако непрозрачный слой позади плоского или трубчатого фотослоя дает
лишь очень грубую ориентировку. Куда более точным способом является такое
расположение клеток фотослоя, при котором разные фотоклетки смотрят в разные стороны. В этом случае зрительные нервные клетки будут получать сигналы, содержащие в себе более полную информацию о направлении: свет приходит со стороны той фотоклетки, которая подает сигнал. Есть два главных способа расположить фотоклетки так, чтобы они смотрели в разные стороны, – согнуть их в виде вогнутой или в виде выпуклой поверхности. Позвоночные пошли по первому пути, а насекомые – по второму.
Нужно, однако, понимать, что и тут возникает множество разных возможностей – от чуть изогнутой плоскости до полной полусферы, и в животном мире даже и сейчас встречаются чуть ли не все эти варианты. Но даже и это еще
не настоящее зрение, потому что такой примитивный глаз не образует изображения. Ведь каждая точка рассматриваемого объекта испускает (или отражает)
лучи по всем возможным направлениям, а значит, в каждую фотоклетку приходят лучи от всех точек объекта сразу. На фотослое образуется сразу множество
изображений объекта (плюс еще множество изображений того фона, на кото149
ром находится объект), и зрительные нервные клетки получают совершенно хаотические сигналы.
Есть, однако, весьма простой способ получить вполне четкое изображение,
и многие уже, наверно, догадываются, какой. Если углублять и закруглять вогнутую полусферу, то в конечном счете она превратится в полную сферу. И если в этой сфере останется крохотное (в пределе – «точечное») отверстие, то в
него пройдет только по одному лучу от каждой точки объекта. Каждый такой
луч попадет на свою фотоклетку, и все эти фотоклетки вместе образуют четкое
изображение объекта – только перевернутое. В ходе эволюции глаза к такому
способу формирования образа – по принципу так называемой камеры-обскуры
– пришли очень многие моллюски; почти идеальная его реализация достигнута
моллюском Наутилус.
Но, увы, в таком глазу возникают проблемы. Одну из них порождает дифракция, то есть размывание световых волн при прохождении через очень малые отверстия. Дифракция размывает изображение, кладя неустранимый предел его четкости. Но еще хуже то, что в очень малое отверстие, естественно,
проходит очень мало света. Появляется принципиальная дилемма – либо четкое, но очень темное изображение, либо яркое, но размытое. Выход из этого
противоречия состоит в отказе от глаза типа камеры-обскуры и переходе к
принципиально иному способу формирования образа на фотослое.
Представим себе, что в нашем распоряжении есть такой умный компьютер,
который способен собирать все лучи, идущие от одной определенной точки
объекта, и посылать их на одну определенную
фотоклетку – так, чтобы она получала только эти лучи и никаких других. А
в другую фотоклетку тот же умный прибор будет посылать собранные в пучок
лучи от другой точки объекта – и только их. В этом случае глаз может оставаться в виде полусферы и в то же время давать вполне четкое изображение. Но
где взять такой умный прибор? Какая у него должна быть скорость расчета!
Какое количество операций в секунду! Какая сложнейшая программа! Нет, такой прибор даже человеку изобрести не под силу, тут без «разумного дизайна»
не обойтись.
Но поклонники «разумного дизайна» и в этом случае оказываются посрамленными. Такой «прибор» существует. Его «изобрела» сама природа. Он называется линзой. Благодаря преломлению она собирает все лучи, идущие от одной
точки, снова в одну точку, в свой фокус. А лучи, идущие от другой точки, – в
другую. При этом линзой может служить любое прозрачное тело, коэффициент
преломления которого отличается от коэффициента преломления окружающей
среды. Линзой может быть прозрачный кристалл, прозрачный морской камешек, даже просто капля воды. Даже если эта капля вовсе не хочет быть линзой,
ей ничего не поможет: законы природы делают ее таковой.
Откуда, однако, такой капле взяться в глазу? Оказывается, многие моллюски защищают свой драгоценный фотослой слоем прозрачной вязкой жидкости, чтобы морская вода его не повредила. Поскольку этот защитный слой в силу своей вязкости имеет несколько иной коэффициент преломления, то ему
150
остается случайно собраться в линзоподобную форму – и глаз, даже камернообскурный, тотчас получит огромный выигрыш в деле формирования образа. И
действительно, во многих камерных глазах у самых разных животных уже
встречаются такие линзоподобные сгустки густой, вязкой, полупрозрачной
жидкости, расположенные перед фотослоем. Это не очень хорошие линзы, но
они в любом случае лучше, чем ничего. А главное – с появлением даже самой
примитивной линзы открывается путь к очередному совершенствованию глаза.
Теперь самое время оценить, какой же хронологический период должен
занять описанный нами процесс случайных мутаций, ведущих к появлению достаточно сложного глаза – хотя бы как у рыб, например. Этот вопрос был качественно решен в работе двух исследователей – Нильсона и Пелгер (1994), которые произвели расчеты, позволяющие проследить за таким процессом математически. Исходным состоянием «глаза» в этих расчетах был плоский фотослой
на черной подложке с защитным (тоже плоским) слоем прозрачного материала.
Как мы видели, это чуть ли не самый примитивный предок глаза. Чтобы убедиться, что он появился уже давно, заметим, что даже 400 миллионов лет назад
у тогдашних трилобитов были намного более сложно сконструированные составные глаза – об этом свидетельствуют найденные отпечатки. (Обычный глаз,
состоящий в основном из жидкостей, отпечатков не оставляет, но от составных
глаз, образованных множеством трубчатых клеток со специфическим рисунком, такой отпечаток остается.) Так вот, Нильсон и Пелгер приняли, что каждая
случайная мутация в исходном примитивном глазе может слегка менять толщину и прозрачность защитного слоя или коэффициент его преломления в разных местах. Эти мутации оценивались по критерию улучшения качества и яркости изображения, и в каждом следующем «поколении» исследователи (выступая в роли естественного отбора) «отбирали» тот микроскачок, который вел
к улучшению зрения. В расчетах учитывались и другие биологические переменные (например, те, что определяют степень вариабельности каждого нового
глаза, меру наследуемости изменений, уровень выживания конкурирующих организмов и т. п.), причем для каждой такой переменной были взяты самые пессимистические границы, чтобы результат был максимально надежным.
Каким же оказался результат? Идя «шаг за шагом», чисто математически,
без учета какой-либо «высшей силы», исследователи пришли от описанного
выше исходного примитивного глаза ко вполне развитому рыбьему глазу с линзой переменного коэффициента преломления, которая сама собой конденсировалась из поначалу однородного защитного слоя путем случайных точечных
мутаций. При этом число шагов (в предположении, что каждый следующий шаг
улучшает зрение всего на 0,005 процента) оказалось всего лишь 363,992. Поскольку у рыб (червей, моллюсков) срок жизни одного поколения (то есть длительность шага) составляет около 1 года, то, стало быть, появление развитого
глаза (повторим – с помощью случайных мутаций и естественного отбора, а не
высшей силы) – требует не более 400 тысяч лет. Время в геологических масштабах действительно ничтожное. Разумеется, это лишь оценка, и о ее точности
можно спорить, но даже такая качественная оценка показывает, что у эволюции
было достаточно времени для создания не одного, а многих видов глаз. И, как
151
мы видели выше, она их действительно создавала – это уже объективный факт,
не зависящий ни от каких расчетов: вспомним упомянутый выше окаменевший
глаз трилобита. (Замечу также, но уже не для поклонников «высшей силы», а
для воинствующих атеистов, что результат Нильсона – Пелгер ничего не говорит также о существовании или об отсутствии этой «высшей силы»; он говорит
лишь, что ее участие в данном конкретном процессе, как и во многих других
«удивительных» биологических процессах; вовсе не было необходимым.)
Разумеется, рыбий глаз – не глаз человека. Наш орган зрения намного более совершенен и, соответственно, намного более сложен. В человеческом глазу имеется 116 млн фотоклеток в основном двух типов – палочки (для слабого
черно-белого света) и колбочки (для яркого цветного), причем последние сосредоточены главным образом в центральной части сетчатки. Понятно, что коэффициент полезного действия такого множества фотоклеток необыкновенно
высок. Наши фотоклетки (как и у всех позвоночных, а также, как уже упоминалось, у плоских червей) повернуты «от света», так что световым лучам приходится сначала пройти всю клетку и лишь затем попасть на ее светочувствительный слой. Такое построение глаза вынуждает зрительные нервы входить в фотоклетки (а эти нервы всегда входят в ту их часть, которая противоположна фотослою) как бы снаружи, со стороны источника света. Но этот недостаток преодолевается тем, что все эти зрительные нервы, принимающие от фотоклеток
их первичный сигнал, затем собираются в единый пучок и входят обратно в
мозг в одном месте глаза – это и есть известное «слепое пятно». Этот участок
глаза, естественно, не посылает в мозг никакого сигнала, и потому наш мозг
попросту «достраивает» изображение до полного своими собственными силами. Столь «громоздкое» устройство человеческого глаза компенсируется, однако, его зрительными качествами, и, видимо, поэтому природа, даже встав случайно на сей громоздкий путь, как и в случае плоского червя, с него уже не сошла. Сойти, вернуться вспять и начинать все сначала было бы слишком невыгодно для данных видов организмов – они бы больше потеряли. Инволюция вообще крайне редка в природе. Природа обычно продолжает упорно совершенствовать далеко не самые лучшие свои «изобретения» и в результате порой заходит даже в тупик, но предпочитает не возвращаться, а упрямо карабкается на
Гору Невероятностей.
Наш глаз располагает и некоторыми другими достоинствами, о которых
мы не упоминали в общем кратком обзоре эволюции глаза как такового. Он,
например, способен менять фокусное расстояние своей линзы. Человек (как и
все другие млекопитающие, птицы и большинство рептилий) делает это, растягивая или сжимая глаз с помощью специальных мускулов,
а хамелеоны, змеи, рыбы и лягушки передвигают линзу глаза, хрусталик,
ближе или дальше от сетчатки. Наш глаз способен поворачиваться, и это очень
важно, чтобы сохранять направление взгляда при разных движениях тела. У
птиц тот же результат достигается путем полной фиксации положения головы
независимо от того, как поворачивается туловище. Наш глаз способен также
менять количество попадающего в него света (что очень важно в условиях низкой освещенности) с помощью изменения размеров. (Кстати говоря, зрачки –
152
это еще одна часть глаза, представленная в природе в самых разнообразных вариантах, найденных эволюцией за прошедшие миллионолетия, – есть зрачки
круглые и зрачки щелевые, зрачки вертикальные и зрачки горизонтальные и
даже многоугольные, как у некоторых змей). Как в случае изменения фокусного расстояния, изменение размеров зрачка достигается с помощью специального мускула. Но удивляться всем этим изобретениям и усовершенствованиям
«слепой природы» не приходится: как грубовато говорит Даукинс, для природы
«придумать» сжимающий мускул в глазу не труднее, чем сжимающий мускул в
заднем проходе (сфинктер в анусе).
Думается, и сказанного достаточно, чтобы отдать себе отчет в необычайной изобретательности и могуществе эволюции. А ведь мы рассказали только о
двух основных видах глаз – камерном и сложном (линзовом). Между тем есть
еще третий важнейший и весьма распространенный вид (или, если угодно,
принцип зрения) – составные глаза. И есть еще сенсационные эксперименты
последних лет с глазами, растущими на ногах и на прочих поразительных местах, где эти глаза вроде бы совершенно не нужны, – как объяснить эту странность эволюции? Не противоречит ли она – своей полной бесполезностью –
всему сказанному выше?
Увы, здесь не место рассказывать обо всем этом. Интересующихся полной
историей глаза я отсылаю к книге самого Даукинса, а тех, кого интересуют
противоречия и кажущиеся «бесполезности» эволюции, – к следующему очерку. А здесь наша Шахразада вынуждена прекратить дозволенные ей объемом
речи.
Чарльз Дарвин и Амос Захави
Итак, поговорим о кажущихся «бесполезностях» и «бессмысленностях»
эволюции. Надо признать, что эволюция – как та «голь», что «на выдумки хитра». Она действительно, в высшей степени хитроумна, и порой ее чудеса ставят
в тупик даже очень-очень серьезных ученых-эволюционистов. Вот, например,
зачем павлину его огромный пышный хвост?
Вроде бы простой вопрос, на который к тому же существует вроде бы
столь же простой, почти самоочевидный ответ, а вот поди ж ты – именно вокруг него (и других сходных вопросов, к примеру: зачем оленю его тяжелые рога?) в биологии вспыхнула... так и хочется сказать: «схватка титанов», но ограничимся более скромным, зато более точным определением – страстный спор
вокруг одного из центральных пунктов дарвиновской эволюционной теории. В
споре этом на одной стороне выступили чуть ли не все «киты» современного
дарвинизма, авторы основополагающих научных трудов Р. Фишер, Дж. Мэйнард-Смит, Р. Да-укинс, поддерживаемые авторитетом самого Дарвина, а на
другой – одинокий, хотя и кипуче энергичный «еретик», израильский биолог
Амос Захави. И, как ни странно, такое впечатление, что в последнее время Захави со своими энергично еретическими взглядами набирает в этой схватке –
скажем осторожно – все больше и больше очков.
Любопытно? Тогда – вперед!
153
Как заметил еще сам Дарвин, в группе, состоящей из разнополых животных, существует своеобразное «разделение интересов». Самки стремятся выбрать наиболее привлекательных самцов, самцы же конкури-руют за самок. Это
различие позднее получило генетическое объяснение: хотя и самки, и самцы
вроде бы вкладывают по одной половой клетке в образование первой зародышевой клетки: самки – яйцеклетку, самцы – сперматозоид, – но сперматозоид
содержит только гены отца, тогда как яйцеклетка содержит и гены матери, и
протоплазму с ее питательными и прочими веществами, необходимыми для
начального развития эмбриона. Иными словами, самки вкладывают в потомка
куда более 50 процентов, самцы – куда менее 50 процентов затрат. К тому же
количество сперматозоидов у самца даже в одной порции спермы многократно
больше общего числа яйцеклеток самки, да и производить эти сперматозоиды
куда «дешевле». В итоге получается, что самке потомок обходится много дороже, она «ценит» его больше, она больше заинтересована в сохранении каждого эмбриона, тогда как самец заинтересован, скорее, в том, чтобы передать свои
гены как можно большему числу самок (тем более что он на это способен). Отсюда различие их «половых стратегий». Самки, как уже сказано, выбирающий
пол, они выбирают среди самцов наиболее привлекательного будущего отца.
Самцы же пол конкурирующий.
Что же такое эта «привлекательность самцов», если ее понимать в широком смысле? Это набор внешних признаков, позволяющих самке судить, хорошим ли отцом ее детей будет данный самец: здоров ли он, силен ли, смел ли и
так далее. Но тут, как первым понял тот же Дарвин, возникает занятное продолжение. Самке хотелось бы, конечно, чтобы ее дети имели те же привлекательные признаки, что и их отец, – тогда и эти дети будут больше привлекать
самцов и самок следующего поколения, а это значит, что у нее будет больше
внуков и внучек, Стремление вполне естественное, но его конечным результатом становится желание самки, чтобы ее дети были, попросту говоря, сексуально привлекательными, то есть обладали бы теми внешними признаками своего
отца, которые «считаются» привлекательными, расцениваются как «красивые».
Иными словами, если, например, поначалу самки выбирали самцов за большие
мускулы, потому что такие мускулы указывали на физическую силу, столь полезную для выживания, то в конечном счете они начинают их выбирать за
большие мускулы просто потому, что большие мускулы – это «красиво». И тогда естественный отбор начинает поощрять такие признаки «красоты» у самцов, потому что эти признаки привлекают самок. (Тут, кстати, открывается
большой простор для фальсификации таких внешних признаков, но естественный отбор в конце концов подавляет такие попытки.) Такой отбор Дарвин
назвал «сексуальным».
Понятно, что в тот момент, когда одним из главных признаков, по которому самки начинают выбирать самцов, становится сексуальная привлекательность как таковая («sex appeal», как сказали бы мы на голливудском наречии), в
природе открывается возможность появления таких «привлекательных» и «красивых» признаков, как пышный павлиний хвост или огромные оленьи рога.
Поначалу появление такого рода признаков – дело чистого случая: как это
154
обычно с любым признаком в любой группе животных, хвосты ранних павлинов имели определенный случайный разброс по длине, и вполне возможно, что
чуть более длинный хвост чуть больше привлекал самок, потому что подсказывал им, что такой павлин наверняка здоров и силен, тогда как короткий хвост
указывал на какой-то недостаток витаминов, что наверняка было следствием
того, что данный павлин плохо добывает себе пищу. А может, он недостаточно
резво убегает от врагов, и это они обкусали ему хвост. Не суть важно. Важно,
что эти самки рассуждали правильно. Но они не знали, что длинный хвост может иметь некоторые прямые генетические причины тоже. Выбирая длиннохвостых партнеров, они одновременно, не понимая этого, выбирали, что их дети будут иметь ген чуть более длинного хвоста – их хвосты будут, как и у отца,
чуть длиннее среднего. Но в этом «чуть длиннее» тоже появлялся свой случайный разброс, то есть среди детей снова были такие, у которых хвост был чуть
длиннее, чем у остальных (то есть чуть длиннее, чем у папаши). Естественно,
самки нового поколения опять выбирали самых длиннохвостых – и так далее.
Процесс удлинения хвоста становился бесконтрольным (по-английски это
называется «runaway process»): самки уже не размышляли, а действовали по
принципу: ищи самого длиннохвостого, – а те, кто поступал иначе, «наказывались» естественным отбором, потому что их дети были менее длиннохвостыми,
а потому не такими сексуально привлекательными, и у них было меньше внуков и внучек. В популяции оказывалось все больше длиннохвостых павлинов и
все меньше короткохвостых.
Подытожим: в ходе сексуального отбора эволюция поощряет не только те
гены, которые «напрямую» способствуют выживанию, но также те гены – и их
внешние проявления, которые обладают чисто сексуальной привлекательностью для самок. Иными словами, если первоначально длина хвоста служила
всего лишь «указателем» каких-то других важных качеств павлина, то теперь
она сама становится важным для естественного отбора качеством – уже просто
в силу ее сексуальной привлекательности. И все было бы хорошо, когда бы тут
не выпрыгивал некий парадокс: естественный отбор, то есть отбор по «полезным для выживания» признакам, может войти в противоречие с сексуальным
отбором – по признакам «привлекательным». В самом деле, положительное (с
точки зрения сексуального отбора) качество павлина или оленя – великолепный
длинный хвост или огромные тяжелые рога – одновременно оказывается (с
точки зрения «обычного» естественного отбора) их отрицательным качеством.
Длинный хвост или тяжелые рога делают их обладателя более вероятной жертвой хищника, они снижают его шансы на выживание. Выходит, самки, ищущие
самцов с наибольшей способностью к выживанию, кончают тем, что находят
себе наименее способных к выживанию партнеров.
Подметив этот парадокс, Дарвин взялся его объяснить. Вот его объяснение. Во-первых, некоторые из таких «парадоксальных» качеств, например, те
же оленьи рога, реально помогают их обладателям успешно конкурировать с
другими самцами в борьбе за самок. Во-вторых, даже если такие качества бесполезны, они все равно помогают их обладателям «соблазнять» самок, и это перекрывает бесполезность или даже вредность этих качеств. Но в этом дарви155
новском объяснении оставался изъян. Если сексуальный отбор уже привел к
появлению длинных павлиньих хвостов, что помешает ему удлинять их все
больше и больше, пока они не станут подлинной и опасной для жизни павлина
обузой? Кембриджский математик и биолог Рональд Фишер, который первым
«математизировал» теорию сексуального отбора, то есть начал обсчитывать его
различные варианты с помощью математических методов, увидел этот изъян и
понял, что его необходимо как-то устранить. Произведя некоторые качественные расчеты, он заявил, как мы уже сказали выше, что в данном случае сексуального отбора имеет место «вышедший из-под эволюционного контроля» процесс, который должен рано или поздно закончиться: хвосты перестанут удлиняться, потому что станут слишком опасным недостатком. И вот тут-то на сцену выступил Амос Захави и выдвинул радикальное новое, прямо противоположное фишеровскому объяснение этого парадокса и этим своим объяснением
положил начало упомянутому выше и продолжающемуся по сей день страстному научному спору.
Что же такое предположил Захави? В своей нашумевшей статье «Выбор
партнера – выбор по недостатку» (в «Журнале теоретической биологии» за
1975 год) он заявил, что выбор партнера иногда производится не по достоинствам, а ПО НЕДОСТАТКАМ. Поскольку по-английски «недостаток» – это
«handicap», Захави назвал свою гипотезу «принципом гандикапа» (по-русски –
«принципом недостатка», или «принципом ущербности»). Точнее было бы
назвать ее, как мы сейчас убедимся, «принципом демонстративно сигнализируемого недостатка». Демонстрируя павлинихам свой длинный хвост, павлинсамец как бы нарочито сигнализирует самкам, что он остается в живых
НЕСМОТРЯ НА ЭТОТ НЕДОСТАТОК. А это значит, «намекает» он им, что
его способность к выживанию, обеспечиваемая другими скрытыми его качествами (например, силой, ловкостью, опытом, хитростью и тому подобное),
много выше способности к выживанию других самцов, которым выжить легче,
потому что у них этого недостатка нет. И чем больше его недостаток (длина
хвоста), тем честнее эта его демонстрация. «Ущербный» самец действительно
выживает лучше. Стало быть, демонстрация будет тем более убедительна – и
достоверна, чем больше недостаток, то есть чем больше длина хвоста. А это
означает, что хвосты павлинов должны удлиняться тем быстрее, чем более существенным недостатком они являются, тогда как, по Фишеру, они должны,
напротив, тем быстрее сокращаться.
В доказательство всеобщности «принципа гандикапа» Захави привел ряд
других примеров. Их аналогичность легче увидеть, если понять, что нарочитый
показ «недостатка» (недостатка в кавычках, потому что, по Захави, он является
парадоксальным достоинством – в смысле выживания) – это, в сущности, разновидность рискованного поведения. Кому случалось видеть фильмы из серии
«Нэйшнл Джеографик», наверно, помнит, что в стаде антилоп, убегающих от
хищника, есть такие антилопы, которые во время этого, казалось бы, панического бегства высоко подпрыгивают, словно нарочно демонстрируя себя тому
же хищнику. Поведение этих антилоп явно рискованное, опасное, – зачем тратить драгоценную энергию, которой может не хватить для благополучного убе156
гания? Но с точки зрения «принципа гандикапа» оно оправданно. Ведь таким
поведением они демонстрируют самкам, что достаточно сильны, чтобы не
только убегать, но еще и подпрыгивать при этом. Как не выбрать такого сильного и отважного партнера?
Другой пример, тоже наверняка знакомый многим: птенцы, которые громко орут в гнезде, требуя пищу, несмотря на то что этот крик может привлечь к
ним хищника. Ричард Даукинс, ярый враг Захави (хотя сам, между прочим, –
автор не менее противоречивой и спорной, чем у Захави, теории так называемого «эгоистического гена»), дал этому примеру название: «Лиса, лиса, иди сюда!» Птенцы как будто нарочно подзывают лису к своему гнезду. Казалось бы,
естественный отбор давно должен был бы устранить из птичьего потомства таких «ущербных» крикунов. Но птица-мать знает лучше. Опасаясь, что крик
особо громкого птенца действительно привлечет лисицу, она торопится затолкать ему в рот побольше пищи, чтобы заставить его замолчать. В результате он
выигрывает – ему достается больше еды, он опережает своих собратьев в развитии, а это помогает ему в борьбе за выживание и, по Захави, ведет к тому, что
в ходе естественного отбора такие крикуны не только не уменьшаются в числе,
а, напротив, завоевывают жизненное пространство. Конечно, эволюция сдерживает чрезмерную прыть – она зачастую ограничивает рискованное поведение
во времени: самцы демонстрируют «недостаток» именно в момент привлечения
самок. Ведь и павлин не всегда ходит с развернутым хвостом. (Самым ярким
примером такого временного ограничения риска являются лебеди. Их белая
окраска – разумеется, типичный «гандикап». Но интересно, что лебеди не рождаются белыми – они ими становятся лишь через несколько лет после рождения, когда готовы к размножению и должны продемонстрировать самкам, что
успевают и пищу добыть, и еще перышки почистить, и при этом не боятся быть
заметными хищнику.)
Свое объяснение «рискованного поведения» Захави распространил и на
человеческое общество. Рискованным является поведение охотника, выходящего в одиночку против льва или медведя, – но этот мужественный риск обеспечивает его лучшей «самкой». Рискованным, в определенном смысле, является
поведение человека (или животного), готового пожертвовать своей пищей,
деньгами или даже самим собой ради другого. Для объяснения этого риска,
иначе именуемого альтруистическим поведением, предлагались многочисленные теории. Те, кто, в отличие от Дарвина и большинства дарвинистов, считает,
что естественный отбор действует не на уровне индивидуального животного, а
на уровне рода, группы или вида, говорят, что альтруизм способствует родственной, групповой или видовой селекции: отдельная особь жертвует собой
ради выживания близких, своей группы или своего вида. Другие считают, что
появление альтруизма объясняется взаимностью: я – тебе, ты – мне. Захави отрицает оба эти объяснения и видит в альтруизме просто еще одну разновидность «демонстрации недостатка», опять же выгодную, в конечном (эволюционном) счете, самому демонстрирующему.
Принцип гандикапа – очень соблазнительная идея. Люди, познакомившиеся с ним, как признался один журналист, писавший о Захави для журнала
157
«Дискавери», начинают повсюду видеть проявления и доказательства этого
принципа (сам этот журналист, например, тут же применил этот принцип для
объяснения филантропии Сороса и Гейтса, а также подсознательных стимулов
альпинизма). Но у биологов он поначалу вызвал безумное раздражение. Тот же
Даукинс в своей книге «Эгоистический ген» назвал его «доводящим до исступления». Как может птенец орать: «Лиса, лиса, ко мне!» – если это грозит ему
утратой той самой жизни, ради которой он так орет? В силе этого крика (как и в
длине павлиньего хвоста) должен наступить момент, пишет Даукинс, когда она
(то есть сопряженный с нею риск) уже не будет более оплачиваться, и эволюция откажется поощрять такое безобразие. Иначе ведь можно и до абсурда дойти. Даукинс даже написал в запале Амосу Захави: «Если довести Ваши рассуждения до логического конца, то, чего доброго, окажется, что эволюция должна
породить самцов с одной ногой и одним глазом». На что израильтянин Захави
спокойно ответил англичанину Даукинсу: «А некоторые из наших лучших генералов действительно были одноглазыми». Даукинса так развеселил этот
намек на Моше Даяна, что он даже упомянул его во втором издании своей книги. Но все равно добавил: «Тем не менее теория гандикапа содержит, на мой
взгляд, фундаментальное противоречие: если недостаток является реальным – а
вся теория держится на том, что он реален, – то такой недостаток будет сам собой «наказывать» потомков своего обладателя как минимум в той же мере, в
какой будет привлекать к нему самок. И уж во всяком случае важно, чтобы этот
недостаток не передавался дочерям».
Отвечая своим критикам, Захави указал, что они пропустили едва ли не
главное в его гипотезе. Энергично, нарочито демонстрируемый «недостаток»
призван не только привлечь самок. У него есть и другое важное для выживания
его обладателя назначение, и в этом плане он тоже оборачивается в достоинство. Когда антилопа подпрыгивает во время бегства, олень бесстрашно демонстрирует свои огромные громоздкие рога, птенец отважно кричит в гнезде – все
они как бы «говорят» потенциальному хищнику: «Видишь, какой я?! Со мной
лучше не связываться! Ищи себе других!» Та же демонстрация недостатка, которая призвана привлечь самок (или кормящую мать в случае птенца), призвана
обескуражить хищника – или потенциального соперника (в гнезде это другие
птенцы).
Это замечание заставило критиков призадуматься и согласиться (опять
процитирую Даукинса): «В той мере, в какой гены «недостатка» оказывают
влияние только на сыновей, а гены сексуального предпочтения этого «недостатка» – только на дочерей, теория, возможно, и способна работать, – но окончательное слово тут принадлежит математике». В популяционной биологии
(той ветви биологии, которая занимается всеми проблемами распространения
генов в популяции, их сохранения в ходе естественного отбора и т. п.) решающее слово всегда принадлежит математике – людям типа Фишера, МэйнардаСмита и другим, способным проверить сформулированные на словах генетические гипотезы строгими математическими методами.
Поначалу ни одному математику – в том числе и «самому» МэйнардуСмиту, не удавалось построить работающую модель популяции, основанной на
158
принципе гандикапа, и это долго заставляло биологов считать принцип Захави
ошибочным. Положение решительно изменилось в конце 80-х – начале 90-х годов, когда Андерсон, Помянковский, Иваса, Нее и особенно оксфордский математик А. Графен показали, что Захави, возможно, прав, а его критики – неправы. Это заставило даже Даукинса признать: «Если Графен прав, – а я думаю,
что он прав, – нам, возможно, придется произвести радикальный пересмотр
всех наших представлений об эволюции поведения». Графен, Помянковский и
другие преуспели там, где не добился успеха великий Мэйнард-Смит, по той
причине, что уточнили теорию Захави несколькими небольшими дополнениями, прежде всего – условием, что «недостаток» должен не только отражать истинную выживательную способность самца, но и отражать ее «градуально»:
чем слабее на самом деле павлин, тем труднее ему должно быть отрастить и
поддерживать хвост данной длины. С учетом этих предположений математика
показала, что Захави, по-видимому, прав. А Фишер – и Дарвин! – по-видимому,
нет.
Научная биография идей Захави завершилась этим успехом. Сегодня, став
чуть ли не новой биологической догмой, они вошли в целый ряд новых эволюционных теорий ( например, в «теорию паразитов» Гамильтона-Зук и другие), –
но это уже, как говорится, другая история. Та, которую мы хотели рассказать,
кончается здесь, признанием Даукинса.
А зачем эволюции бабушки?
Действительно: зачем эволюции бабушки? Зачем она сохраняет женщин до
преклонного возраста? Ведь у большинства животных самки, миновавшие репродуктивный рубеж, умирают. Эволюция требует репродукции, размножения,
создания потомков. Ведь в конечном счете, эволюция – это выживание приспособленных, в частности – тех, кто рожает больше. Чем больше рожает самка,
тем больше у нее шансов передать свои гены. Если же она не рожает вообще,
она, грубо говоря, все равно что не живет на свете. Даже у шимпанзе, репродуктивный процесс которых так похож на человеческий, смертность самок растет по мере спада их плодовитости. Но вот у нас, у людей, женщины, даже теряя плодовитость к 40-50-летнему возрасту, тем не менее продолжают жить и
живут в среднем дольше, чем мужчины (хотя те остаются плодовитыми даже в
старости), – чем, кстати, и объясняется превышение числа женщин в общем
населении.
Зачем же эволюции вышедшие из репродуктивного возраста женщины?
Или, проще, зачем эволюции бабушки? Ответ на этот вопрос прост, и он заключается, как ни парадоксально, как раз в том, что вроде бы ему противоречит: бабушки нужны эволюции именно потому, что ей нужны потомки. А бабушки, как всем известно, только став бабушками, могут помочь (и еще как
помогают!) матерям выращивать потомство (кстати, несущее также и их, бабушкины, гены). И этим они увеличивают вероятность выживания этого потомства. Иными словами, добавочная длительность жизни женщины преобразуется
в добавочное количество внуков. А это уже эволюционно осмыслено.
159
Ответ этот представляется вполне правдоподобным, но, увы, чисто умозрительным, поскольку он не имеет никаких фактических подтверждений. Точнее, не имел. До тех пор, пока делом не занялась финская исследовательница
Миркка Ладенпера. Она перерыла архивные документы Финляндии и Канады,
восходящие еще к XVII-XIX векам, и нашла в них эти фактические подтверждения. Важность этой работы видна хотя бы потому, что она была принята и
опубликована в ведущем научном журнале мира – журнале «Nature».
Во-первых, Ладенпера показала, что удлиненная жизнь женщин не является чисто современным феноменом, то есть не связана, например, с улучшением
условий жизни. Даже в до-индустриальном обществе около трети женщин достигали 45 и более лет, и вызвано это было меньшей смертностью в детстве и
юности. Иными словами, удлиненная жизнь женщин – это феномен, появившийся постепенно, в ходе человеческой эволюции, и не зависящий от социально-экономического положения. Далее, оказалось, что длительность жизни
женщины никак не связана с числом рожденных ею детей (а потому и с числом
внуков, рожденных этими детьми). И, наконец, от удлиненной жизни женщин
выигрывают, как выяснилось, не только их дочери, но и сыновья.
Что же они выигрывают? Исследование Миркки Ладенпера показало, что у
людей (дочерей и сыновей), матери которых еще живы, имеется в среднем
больше потомков и большее число этих детей благополучно достигают юношеского возраста. Далее, эти люди в среднем рожают своих детей в более молодом возрасте, чем те, матери которых уже умерли, и рождения этих детей происходят в среднем чаще. Понятно, что все это ведет к репродуктивному выигрышу, преобразуется в эволюционное преимущество. Но неутомимая Миррка
Ладенпера нашла в запыленных документах еще более поразительное подтверждение значимости бабушек для эволюции. Оказалось, что дочери и сыновья,
которые жили далее, чем в 20-ти километрах от матери, производили на свет
заметно меньше детей, чем те, которые жили с ней в одной деревне. Что может
лучше доказать, что роль бабушек в увеличении потомства – вовсе не какаянибудь генетическая, а чисто вспомогательная?!
А если среди нас еще остаются скептики, то вот им последний удар: данные, найденные доктором Ладенпера, показывают, что средняя длительность
жизни пострепродуктивной финской женщины составлял 68, а канадской – 74
года. А этот как раз тот (примерно) возраст, когда дочери этих женщин сами
уже выходили из репродуктивного возраста, то есть переставали рожать, уже не
нуждались в бабушках для воспитания новорожденных внуков. Вот тогда-то
эволюция и произносила свое шекспировское: «Бабушка сделала свое дело –
бабушка может уйти».
Опять бедный Дарвин!
В заключение этого разговора об эволюции следует, наверно, сказать, что
не всякая критика дарвинизма антинаучна (как антинаучна, скажем, теория «Разумного дизайна»). Есть и критика, которая развивает дарвинизм, и о ней хочется напоследок упомянуть – ну, хотя бы для того, чтобы не показалось, будто
160
насчет дарвинизма все уже известно и самой теории эволюции эволюционировать дальше уже некуда. Сейчас вы увидите, что это не так. Но сначала, небольшое отступление.
Одна из книг на моей «биологической» полке называется «Alas, poor
Darwin!» – что в переводе означает: «Увы, бедный Дарвин!» Впрочем, ее составители, известные нейробиологи Хилари и Стивен Роузы, прославившиеся изучением памяти, менее всего хотели упрекнуть или принизить Дарвина этим
названием – напротив, им, видимо, хотелось выразить сочувствие великому создателю эволюционной теории, идеи которого сегодня так безжалостно (по их
мнению) искажают и калечат некие люди, именующие себя «эволюционными
психологами». Подзаголовок книги так и указывает своим обвинительным перстом: «Аргументы против эволюционной психологии». Так что, как видите,
споры об эволюции продолжаются даже среди самих эволюционистов. Об этом
новейшем споре одних дарвинистов с другими я еще надеюсь рассказать – в
книге очерков о загадках человеческого мозга. А здесь речь пойдет о другом.
В отличие от Хилари и Стивена Роузов, создательница «теории социального отбора» Джоан Рафгарден и ее единомышленники весьма решительно хотят
если не «сбросить Дарвина с корабля современности», то, по меньшей мере, потеснить его на палубе. И они нашли, как они полагают, то слабое звено, ухватившись за которое, это можно сделать. Таким слабым звеном дарвинизма, по
их мнению, является дарвиновская теория сексуального отбора, о которой у нас
шла речь в очерке об Амосе Захави и его «принципе гандикапа». Если помните,
там речь шла о хвосте павлина. В отличие от сильных мускулов, быстрых ног и
тому подобных качеств, реально увеличивающих шансы животного на выживание, такие качества, как пышный и длинный павлиний хвост, казалось бы, совершенно бесполезны в борьбе за существование, если не сказать больше. Почему же эволюция их сохранила и даже способствовала их развитию (ведь когда-то хвост среднего павлина наверняка был короче, чем сейчас)?
Отвечая на этот вопрос (а также на многие другие, конечно), Дарвин выдвинул теорию сексуального отбора. Главное утверждение этой теории гласит,
что в коллективах разнополых животных происходит отбор по специфическим
«сексуально привлекательным» признакам, потому что в таком коллективе самки стараются выбрать самого лучшего и самого привлекательного будущего
отца, а самцы конкурируют между собой, стараясь привлечь внимание самок.
Чем длиннее хвост павлина, тем больше у него шансов понравиться павлинихе,
чем больше рога у оленя, тем больше у него шансов не только понравиться
оленихе, но и одолеть в борьбе за нее слаборогого оленя-соперника. Много лет
спустя после Дарвина, когда уже были открыты гены, биологи нашли объективную причину различия стратегий самцов и самок в сексуальном отборе и
тем самым подтвердили идеи Дарвина: самки вкладывают в потомка больше затрат, чем самцы (яйцеклетки самок содержат, кроме генов, также и питательные вещества для будущего потомка), поэтому самки больше заинтересованы в
одном, но «хорошем» отце, а самцы – в любых, но числом побольше, самках
(чем больше самок, тем больше генов самец передаст, тем больше у него шансов стать отцом многочисленного потомства; самка же предпочитает немногих
161
потомков, но таких, которым гарантировано выживание благодаря свойствам
отца).
Как мы рассказывали выше, Амос Захави выдвинул свое, альтернативное
дарвиновскому, объяснение длины павлиньего хвоста – и проверка подтвердила
его правоту. Но та история началась еще в 1975 году и закончилась лет через
пятнадцать. Сейчас же я хочу рассказать о самых новых атаках на теорию сексуального отбора, все шире разворачивающихся сегодня в научной литературе.
Одним из главных объектов этих атак является утверждение, будто в разнополых коллективах за каждым полом закреплены вполне определенные, неизменные сексуальные стратегии – самки выбирают самцов, самцы конкурируют изза самок. Так вот, американская исследовательница Патришия Говати оспаривает лежащую в основе этого утверждения мысль о неравном вкладе самцов и
самок в потомство. И приводит доказательства своего неверия в эту мысль.
У ряда рыб, говорит она, имеется способность производить как яйцеклетки, так и сперму, причем в ходе жизни они то и дело меняют свою роль, оказываясь то самками, то самцами. У других видов рыб пол, хотя он и предопределен с рождения, не предопределяет сексуальное поведение. Например, у голубожабрых губанов, кроме «настоящих» самок и самцов, существуют также феминизированные самцы, которые внешне выглядят как настоящие самки, но
имеют мужские гениталии. Их поведение резко отличается от поведения настоящих самцов – они не конкурируют с ними за самок, а помогают им в их конкуренции. Не соответствует дарвиновской теории и поведение самцов некоторых морских млекопитающих, у которых самцы первое время носят детенышей
в сумках, обеспечивая им наилучшие условия выживания. У этих видов не самцы конкурируют за самок, а, наоборот, самки ищут внимания самцов. Более того – обнаружены и такие виды животных, у которых имеется до трех разновидностей самцов и двух разновидностей самок. Здесь уже, понятно, совсем нельзя
говорить о какой-то однозначной «мужской» или «женской» сексуальной стратегии.
Еще более серьезной проблемой для теории сексуального отбора является
существование у животных гомосексуализма. Канадский биолог Пол Васи, изучавший это явление у японских макак, обнаружил, что самки этих макак образуют настоящие однополые сообщества, гомосексуальные группы, в которых
царит лесбийская любовь. Самки, собирающиеся в такие группы, «оседлывают»
друг друга десятки, а то и сотни раз на день – в одном случае Васи наблюдал
группу, в которой такое оседлывание происходило каждые две минуты. При
этом Васи не сумел, сколько ни пытался, выявить какую-либо приспособительную функцию такого объединения в гомосексуальные группы. Оно как будто
бы не помогает ни в снятии социальных стрессов, ни в коммуникации – дело
выглядит так, словно единственной «целью» такого объединения является получение сексуального удовлетворения. «Оседлывая» подругу, самка прижимается к ней паховой областью, трется об нее и при этом мастурбирует собственный клитор своим хвостом. Подобное поведение наблюдается и у канадских гусей, а также у горилл и шимпанзе, не говоря уже о людях.
Обобщая все эти факты, американский биолог Джоан Рафгарден, самая из162
вестная из критиков дарвиновской теории сексуального отбора, выдвинула альтернативную ей теорию «социального отбора», согласно которой наличие однополых групп, члены которых отдают предпочтение определенному виду поведения или определенному качеству (признаку) своих сотоварищей, способно
вызывать ускоренное эволюционное развитие этого типа поведения или этого
признака – своего рода новый, обусловленный предпочтениями группы эволюционный процесс, «вышедший из-под контроля» сексуального отбора. В качестве примера такого процесса она приводит пятнистых гиен, у которых самки
имеют гениталии, внешне похожие на гениталии самцов (пенис). Как и зачем
это могло произойти?
Рафгарден утверждает, что у таких видов репродуктивный успех самки
резко зависит от того, включена она в такую эксклюзивную «социальную группу» или нет, поскольку эта группа благодаря своей численности располагает
определенной, порой весьма существенной степенью контроля над пищевыми
ресурсами всего коллектива. Если поначалу группа гиен-самок почему-либо
стала отдавать предпочтение самкам, у которых случайно образовался пенис, то
постепенно эта группа все более и более пополнялась такими животными, причем «социальный отбор» шел уже по самому факту наличия пениса и его длине:
самки с малыми пенисами стали «исключаться» из «клуба», что уменьшало их
шансы на репродукцию, то есть на воспроизведение себе подобных (тоже с малыми пенисами) . Благодаря такому характеру социального отбора рост пениса
у самок превратился в ускоряющийся («вышедший из-под контроля») процесс.
Отличие «социального отбора» от «сексуального» (по Дарвину), говорит
Рафгарден, состоит в том, что «выгода, получаемая животным, которое обладает социально-включаемым признаком, проистекает из-за того, что благодаря
наличию этого признака оно включается в сильную группу особей своего же
пола, а не потому, что его якобы, «сексуально предпочитает» животное противоположного пола. И напротив, исключенность из социальной группы равносильна гибели, то есть самой сильной форме естественного отбора».
Эту свою идею «социального отбора» Рафгарден развернуто изложила в
книге «Радуга эволюции», основной тезис которой состоит в том, что природа
на самом деле демонстрирует множество примеров, противоречащих стереотипам теории сексуального отбора, и прежде всего – множество доказательств того, что самки способны так же жадно искать сексуального удовлетворения и
конкурировать в борьбе за него, как и самцы. Многие противники этого тезиса
считают, что он слишком заострен и что в своей борьбе с теорией сексуального
отбора Рафгарден перехлестывает, «выбрасывая ребенка вместе с грязной водой». Ее оппоненты открыто утверждают, что радикализм Джоан Рафгарден
продиктован ее феминистскими взглядами и политической близостью к активистам движения сексуальных меньшинств (гомосексуалистов и лесбиянок), а некоторые намекают даже, что тут сказывается общеизвестная особенность ее
личной судьбы. (Джоан Рафгарден – трансвестит: пять лет назад, в 52-летнем
возрасте, эта выдающаяся исследовательница, возглавлявшая специальную
программу в Стэнфордском университете и называвшаяся тогда Джонатаном
Рафгарденом, сделала операцию по изменению пола.)
163
Все это вполне возможно, но не это должно определять наше отношение к
выдвигаемым ею тезисам – определяющее значение имеет, опровержимы они
или неопровержимы. Пока что следует признать, что новые факты, найденные
исследователями в последние годы, в своей совокупности действительно рисуют более сложную картину взаимодействий в разнополых коллективах, чем та,
которую предлагает классический дарвинизм.
Как сказала одна журналистка, посетившая недавнюю конференцию Американской ассоциации содействия науке, где обсуждались эти факты, «со времен Дарвина секс явно претерпел серьезную эволюцию».
164
КИБЕРНЕТИКА И ЭВОЛЮЦИЯ
В.Ф.Турчин, д.ф.м.н.,профессор
Феномен науки:
Кибернетический подход к эволюции
Турчин В.Ф.
Феномен науки: Кибернетический подход к эволюции.
Изд. 2-е – М.: ЭТС. — 2000. — 368 с.
ISBN 5-93386-019-0
Автор книги — выдающийся ученый, физик и кибернетик, создатель языка
Рефал и нового направления в программировании, связанного с преобразованием программ. Известен широкому кругу отечественных читателей как составитель сборника “Физики шутят”. Вынужденный покинуть Родину, с 1977 года он
живет и работает в США.
В этой книге В.Ф.Турчин излагает свою концепцию метасистемного перехода и с ее позиций прослеживает эволюцию мира от простейших одноклеточных организмов до возникновения мышления, развития науки и культуры. По
вкладу в науку и философию монография стоит в одном ряду с такими известными трудами как “Кибернетика” Н.Винера и “Феномен человека” П.Тейяра де
Шардена.
Книга написана ярким образным языком, доступна читателю с любым
уровнем подготовки. Представляет особый интерес для интересующихся фундаментальными вопросами естествознания.
Оглавление
Вступительное слово
Предисловие редактора к первому русскому изданию
165
Предисловие автора
Введение
Глава 1. Начальные стадии эволюции
Глава 2. Иерархические структуры
Глава 3. На пути к человеку
Глава 4. Человек
Глава 5. Со ступеньки на ступеньку
Глава 6. Логический анализ языка
Глава 7. Язык и мышление
Глава 8. Первобытное мышление
Глава 9. Математика до греков
Глава 10. От Фалеса до Евклида
Глава 11. От Евклида до Декарта
Глава 12. От Декарта до Бурбаки
Глава 13. Наука и метанаука
Глава 14. Феномен науки
Приложение. Кибернетический манифест
Предметный и именной указатель
Оглавление
Вступительное слово
Предисловие редактора к первому русскому изданию
Предисловие автора
Введение
Глава 1. Начальные стадии эволюции
1.1. Основной закон эволюции
1.2. Химическая эра
1.3. Кибернетика
1.4. Дискретные и непрерывные системы
1.5. Надежность дискретных систем
1.6. Информация
1.7. Нейрон
1.8. Нервная сеть
1.9. Простой рефлекс (раздражимость)
1.10. Сложный рефлекс
Глава 2. Иерархические структуры
2.1. Понятие понятия
2.2. Распознаватели и классификаторы
2.3. Иерархия понятий
2.4. Как возникает иерархия
166
2.5. Кое-что о реальных иерархиях
2.6. Мир глазами лягушки
2.7. Обломки системы понятий
2.8. Цель и регулирование
2.9. Как возникает регулирование
2.10. Представления
2.11. Память
2.12. Иерархия целей и планов
2.13. Структурные и функциональные схемы
2.14. Переход к феноменологическому описанию
2.15. Определение сложного рефлекса
Глава 3. На пути к человеку
3.1. Метасистемный переход
3.2. Управление рефлексом
3.3. Рефлекс как функциональное понятие
3.4. Зачем нужны ассоциации представлений
3.5. Вызов по дополнению
3.6. Пятна и линии
3.7. Условный рефлекс и обучение
3.8. Моделирование
3.9. Познание мира
Глава 4. Человек
4.1. Управление ассоциированием
4.2. Игра
4.3. Изготовление орудий
4.4. Воображение, планирование, преодоление инстинкта
4.5. Внутренний учитель
4.6. Смешное и прекрасное
4.7. Язык
4.8. Языкотворчество
4.9. Язык как средство моделирования
4.10. Самопознание
4.11. Продолжение мозга
4.12. Социальная интеграция
4.13. Сверхсущество
Глава 5. Со ступеньки на ступеньку
5.1. Материальная и духовная культура
5.2. Эффект лестницы
5.3. Масштаб метасистемного перехода
5.4. Орудия для производства орудий
5.5. Нижний палеолит
5.6. Верхний палеолит
5.7. Неолитическая революция
5.8. Век металла
5.9. Промышленные революции
167
5.10. Квант развития
5.11. Эволюция мышления
Глава 6. Логический анализ языка
6.1. Снова о понятиях
6.2. Свойства и отношения
6.3. Аристотелевская логика
6.4. Диалектика Гегеля
6.5. Математическая логика
6.6. Объекты и высказывания
6.7. Логические связки
6.8. Предикаты
6.9. Кванторы
6.10. Связка “такой, что”
6.11. Физический предмет и логический объект
6.12. Функции
6.13. Синтаксис и семантика
6.14. Логический анализ языка
Глава 7. Язык и мышление
7.1. Что мы знаем о мышлении?
7.2. Языковая деятельность
7.3. Мозг как “черный ящик”
7.4. Подтверждение и отрицание
7.5. Феноменологическое определение семантики
7.6. Логическое понятие
7.7. Структурный подход
7.8. Две системы
7.9. Понятийные сваи
7.10. Концепция Сепира–Уорфа
7.11. Субстанция
7.12. Объективизация времени
7.13. Лингвистическая относительность
7.14. Метасистемный переход в языке
7.15. Понятия-конструкты
7.16. Мышление человека и животных
Глава 8. Первобытное мышление
8.1. Системный аспект культуры
8.2. Дикость и цивилизация
8.3. Метасистемный переход к языковой деятельности
8.4. Магия слов
8.5. Духи и прочее
8.6. Мусорная куча представлений
8.7. Вера и знание
8.8. Консерватизм докритического мышления
8.9. Возникновение цивилизации
Глава 9. Математика до греков
168
9.1. Ошибка природы
9.2. Счет и измерение
9.3. Запись чисел
9.4. Позиционная система
9.5. Прикладная арифметика
9.6. Познания древних в геометрии
9.7. Арифметика с птичьего полета
9.8. Обратный ход модели
9.9. Решение уравнений
9.10. Формула
Глава 10. От Фалеса до Евклида
10.1. Доказательство
10.2. Классический период
10.3. Философия Платона
10.4. Что такое математика?
10.5. Точность сравнения величин
10.6. Достоверность утверждений математики
10.7. В поисках аксиом
10.8. Об аксиомах арифметики и логики
10.9. Сваи, уходящие вглубь
10.10. Платонизм в ретроспективе
Глава 11. От Евклида до Декарта
11.1. Число и величина
11.2. Геометрическая алгебра
11.3. Архимед и Аполлоний
11.4. Упадок греческой математики
11.5. Арифметическая алгебра
11.6. Италия, XVI век
11.7. Буквенная символика
11.8. Что сделал Декарт?
11.9. Отношение как объект
11.10. Декарт и Ферма
11.11. Путь к открытию
Глава 12. От Декарта до Бурбаки
12.1. Формализованный язык
12.2. Языковая машина
12.3. Четыре типа языковой деятельности
12.4. Наука и философия
12.5. Формализация и метасистемный переход
12.6. Лейтмотив новой математики
12.7. “Несуществующие” объекты
12.8. Иерархия теорий
12.9. Аксиоматический метод
12.10. Метаматематика
12.11. Формализация теории множеств
169
12.12. Трактат Бурбаки
Глава 13. Наука и метанаука
13.1. Экспериментальная физика
13.2. Научный метод
13.3. Роль общих принципов
13.4. Критерии выбора теорий
13.5. Физика микромира
13.6. Соотношение неопределенностей
13.7. Наглядные и знаковые модели
13.8. Крушение детерминизма
13.9. “Сумасшедшие” теории и метанаука
Глава 14. Феномен науки
14.1. Высший уровень иерархии
14.2. Наука и производство
14.3. Рост науки
14.4. Формализация научного языка
14.5. Человек и машина
14.6. Научное управление общество
14.7. Наука и нравственность
14.8. Проблема Высшего Блага
14.9. Духовные ценности
14.10. Человек во Вселенной
14.11. Расхождение траекторий
14.12. Этика и эволюция
14.13. Воля к бессмертию
14.14. Интеграция и свобода
14.15. Вопросы, вопросы...
Приложение. КИБЕРНЕТИЧЕСКИЙ МАНИФЕСТ
Предметный и именной указатель
ПРЕДИСЛОВИЕ
Русское издание этой книги выходит через двадцать с лишним лет после ее
написания. За это время наука существенно продвинулась вперед. Достаточно
вспомнить раскрытие генетического кода, открытия в астрофизике, новую теорию элементарных частиц. Персональные компьютеры вошли чуть ли не в каждый дом. Между тем книга выходит в том виде, в каком она была подготовлена
к печати в 1970 г. Если бы я стал что-то добавлять к ней, то это превратилось
бы, в конечном счете, в написание новой книги, гораздо большей по объему, и
она включала бы в себя старую практически целиком и без перемен. Ибо ос170
новная тема книги — Эволюция Вселенной как последовательность метасистемных переходов — не пострадала от времени. Напротив, появились новые
указания на плодотворность этого подхода. В настоящее время мы с группой
коллег начали работу над проектом PRINCIPIA CYBERNETICA, который
включает дальнейшее развитие этих идей. Некоторое представление об этом
проекте дает написанная мною совместно с Клиффом Джослиным статья “Кибернетический манифест”. Эта статья также включает краткое изложение основных идей книги и включена в качестве приложения к настоящему изданию.
“Феномен науки” вышел в английском и японском переводах. Я очень рад,
что он может, наконец, выйти и в русском оригинале.
Одно место в “Феномене науки” требует комментария в свете последних
достижений физики. В разделе “Сумасшедшие теории и метанаука” я высказал
мысль, что для того, чтобы разрешить трудности в современной теории элементарных частиц, надо разработать методы “метанауки”, т.е. теории о том, как
строить теории. Причину я усматривал в том, что основные понятия физики на
ранних стадиях ее развития брались из нашей интуиции макроскопического
мира. Но для познания законов микромира (а точнее, для построения математических моделей этого мира) наша “макроскопическая” интуиция неадекватна.
Если интуиция не дает нам впрямую тех “колесиков”, из которых можно строить модели микромира, то нам нужны какие-то теории о том, как эти колесики
выбирать и как модели строить. Это и будет метанаука.
С тех пор как была написана моя книга, физика элементарных частиц сделала огромный шаг вперед — и без всякой метанауки, а лишь на основе старой
идеи, что одни частицы могут как бы состоять из других, более элементарных
частиц. Тем не менее я полагаю, что моя логика остается в силе, и если не на
данной, то на какой-то последующей стадии развития точных наук метатеоретические методы докажут свою плодовитость.
В.Ф.Турчин
Обнинск, август 1990 г.
ВВЕДЕНИЕ
Что такое научное познание действительности? Ответить на этот вопрос с
научной же точки зрения – значит взглянуть на человечество как бы со стороны, из космического пространства. Тогда люди предстанут в виде определенного рода материальных образований, совершающих определенные действия, в
частности произносящих какие-то слова и пишущих какие-то знаки. Как возникают эти действия в процессе эволюции жизни? Можно ли объяснить их появление на основе каких-то общих принципов, относящихся к процессу эволю171
ции? Что представляет собой научная деятельность в свете этих общих принципов? Таковы те вопросы, на которые мы попытаемся ответить в этой книге.
Принципы, столь общие, что они применимы как к развитию науки, так и к
биологической эволюции, требуют для своего выражения столь же общих понятий. Такие понятия дает кибернетика – наука о связях, управлении и организации в объектах любой природы. В кибернетических понятиях с равным успехом описываются явления физико-химические, биологические, социальные.
Именно развитие кибернетики и особенно ее успехи в описании и моделировании целенаправленного поведения и распознавания понятий сделали возможным написание этой книги. Поэтому более точно ее предмет можно определить
так: кибернетический подход к науке как к изучаемому явлению.
Идейным стержнем книги является понятие о метасистемном переходе, т.е.
переходе от кибернетической системы к метасистеме, включающей в себя множество систем типа исходной, организованных и управляемых определенным
образом. Сначала это понятие было положено автором в основу анализа развития знаковых систем, используемых наукой. Затем, однако, оказалось, что исследование под этим углом зрения всей эволюции жизни на Земле позволяет
воссоздать связную и подчиненную единым закономерностям картину или,
лучше сказать, киноленту, которая начинается с первых живых клеток и кончается современными научными теориями и системой промышленного производства. Эта кинолента указывает, в частности, место феномена науки в ряду других явлений мира и раскрывает его значение на фоне общей картины эволюции
Вселенной. Так возник замысел настоящей книги. Сколь убедительно нарисована картина, мы предоставим судить читателю.
В соответствии с замыслом книги в ней излагается много фактов и концепций, которые весьма разнородны. Одни из фактов хорошо известны, о таких
мы стараемся говорить кратко, приводя их в систему и соотнося с основной
идеей книги. Другие факты менее известны, тогда мы останавливаемся на них
подробнее. То же относится и к концепциям: некоторые общеприняты, другие
менее известны и, возможно, спорны. Разнородность материала приводит также
к тому, что разные разделы книги требуют от читателя различных усилий. Одни
из них описательны и легки для чтения. В других местах, приходится углубляться в довольно специальные вопросы. Поскольку книга рассчитана на широкий круг читателей и не предполагает познаний вне рамок программы средней
школы, мы во всех таких случаях сообщаем читателю необходимые теоретические сведения. Эти страницы потребуют от неподготовленного читателя определенной работы.
Важное место в книге отводится проблемам теории познания и логики; они
трактуются, конечно, с кибернетических позиций. Кибернетика сейчас ведет
наступление на традиционную философскую гносеологию, давая новую, естественно-научную интерпретацию одним ее понятиям и отвергая другие как
несостоятельные. Некоторые философы противятся этому наступлению, считая
172
его посягательством на свою территорию. Они обвиняют кибернетиков в
“огрублении” и “упрощении” истины, в игнорировании “принципиального различия” между формами движения материи (и это несмотря на тезис о единстве
мира!). Но философ, которому чуждо землевладельческое отношение к различным областям знания, должен приветствовать атаки кибернетиков. В свое время развитие физики и астрономии уничтожило натурфилософию, избавив философов от необходимости говорить приблизительно о том, о чем ученые могут
говорить точно. Очевидно, развитие кибернетики сделает то же с философской
гносеологией или — скажем более осторожно — со значительной ее частью.
Этому надо только радоваться. У философов всегда будет достаточно своих забот: наука избавляет их от одних, но доставляет другие.
Так как книга посвящена науке в целом как определенному способу взаимодействия человеческого общества с окружающей средой, в ней почти ничего
не говорится о конкретных естественнонаучных дисциплинах; изложение остается целиком на уровне понятий кибернетики, логики и математики, которые
общезначимы для всей современной науки. Исключение делается только для
некоторых представлений современной физики, имеющих принципиальную
важность для теории знаковых систем. В нашу задачу не входит также конкретный анализ взаимодействия науки с производством и общественной жизнью.
Это отдельный вопрос, которому посвящена обширная литература; мы и здесь
остаемся на уровне общих понятий кибернетики.
Попытки соединить в целостной картине большое количество материала из
различных областей знания всегда чреваты опасностью искажения деталей, ибо
человек не может быть специалистом во всем. Поскольку данная книга является
именно такой попыткой, весьма вероятно, что специалисты в затронутых здесь
областях науки найдут в ней упущения и неточности. Ничего не поделаешь, такова цена, которую приходится платить за картины с большим охватом, но такие картины необходимы. Автору остается только надеяться, что картина,
нарисованная в этой книге, содержит лишь такие погрешности в деталях, которые могут быть устранены без ущерба для картины в целом.
Глава 1. Начальные стадии эволюции
1.1. ОСНОВНОЙ ЗАКОН ЭВОЛЮЦИИ
В процессе эволюции жизни, насколько нам известно, всегда происходило
и происходит сейчас увеличение общей массы живого вещества и усложнение
его организации. Усложняя организацию биологических образований, природа
действует по методу проб и ошибок. Существующие образования воспроизводятся во многих экземплярах, которые, однако, не вполне тождественны оригиналу, а отличаются от него наличием небольших случайных вариаций. Эти эк173
земпляры служат затем материалом для естественного отбора. Они могут выступать и как отдельные живые существа — тогда отбор приводит к закреплению полезных вариаций, и как элементы более сложного образования — тогда
отбор направлен также и на структуру нового образования (например, при возникновении многоклеточных организмов). И в том и в другом случае отбор является результатом борьбы за существование, в которой более жизнеспособные
образования вытесняют менее жизнеспособные.
Этот механизм развития жизни, открытый Чарльзом Дарвином, можно
назвать основным законом эволюции. В наши цели не входит обоснование или
обсуждение этого закона с точки зрения тех законов природы, которые можно
было бы провозгласить более фундаментальными. Будем принимать основной
закон эволюции как нечто данное.
1.2. ХИМИЧЕСКАЯ ЭРА
Историю жизни до появления человека можно разбить на два периода, которые мы назовем «химической» эрой и «кибернетической» эрой. Границей
между ними служит появление животных с четко оформленной нервной системой, включающей органы чувств, нервные волокна для передачи информации и
нервные узлы для ее преобразования. Такая терминология не означает, конечно,
что понятия и методы кибернетики неприменимы к жизни «химической» эры;
просто животное «кибернетической» эры является классическим объектом кибернетики, на котором она возникла и оформилась как научная дисциплина.
Историю и логику эволюции в докибернетическом периоде мы рассмотрим
лишь бегло, ссылаясь на воззрения современных биологов. В этом периоде
можно выделить три этапа.
На первом этапе закладываются химические основы жизни, образуются
макромолекулы нуклеиновых кислот и белков, обладающие свойством редупликации — снятия копий, «отпечатков», когда одна макромолекула служит
матрицей для синтеза из элементарных радикалов подобной ей макромолекулы.
Основной закон эволюции, который вступает в действие на этом этапе, приводит к тому, что матрицы, обладающие большей интенсивностью воспроизведения, получают преимущество перед матрицами с меньшей интенсивностью
воспроизведения, в результате чего образуются все более сложные и активные
макромолекулы и системы макромолекул. Биосинтез требует свободной энергии. Первичным ее источником является солнечное излучение. Продукты частичного распада живых образований, непосредственно использующих солнечную энергию (фотосинтез), также содержат некоторый запас свободной энергии, который может быть реализован с помощью уже имеющейся химии макромолекулы. Он и реализуется специальными образованиями, для которых
продукты распада служат вторичным источником свободной энергии. Так возникает расслоение жизни на растительный и животный миры.
174
Второй этап эволюции — возникновение и развитие у животных двигательного аппарата.
В характеристике доступа к источнику энергии есть существенное различие между растениями и животными. При данной освещенности интенсивность
поглощения солнечной энергии зависит только от величины поверхности растения, но никак не от того, движется оно или покоится. Совершенствование
растений пошло по пути создания выносных светоуловителей — зеленых листьев, крепящихся на системе опор и стрел — стеблей, веток и т. п. Конструкция эта отлично работает, обеспечивая медленное перемещение зеленых поверхностей к свету, отвечающее медленному изменению освещенности.
Совсем другое положение у животного, в частности, у самого примитивного животного, например, амебы. Источник энергии — пища — заполняет среду
вокруг него. Приток энергии определяется скоростью диффузии пищевых молекул через оболочку, отделяющую пищеварительный аппарат от внешней среды. Скорость диффузии зависит не только — и даже не столько — от величины
поверхности пищеварительного аппарата, сколько от движения этой поверхности относительно среды, дающего возможность выедать пищу из различных ее
участков. Поэтому даже простое хаотическое движение в среде или, напротив,
движение среды относительно организма (так делают, например, губки, прогоняя через себя воду с помощью ресничек) имеет большое значение для примитивного животного и, следовательно, появляется в процессе эволюции. Возникают специальные образования (внутриклеточные — у одноклеточных организмов и содержащие группы клеток — у многоклеточных), основной функцией которых является производство движения.
На третьем этапе эволюции движения животных становятся направленными, и у них появляются зачатки органов чувств и нервной системы. Это также
является естественным следствием основного закона. Животному выгоднее
двигаться в том направлении, где концентрация пищи выше, а чтобы осуществить это движение, надо иметь датчики, характеризующие состояние внешней среды в различных направлениях (органы чувств), и информационные каналы связи между этими датчиками и двигательным аппаратом (нервная система). Вначале нервная система чрезвычайно примитивна. Органы чувств различают лишь несколько ситуаций, на которые животное должно реагировать поразному. Объем информации, который передает нервная система, ничтожен.
Специальный аппарат для обработки информации отсутствует. С течением
времени органы чувств усложняются и поставляют все больше информации о
внешнем мире. Одновременно совершенствуется двигательный аппарат. Это
предъявляет все увеличивающиеся требования к пропускной способности
нервной системы. Появляются специальные образования — нервные узлы, которые перерабатывают информацию, поступающую от органов чувств, в информацию, управляющую органами движения. Начинается новая — «кибернетическая» эра.
175
1.3. КИБЕРНЕТИКА
Анализ эволюции в кибернетический период, вскрытие законов, по которым происходит усложнение организации живых существ этого периода — мы
будем для краткости называть их «кибернетическими животными», — требует
введения некоторых фундаментальных понятий и законов кибернетики.
Сам термин «кибернетика« ввел, как известно, Норберт Винер, определив
его описательно как учение о связях и управлении в живом организме и машине. Чтобы более точно дать определение кибернетики, как и всякой научной
дисциплины, мы должны ввести ее основные понятия. Собственно говоря, ввести основные понятия — это и значит уже определить данную науку, ибо остается только добавить: описание мира с помощью этой вот системы понятий и
есть данная конкретная наука.
В основе кибернетики лежит прежде всего понятие системы как некоторого материального объекта, состоящего из других объектов, называемых подсистемами данной системы. Подсистема некоторой системы, в свою очередь, может рассматриваться как система, состоящая из подсистем. Поэтому, если быть
точным, смысл введенного нами понятия заключается не в термине «система»
самом по себе, т. е. не в приписывании некоторому объекту свойства «быть системой», что довольно бессодержательно, ибо каждый объект может считаться
системой, а в связи между терминами «система» и «подсистема», отражающей
определенное отношение объектов.
Второе важнейшее понятие кибернетики — понятие состояния системы
(подсистемы). Подобно тому как понятие системы непосредственно опирается
на нашу пространственную интуицию, понятие состояния непосредственно
опирается на нашу интуицию времени, и его невозможно определить иначе, как
сославшись на опыт. Когда мы видим, что объект в чем-то изменился, мы говорим, что он перешел в другое состояние. Как и понятие системы, понятие состояния является скрытым отношением — отношением между двумя моментами времени. Если бы мир был неподвижным, понятие состояния не могло бы
возникнуть, и в тех дисциплинах, где мир рассматривается статически, например, в геометрии, понятие состояния отсутствует.
Кибернетика изучает организацию систем в пространстве и времени, т. е.
то, каким образом связаны подсистемы в систему и как влияет изменение состояния одних подсистем на состояние других подсистем. Основной упор делается, конечно, на организацию во времени, которая в случае, когда она целенаправленна, называется управлением. Причины связи между состояниями системы и вытекающие отсюда особенности ее поведения во времени часто называют заимствованным из физики термином динамика системы. Этот термин в
применении к кибернетике неудачен, так как, говоря о динамике системы, мы
склонны рассматривать ее как нечто целое, в то время как в кибернетике главным является исследование воздействия друг на друга подсистем, образующих
данную систему. Поэтому мы предпочитаем говорить об организации во вре176
мени, употребляя термин динамическое описание только тогда, когда его нужно противопоставить статическому описанию, учитывающему лишь пространственные отношения между подсистемами.
Кибернетическое описание может иметь различный уровень детализации.
Одну и ту же систему можно описывать либо в общих чертах, разбив ее на несколько крупных подсистем, «блоков», либо более детально, описав строение и
внутренние связи каждого блока. Но так или иначе кибернетическое описание
всегда имеет какой-то конечный уровень, глубже которого оно не распространяется. Подсистемы этого уровня рассматриваются как элементарные, не разложимые на составные части. Реальная физическая природа элементарных подсистем кибернетика не интересует, ему важно только, как они связаны между
собой. Два физических объекта могут радикально отличаться друг от друга по
своей природе, но если на каком-то уровне кибернетического описания они организованы из подсистем одинаково (с учетом динамического аспекта!), то с
точки зрения кибернетики их можно считать — на данном уровне описания —
тождественными. Поэтому одни и те же кибернетические соображения могут
быть применимы к таким разным объектам, как радиотехническая схема, программа для вычислительной машины или нервная система животного.
1.4. ДИСКРЕТНЫЕ И НЕПРЕРЫВНЫЕ СИСТЕМЫ
Состояние системы определяется через совокупность состояний всех ее
подсистем, т. е. в конечном счете элементарных подсистем. Элементарные подсистемы бывают двух типов: с конечным и бесконечным числом возможных
состояний. Подсистемы первого типа называют также подсистемами с дискретными состояниями, второго типа — с непрерывными состояниями. Примером
подсистемы с дискретными состояниями может служить колесико арифмометра или счетчика в такси. Нормально это колесико находится в одном из десяти
положений, соответствующих десяти цифрам от 0 до 9. Время от времени оно
поворачивается и переходит из одного состояния в другое. Этот процесс поворота нас мало интересует. Правильная работа системы (арифмометра, счетчика)
зависит только от того, как связаны между собой «нормальные» положения колесиков, а как происходит переход из одного положения (состояния) в другое
— несущественно. Поэтому мы и можем рассматривать арифмометр как систему, элементарные подсистемы которой могут находиться только в дискретных
состояниях. Современная быстродействующая цифровая вычислительная машина также состоит из подсистем (триггерных схем) с дискретными состояниями. Все, что мы знаем в настоящее время о нервной системе животных и человека, указывает на то, что решающую роль в ее работе играет взаимодействие
подсистем (нейронов) с дискретными состояниями.
С другой стороны, человек, катящийся на велосипеде, или аналогичная
вычислительная машина дают нам примеры систем, которые описываются как
состоящие из подсистем с непрерывными состояниями. В случае велосипедиста
таковыми являются все движущиеся друг относительно друга части велосипеда
177
и человеческого тела: колеса, педали, руль, ноги, руки и т. д. Их состояния —
это их положения в пространстве, описывающиеся координатами (числами),
которые могут принимать непрерывные множества значений.
Если система состоит исключительно из подсистем с дискретными состояниями, то и сама она может находиться лишь в конечном числе состояний, т. е.
является системой с дискретными состояниями. Такие системы мы будем называть просто дискретными системами, а системы с непрерывным множеством
состояний — непрерывными. Дискретные системы во многих отношениях
проще для анализа, чем непрерывные. В частности, пересчет числа возможных
состояний системы, который играет важную роль в кибернетике, требует в дискретном случае лишь знания элементарной арифметики. Пусть дискретная система A состоит из двух подсистем А1 и А2, причем подсистема А1 может иметь
N1, а подсистема А2 — N2 возможных состояний. Допуская, что каждое состояние системы А1 может сочетаться с каждым состоянием системы А2, мы находим, что число N возможных состояний системы A есть N1N2. Если система A
состоит из M подсистем Ai, где i = 1, 2, ..., M, то
N = N1N2...NM.
В дальнейшем мы будем рассматривать только дискретные системы. Кроме того прагматического соображения, что они принципиально проще, чем непрерывные системы, существует еще два довода в пользу целесообразности такого ограничения.
Во-первых, все непрерывные системы можно, в принципе, рассматривать
как дискретные системы с чрезвычайно большим числом состояний. В свете тех
знаний, которые дала нам квантовая физика, такой подход даже следует рассматривать как теоретически более правильный. Причина, по которой непрерывные системы все же не исчезают из кибернетики, — это наличие весьма совершенного аппарата — математического анализа и, в первую очередь, дифференциальных уравнений для рассмотрения таких систем.
Во-вторых, самые сложные кибернетические системы, как возникшие
естественным путем, так и созданные руками человека, неизменно оказываются
дискретными. Особенно наглядно это видно на примере животных. Относительно простые биохимические механизмы, регулирующие температуру тела,
содержание в крови различных веществ и т. п., являются непрерывными, но
нервная система устроена по дискретному принципу.
1.5. НАДЕЖНОСТЬ ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМ
Почему же, когда необходимо выполнять сложные функции, дискретные
системы оказываются предпочтительнее, чем непрерывные? Потому что они
отличаются более высокой надежностью. В кибернетическом устройстве, основанном на принципе дискретных состояний, каждая элементарная подсистема
может находиться лишь в небольшом числе возможных состояний, поэтому
178
она, как правило, игнорирует малые отклонения от нормы различных физических параметров системы, восстанавливая «в первозданной чистоте» одно из
своих допустимых состояний. В то же время в непрерывной системе малые
возмущения непрерывно накапливаются и, если система слишком сложна, она
перестает правильно работать. Конечно, и в дискретной системе всегда существует возможность сбоя, ибо небольшие изменения физических параметров
все-таки приводят к конечной вероятности перехода подсистемы в «неправильное» состояние. И все-таки преимущество, бесспорно, на стороне дискретных
систем. Покажем это на следующем простом примере.
Пусть нам надо передать сообщение с помощью электрического провода
на расстояние, скажем, 100 км. И пусть через каждый километр провода мы
имеем возможность поставить автоматическую станцию, которая будет усиливать сигнал до той мощности, которую он имеет на предыдущей станции, и —
если нужно — как-то преобразовывать его (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Передача сигнала в непрерывной и дискретной системах. Затенением показана область неопределенности сигнала
Допустим, что максимальная величина сигнала, который позволяет послать наша аппаратура, составляет 1 В и что среднеквадратичное искажение
сигнала при передаче от станции к станции (помеха) равно 0,1 В.
Рассмотрим сначала непрерывный способ передачи информации. Тогда
содержанием сообщения будет величина напряжения, приложенного к проводу
у его начала. Величина напряжения на другом конце провода — принятое сообщение — будет из-за помех отличаться от начального напряжения. Как велико будет это отличие? Считая помехи на различных участках линии независимыми, мы находим, что после прохождения ста станций среднеквадратичная
179
величина помехи составит 1 В (складываются средние квадраты помех). Таким
образом, помеха в среднем равна максимальному сигналу, поэтому ясно, что
никакой полезной информации мы фактически не получим. Значение принятого
напряжения может совпадать со значением переданного напряжения разве что
случайно. Если, например, нас устраивает точность в 0,1 В, то вероятность такого совпадения равна примерно 1/10.
Теперь рассмотрим дискретный способ передачи. Определим два «осмысленных» состояния начального участка провода: когда приложенное напряжение равно нулю и когда оно максимально (1 В). На промежуточных станциях
установим автоматические устройства, которые в одном случае, если принято
напряжение меньше 0,5 В, передают дальше нулевое напряжение, а если оно
больше 0,5 В, посылают нормальный сигнал в 1 В. Следовательно, в данном
случае за один раз (одним сигналом) передается информация вида «да» или
«нет» (такое количество информации — единица информации — называется 1
бит). Какова вероятность получения правильной информации? Она сильно зависит от закона распределения вероятности для величины помехи. Как правило,
помехи подчиняются так называемому нормальному закону. Приняв этот закон,
можно найти, что вероятность ошибки при передаче от предыдущей станции к
следующей (равная вероятности того, что помеха превысит 0,5 В) равна
0,25×10-6. Следовательно, вероятность ошибки при передаче на всю длину линии есть 0,25×10-4. Чтобы передать то же сообщение, что и в предыдущем случае, т. е. значение с точностью до 0,1 некоторой величины, лежащей в пределах
от 0 до 1, нам достаточно послать четыре сигнала вида «да» или «нет». Вероятность того, что хотя бы в одном из сигналов будет допущена ошибка, равна 10 4
. Итак, полная вероятность ошибки при дискретном способе составляет 0,01%
против 90% при непрерывном способе.
1.6. ИНФОРМАЦИЯ
Начав описывать конкретную кибернетическую систему, мы невольно
употребляем термин информация, который в своем разговорном, неформальном значении хорошо знаком и понятен каждому культурному человеку. Теперь мы введем кибернетическое понятие информации, имеющее точный количественный смысл.
Представим себе две подсистемы A и B (рис. 1.2), связанные между собой
таким образом, что изменение состояния системы A влечет изменение состояния системы B. Это можно выразить такими словами: подсистема A воздействует на подсистему B.
180
Рис. 1.2. Связанные подсистемы
Рассмотрим подсистемы B в некоторый момент времени t1 и в более поздний момент времени t2. Первое обозначим через S1, второе — через S2. Cостояние S2 зависит от состояния S1. Однако оно не определяется состоянием S1 однозначно, а зависит от него вероятностным образом, ибо мы рассматриваем не
идеализированную теоретическую систему, подчиняющуюся детерминистическому закону движения, а реальную систему, состояния которой S суть результаты опытных данных. При таком подходе тоже можно говорить о законе движения, понимая его в вероятностном смысле, т. е. как условную вероятность
состояния S2 в момент t2 при условии, что в момент t1 система имела состояние
S1. Теперь забудем на минуту о законе движения. Обозначим через N полное
число возможных состояний подсистемы B и будем представлять себе дело таким образом, что в любой момент времени подсистема B может с равной вероятностью принять любое из N состояний независимо от того, какое состояние
она имела в предыдущий момент. Попытаемся количественно выразить степень
(или силу) причинно-следственного влияния подсистемы A на такую безынерционную и «беззаконную» подсистему B. Пусть B под действием A переходит в
некоторое совершенно определенное состояние. Ясно, что «сила влияния», которая требуется для этого от A, зависит от числа N и тем больше, чем больше
N. Если, например, N = 2, то система B, даже будучи совершенно не связана с
A, под действием каких-то случайных причин может с вероятностью 1/2 перейти в то самое состояние, которое «рекомендует» система A. Если же N = 10 9, то,
заметив такое совпадение, мы вряд ли усомнимся во влиянии A на B. Следовательно, мерой «силы влияния» A на B в данном единичном акте, т.е. по существу мерой интенсивности причинно-следственной связи между двумя событиями — состоянием подсистемы A в интервале времени от t1 до t2 и состоянием
подсистемы B в момент t2 — должна служить какая-то монотонно возрастающая функция N. В кибернетике эта мера называется количеством информации,
переданной от A к B между моментами времени t1 и t2, а монотонно возрастающей функцией служит логарифм. Итак, в нашем примере количество информации I, переданное от A к B, равно log N.
Выбор логарифмической функции определяется тем ее свойством, что
log N1 N2 = log N1 + log N2.
Пусть система A действует на систему B, состоящую из двух независимых
подсистем B1 и B2 с возможным числом состояний N1 N2 соответственно (рис.
1.3). Тогда число состояний системы B есть N1×N2, а количество информации I,
которое надо передать системе B, чтобы она приняла одно определенное состояние, есть благодаря указанному свойству логарифма сумма
I = log N1 N2 = log N1 + log N2 = I1 + I2,
181
где I1 и I2 — количества информации, потребные подсистемам B1 и B2.
Благодаря этому свойству информация принимает определенные черты субстанции, она распределяется по независимым подсистемам подобно жидкости,
разливающейся по сосудам. Мы говорим о слиянии и разделении информационных потоков, об информационной емкости, о переработке информации и ее
хранении.
Рис. 1.3. Воздействие на две независимые подсистемы
Вопрос о хранении информации связан с вопросом о законе движения.
Выше мы мысленно отключили закон движения, чтобы определить понятие передачи информации. Если мы теперь рассмотрим закон движения с новой точки
зрения, то он сводится к передаче информации от системы B в момент времени
t1 к той же самой системе B в момент t2. Если состояние системы не меняется с
течением времени, то это и есть хранение информации. Если состояние S 2 однозначно определяется состоянием S1 в предыдущий момент времени, то систему называют полностью детерминированной. Если имеет место однозначная
зависимость S1 от S2, то систему называют обратимой; для обратимой системы
можно, в принципе, по заданному состоянию вычислить все предыдущие состояния, поэтому потери информации не происходит. Если система необратима, информация теряется. Закон движения в сущности есть нечто, регулирующее поток информации во времени от системы к ней самой.
Рис. 1.4. Канал связи
На рис. 1.4 изображена схема передачи информации от системы A к системе C через систему B. Эта последняя носит название канала связи. На состояние B может влиять не только состояние системы A, но еще какой-либо не поддающийся контролю фактор X, называемый помехой. Конечное состояние системы C в этом случае зависит не только от состояния A, но и от фактора Х
(искажение информации). Еще одна важная схема обмена информации изображена на рис. 1.5. Это так называемая схема обратной связи. Состояние системы
A в момент времени t1 влияет на состояние B в момент времени t2, а это послед-
182
нее влияет на состояние системы A в момент времени t3. Путь информации замыкается.
Рис. 1.5. Обратная связь
На этом мы пока ограничим наше знакомство с общими понятиями кибернетики и вернемся к эволюции жизни на Земле.
1.7. НЕЙРОН
Внешний вид нервной клетки (нейрона) показан схематически на рис. 1.6.
Нейрон состоит из довольно крупного (до 0,1 мм) тела, от которого отходят несколько отростков — дендритов, дающих начало все более и более тонким отросткам, подобно ветвям дерева. Кроме дендритов, от тела нервной клетки отходит еще один отросток — аксон, напоминающий длинный тонкий провод.
Аксоны бывают очень длинны — до метра — и заканчиваются, подобно дендритам, древовидным разветвлением. На концах веточек, отходящих от аксона,
можно видеть маленькие пластинки или луковички. Луковички одного нейрона
близко подходят к различным участкам тела или дендритов другого нейрона,
почти прикасаясь к ним. Эти контакты носят название синапсов; через них
нейроны взаимодействуют друг с другом. Число луковичек, подходящих к
дендритам одного нейрона, может исчисляться десятками и даже сотнями. Таким образом, нейроны очень тесно связаны друг с другом; они образуют нервную сеть.
183
Рис. 1.6. Схема строения нейрона
С точки зрения физико-химических свойств, в первую очередь распределения электрического потенциала по поверхности клетки, нейрон может находиться в одном из двух состояний, которые называют состояниями покоя или
возбуждения, и время от времени нейрон под воздействием других нейронов
или каких-либо внешних факторов переходит из одного состояния в другое.
Этот процесс, конечно, занимает некоторое время, так что исследователь, изучающий, например, динамику электрического состояния нейрона, рассматривает его как систему с непрерывными состояниями. Однако, сведения, которыми
мы располагаем в настоящее время, указывают на то, что для работы нервной
системы в целом существенным является не характер переходных процессов, а
самый факт нахождения тех или иных нейронов в спокойном или возбужденном состоянии. Поэтому можно считать, что нервная сеть — это дискретная система, состоящая из элементарных подсистем — нейронов — с двумя состояниями.
Когда нейрон возбуждается, волна электрического потенциала бежит по
аксону и доходит до луковичек на его разветвленных концах. С луковичек через синапсы возбуждение передается на соответствующие участки клеточной
поверхности других нейронов. Поведение нейрона зависит от состояния, в котором находятся его синапсы. Простейшая модель функционирования нервной
сети исходит из предположения, что состояние нейрона в каждый момент времени есть однозначная функция состояния его синапсов. Экспериментально
установлено, что возбуждение одних синапсов способствует возбуждению
184
клетки, другие синапсы, напротив, будучи возбуждены, препятствуют возбуждению в клетке. Наконец, некоторые синапсы могут вовсе не проводить возбуждение от луковичек и, следовательно, не влиять на состояние нейрона.
Установлено также, что проводимость синапса увеличивается после первого
прохождения через него возбуждения и нескольких следующих прохождений.
Происходит как бы замыкание контакта. Это объясняет, каким образом без изменения положения нейронов друг относительно друга может меняться система
связей между нейронами и, следовательно, характер функционирования нервной сети.
Представление о нейроне как о мгновенном переработчике информации,
поступающей от синапсов, является, конечно, сильно упрощенным. Нейрон, как
и всякая клетка, — сложная машина, работа которой еще мало изучена. Эта
машина обладает большой внутренней памятью, поэтому ее реакции на внешнее воздействие могут отличаться большим разнообразием. Однако, чтобы понять общие закономерности работы нервной системы, мы можем отвлечься от
этих сложностей (у нас, собственно говоря, нет другого выхода!) и исходить из
очерченной выше простой модели.
1.8. НЕРВНАЯ СЕТЬ
Общая схема нервной системы «кибернетического животного» в его взаимодействии с внешней средой представлена на рис. 1.7. Чувствительные нервные клетки, возбуждающиеся под действием внешних факторов, носят название
рецепторов (т. е. получателей), ибо они служат первичным приемником информации о состоянии внешней среды. Эта информация поступает в нервную сеть
и перерабатывается ею. В результате возбуждаются некоторые из нервных клеток, называемых эффекторами. Разветвления эффекторных клеток пронизывают те ткани организма, на которые нервная система оказывает непосредственное влияние. Возбуждение эффектора вызывает сокращение соответствующей
мышцы или стимулирует деятельность соответствующей железы. Состояние
всех рецепторов в некоторый момент времени назовем ситуацией в этот момент. (Точнее было бы говорить «результат воздействия ситуации на органы
чувств», но это слишком длинно.) Состояние всех эффекторов назовем действием. Следовательно, роль нервной сети сводится к преобразованию ситуации в действие.
Рис. 1.7. Нервная система «кибернетического животного»
185
Под «средой» на рис. 1.7 удобно понимать не только предметы, окружающие животное, но также и его костно-мышечную систему и вообще все то, что
не входит в состав нервной системы. Это снимает необходимость изображать
на схеме отдельно тело животного и «не тело», тем более что никакого принципиального значения для деятельности нервной системы это разграничение не
имеет. Важно лишь то, что возбуждение эффекторов приводит к определенным
переменам в «среде». При том общем подходе к проблеме, который лежит в основе нашего рассмотрения, нам достаточно квалифицировать эти изменения
как «полезные» или «вредные» для животного, не вдаваясь в дальнейшие подробности.
Какова задача нервной системы? Способствовать выживанию и размножению животного. Нервная система работает хорошо, когда возбуждение эффекторов приводит к полезным с этой точки зрения изменениям состояния среды, и
плохо — в противном случае. Совершенствуясь в процессе эволюции, нервная
система выполняет эту задачу все лучше и лучше. Каким образом это удается?
Каким законам подчиняется процесс ее совершенствования?
Мы попытаемся ответить на эти вопросы, выделив в эволюции нервной
системы животных несколько этапов, четко отличающихся между собой с кибернетической точки зрения, и показав, что из основного закона эволюции следует неизбежность перехода от каждого предыдущего этапа к каждому последующему. Так как в кибернетическую эру эволюция живых существ — это
прежде всего эволюция их нервной системы, периодизация развития нервной
системы дает периодизацию развития жизни в целом.
1.9. ПРОСТОЙ РЕФЛЕКС (РАЗДРАЖИМОСТЬ)
Простейший вариант нервной сети — это вообще ее отсутствие. В этом
случае рецепторы непосредственно связаны с эффекторами и возбуждение с
одного или нескольких рецепторов передается на один или несколько эффекторов. Такую прямую связь между возбуждением рецептора и эффектора мы
назовем простым рефлексом.
Этот этап — третий по нашей сквозной нумерации этапов эволюции — является пограничным между химической и кибернетической эрами. Тип кишечнополостных представляет животных, застывших на уровне простого рефлекса.
Возьмем, например, гидру, которую изучают в школе как типичного представителя кишечнополостных. Тело гидры (рис. 1.8) имеет вид удлиненного мешочка. Его внутренность — кишечная полость — сообщается с внешней средой через ротовое отверстие, окруженное несколькими щупальцами. Стенки мешочка
состоят из двух слоев клеток: внутреннего (энтодерма) и внешнего (эктодерма).
И в эктодерме, и в энтодерме много мышечных клеток, содержащих волоконца,
которые могут сокращаться, приводя тело гидры в движение. Кроме того, в эктодерме есть и нервные клетки, причем клетки, расположенные ближе всего к
поверхности, — это рецепторы, а клетки, заложенные глубже, среди мышц, —
186
эффекторы. Если к гидре прикоснуться иглой, она сжимается в комочек. Это
простой рефлекс, вызванный передачей возбуждения от рецепторов к эффекторам.
Рис. 1.8. Строение гидры
Но гидра способна и к гораздо более сложному поведению. Захватив добычу, она подтягивает ее щупальцами к ротовому отверстию и заглатывает. Такое поведение тоже можно объяснить совокупным действием простых рефлексов, связывающих эффекторы и рецепторы локально — в пределах большого
участка тела. Например, следующая модель щупальца объясняет его способность обвиваться вокруг падающих предметов (рис. 1.9). Представим себе некоторое количество звеньев, соединенных между собой шарнирами (для простоты рассматриваем плоскую картину). Точки A и B, A' и B', B и C, В' и C' и т.
д. соединены между собой тяжами, которые могут сокращаться (мышцы). Все
эти точки являются чувствительными, возбуждаясь от прикосновения к предмету (рецепторы). Возбуждение каждой точки приводит к сокращению двух соседних с нею тяжей (рефлекс).
187
Рис. 1.9. Модель щупальца
1.10. СЛОЖНЫЙ РЕФЛЕКС
Простая рефлекторная связь между возбудимой и мышечной клетками
естественно возникает в процессе эволюции по методу проб и ошибок: если
оказывается, что корреляция между возбуждением одной клетки и сокращением другой полезна для животного, то эта корреляция устанавливается и закрепляется. При механическом копировании связанных клеток в процессе роста и
размножения природа получает систему параллельно действующих простых
рефлексов, подобную щупальцу гидры. Но когда в ее (природы) распоряжении
оказывается множество рецепторов и эффекторов, связанных попарно или локально, у нее «возникает искушение» усложнить систему связей путем введения промежуточных нейронов. Выгодность этого следует из того, что при
наличии системы связей между всеми нейронами становятся возможными такие формы поведения, которые невозможны при ограничении парными или локальными связями. Последнее утверждение можно доказать простым подсчетом всевозможных способов преобразования ситуации в действие при том и
другом способах связи. Пусть, например, у нас есть n попарно связанных рецепторов и эффекторов. Связь в каждой паре может быть либо положительная
(возбуждение вызывает возбуждение, покой — покой), либо отрицательная
(возбуждение вызывает покой, покой — возбуждение). Следовательно, всего
возможно 2n вариантов связи, т. е. 2n вариантов поведения. Если же предположить, что система связей может быть произвольная, т. е. состояние возбуждения или покоя каждого эффектора может произвольным образом зависеть от
состояния всех рецепторов, то подсчет всевозможных вариантов поведения
приводит к числу 2(2n)n, неизмеримо большему, чем 2n. Совершенно такой же
расчет приводит к заключению, что объединение любых подсистем, связывающих независимо друг от друга группы рецепторов и эффекторов в единую систему, всегда приводит к огромному возрастанию числа возможных вариантов
поведения. Поэтому на протяжении всей истории жизни эволюция нервной системы проходит под знаком увеличения централизации.
Однако централизация централизации рознь. Если связать все нейроны в
один бессмысленно запутанный клубок, то, несмотря на крайнюю «централизо188
ванность» такой системы, она вряд ли будет иметь шансы выжить в борьбе за
существование. Централизация ставит следующую проблему: как из всех мыслимых способов соединения многих рецепторов с многими эффекторами (с помощью промежуточных нейронов, если потребуется) выбрать такой способ, который будет каждой ситуации сопоставлять правильное, т. е. полезное для выживания и размножения, действие? Ведь подавляющее большинство способов
соединения не обладает этим свойством.
Мы знаем, что каждый новый шаг на пути усложнения живых структур
природа делает по методу проб и ошибок. Посмотрим, что дает непосредственное применение метода проб и ошибок к нашей проблеме. Рассмотрим для
примера небольшую систему из ста рецепторов и ста эффекторов. Допустим,
что в нашем распоряжении сколько угодно нейронов для создания промежуточной нервной сети и что мы умеем легко определять, дает ли данный способ
соединения нейронов правильную реакцию на каждую ситуацию. Будем перебирать все мыслимые способы, пока не натолкнемся на нужный. При N = 100
число функционально различных нервных сетей между n рецепторами и n эффекторами есть
2(2N)N≈10(1032).
Число это невообразимо велико. Перебор такого числа вариантов недоступен не только нам, но и нашей матушке-природе. Если бы каждый атом во всей
видимой нами части Вселенной занимался просмотром вариантов и перебирал
бы их со скоростью миллиард штук в секунду, то и за миллиард миллиардов лет
(а наша Земля существует не более десяти миллиардов лет) не была бы просмотрена и миллиардная доля общего числа вариантов.
Между тем как-то ведь происходит формирование эффективно работающей нервной сети! Причем число рецепторов и эффекторов у высших животных исчисляется не сотнями и не тысячами, а миллионами.
Разгадка кроется в иерархическом строении нервной системы.
Здесь нам снова необходим экскурс в область общекибернетических понятий. Четвертый этап эволюции мы назовем этапом сложного рефлекса, но дать
определение этому понятию сможем лишь после того, как познакомимся с некоторыми фактами об иерархически устроенных нервных сетях.
Мы следуем в основном докладу С.Э.Шноля «Сущность жизни. Инвариантность общего направления биологической эволюции» (Диалектика и современное естествознание: Матер. семинара. Дубна, 1967)
1
189
Глава 2. Иерархические структуры
2.1. ПОНЯТИЕ ПОНЯТИЯ
Рассмотрим такую нервную сеть, которая на входе имеет много рецепторов, а на выходе — всего один эффектор, так что нервная сеть делит множество
всех ситуаций на два подмножества: ситуации, вызывающие возбуждение эффектора, и ситуации, оставляющие его в покое. Задачу, решаемую в этом случае нервной сетью, называют задачей распознавания (имеется в виду распознавание принадлежности ситуации к тому или иному множеству). Животному в
борьбе за существование приходится сплошь и рядом решать задачу распознавания, например: отличить ситуацию, опасную для жизни, от неопасной, отличить съедобные предметы от несъедобных и т. п. Это только наиболее яркие
примеры, детальный анализ поведения животного приводит к выводу, что для
выполнения сколь-нибудь сложного действия оно должно непрерывно решать
множество «мелких» задач распознавания.
Множество ситуаций в кибернетике называют понятием1. Чтобы лучше
уяснить, как кибернетическое понимание слова «понятие» связано с его обычным пониманием, допустим, что рецепторы рассматриваемой нами нервной сети — это светочувствительные нервные окончания сетчатки глаза или же вообще какие-то светочувствительные точки на экране, подающем информацию в
нервную сеть. Рецепторы возбуждаются тогда, когда соответствующий участок
экрана освещен (точнее, когда его освещенность больше некоторой пороговой
величины), и остаются в состоянии покоя — в противном случае. Если на месте
каждого возбужденного рецептора представить себе светлую точку, а на месте
каждого невозбужденного — темную, то получится картина, которая отличается от изображения, падающего на экран, лишь своей дискретностью (т. е. тем,
что она распадается на отдельные точки) и отсутствием полутонов. Будем считать, что точек (рецепторов) на экране достаточно много, а изображения, которые могут оказаться на экране, — их мы будем называть «картинками» — предельно контрастны, т. е. состоят лишь из белого и черного цвета. Тогда каждая
ситуация соответствует определенной картинке.
190
Рис 2.1. Картинки, представляющие различные понятия
Согласно традиционной (аристотелевской) логике, когда мы думаем или
говорим о какой-то определенной картинке (например, о той, которая находится в левом верхнем углу на рис. 2.1), то мы имеем дело с единичным понятием.
Кроме единичных понятий, есть еще общие, или абстрактные, понятия. Например, мы можем думать о пятне вообще — не о каком-либо конкретном пятне
(допустим, из числа изображенных в верхнем ряду на рис. 2.1), а о пятне как
таковом. Точно так же мы можем обладать абстрактным понятием прямой линии, контура, четырехугольника, квадрата и т. д.2
Однако что значит «обладать абстрактным понятием»? Как можно проверить, обладает ли кто-то данным абстрактным понятием, например понятием
«пятно»? Очевидно, только одним способом: предложить испытуемому серию
картинок и попросить, чтобы он о каждой из них сказал, пятно это или нет. Если окажется, что он называет пятном только те и все те картинки, на которых
«изображено пятно» (это уже с точки зрения испытующего), то, значит, понятием пятна он обладает. Иначе говоря, мы должны проверить его способность
распознавать принадлежность любой предъявленной картинки к множеству
картинок, которые мы описываем словом «пятно». Итак, абстрактное понятие в
обычном смысле слова — во всяком случае когда речь идет о чувственно воспринимаемых образах — совпадает с введенным нами кибернетическим понятием понятия как множества ситуаций. Поэтому задачу распознавания называют также, желая сделать термин более конкретным, задачей распознавания образов (имеется в виду «обобщенных» образов) или задачей распознавания понятий (имеется в виду распознавание частных случаев понятий).
Множеству, состоящему из одной ситуации (картинки), соответствует в
традиционной логике конкретное понятие «данная картинка». Отношения между множествами имеют свои непосредственные аналоги в отношениях между
191
понятиями. Если большими буквами обозначить понятия, а маленькими — соответствующие множества, то дополнение множества a, т. е. множество всех
мыслимых ситуаций, не входящих в a, соответствует понятию «не A». Пересечение множеств a и b, т. е. множество ситуаций, которые входят и в a, и в b, соответствует понятию «A и B одновременно». Например, если A — понятие
«прямоугольник», а B — понятие «ромб», то «A и B одновременно» — понятие
«квадрат». Объединение множеств a и b, т. е. множество ситуаций, которые
входят хотя бы в одно из множеств a и b, соответствует понятию «либо A, либо
B, либо A и B». Если множество a включает в себя множество b, т. е. каждый
элемент множества b входит в множество a, но не наоборот, то понятие B есть
частный случай понятия A. При этом говорят, что понятие A более общее (абстрактное), чем понятие B, а понятие B более конкретное, чем A. Например,
квадрат есть частный случай прямоугольника. Наконец, если множества a и b
совпадают, то понятия A и B по существу тождественны и отличаются, быть
может, лишь внешней формой их описания — способом распознавания. Встав
на точку зрения кибернетики, т. е. отождествив понятие с множеством ситуаций, мы должны рассматривать перечисленные соответствия не как определение новых терминов, а просто как указание на наличие в нашем языке нескольких пар синонимов.
2.2. РАСПОЗНАВАТЕЛИ И КЛАССИФИКАТОРЫ
Нервную сеть, решающую задачу распознавания, мы назовем распознавателем, а состояние эффектора на его выходе будем называть просто состоянием
распознавателя. Отправляясь от понятия распознавателя, мы введем несколько
более общее понятие классификатора. Распознаватель делит множество всех
мыслимых ситуаций на два непересекающихся подмножества: A и не A. Можно
представить себе деление полного множества ситуаций на произвольное число
n пересекающихся подмножеств. Такие подмножества называют обычно классами. Теперь вообразим некую подсистему C, имеющую n возможных состояний и связанную нервной сетью с рецепторами таким образом, что, когда ситуация принадлежит к i-му классу (i-му понятию), подсистема C приходит в i-е
состояние. Такую подсистему вместе с нервной сетью мы будем называть классификатором по множеству n понятий (классов), а, говоря о состоянии классификатора, подразумевать состояние подсистемы C (выходной подсистемы).
Распознаватель — это, очевидно, классификатор с числом состояний n = 2.
В системе, организованной по двоичному принципу подобно нервной системе, подсистема C с n состояниями будет, конечно, состоять из какого-то
числа элементарных подсистем с двумя состояниями, которые можно рассматривать как выходные подсистемы (эффекторы) распознавателей. Состояние
классификатора, следовательно, будет описываться указанием состояний ряда
распознавателей. Однако эти распознаватели могут быть тесно связаны между
собой как по структуре сети, так и по выполняемой функции в нервной системе,
и в этом случае их следует рассматривать в совокупности как один классификатор.
192
Если не накладывать никаких ограничений на число состояний, то понятие
«классификатор» фактически теряет смысл. Действительно, всякая нервная сеть
сопоставляет каждому входному состоянию одно определенное выходное состояние; следовательно, каждому выходному состоянию соответствует множество входных состояний, и эти множества не пересекаются. Таким образом,
всякое кибернетическое устройство с входом и выходом можно формально рассматривать как классификатор. Придавая этому понятию более узкий смысл,
мы будем считать, что число выходных состояний классификатора гораздо
меньше, чем число входных состояний, так что классификатор действительно
«классифицирует» входные состояния (ситуации) по относительно небольшому
числу больших классов.
2.3. ИЕРАРХИЯ ПОНЯТИЙ
На рис. 2.2 приведена схема классификатора, организованного по иерархическому принципу. Иерархия вообще — это такое построение системы из подсистем, когда каждой подсистеме приписывается определенное целое число,
называемое ее уровнем, причем взаимодействие подсистем существенно зависит от разности их уровней, подчиняясь некоторому общему принципу. Обычно
этот принцип — передача информации в определенном направлении (сверху
вниз или снизу вверх) от данного уровня к следующему. В нашем случае рецепторам приписывается нулевой уровень, и информация распространяется снизу
вверх. Каждая подсистема первого уровня связана с некоторым числом рецепторов, и ее состояние определяется состояниями соответствующих рецепторов.
Точно так же каждая подсистема второго уровня связана с рядом подсистем
первого уровня и т. д. На высшем (на схеме — четвертом) уровне находится
одна выходная подсистема, которая и выносит окончательный приговор о принадлежности
ситуации
к
тому
или
иному
классу.
193
Рис. 2.2. Иерархия классификаторов
Из этого определения, которое трудно назвать шедевром ясности мысли,
можно все-таки заключить, что общие понятия, которые образуются не путем
перечисления единичных объектов, входящих в него, а путем указания ряда
признаков, объявляемых существенными, и отвлечения от остальных (несущественных) признаков, можно также считать абстрактными. Мы будем рассматривать только такие общие понятия и будем называть их также абстрактными.
Например, абстрактный треугольник — это любой треугольник, независимо от
величины его сторон и углов и его положения на экране, следовательно, это абстрактное понятие. Такое употребление термина «абстрактный» имеет место в
обиходе, а также в математике. В то же время, согласно учебнику логики, «треугольник», «квадрат» и т. п. суть конкретные общие понятия, а вот «треугольность» и «квадратность», которые им свойственны, это понятия абстрактные.
По существу, здесь в ранг логического возводится чисто грамматическое различие, ибо даже с точки зрения сторонника последнего варианта терминологии
обладание абстрактным понятием равнозначно обладанию соответствующим
общим понятием.
Все подсистемы промежуточных уровней также являются классификаторами. Непосредственным входом k-го уровня служат состояния классификаторов k-1-го уровня, совокупность которых является для него ситуацией, подлежащей классификации. В иерархической системе, содержащей более одного
промежуточного уровня, можно выделить иерархические подсистемы, охватывающие несколько уровней. Например, в качестве входных ситуаций для классификатора третьего уровня можно рассматривать состояния всех связанных с
ним классификаторов первого уровня. Иерархические системы можно достраивать «вширь» и «ввысь» подобно тому, как из восьми кубиков можно сложить
кубик с вдвое большим ребром, а из этих кубиков — еще больший кубик и т. д.
Так как с каждым классификатором связана система понятий, иерархия
классификаторов порождает иерархию понятий. Передаваясь от уровня к уровню, информация преобразуется, выражаясь в терминах все более «высокопоставленных» понятий. При этом количество передаваемой информации постепенно уменьшается за счет отбрасывания информации, несущественной с точки
зрения задачи, поставленной перед «верховным» (выходным) классификатором.
Поясним этот процесс на примере картинок, изображенных на рис. 2.1.
Пусть поставлена задача распознавания «домиков». Введем два промежуточных понятийных уровня. На первом разместим совокупность понятий «отрезки», на втором — понятия «многоугольники». Понятие «домик» окажется на
третьем уровне.
Под понятием «отрезки» мы понимаем совокупность понятий «отрезок с
координатами концов x1, y1 и x2, y2», где числа x1, y1, x2, y2 могут принимать
любые совместимые с устройством экрана и системой координат значения.
194
Чтобы быть конкретнее, допустим, что экран содержит 1000 × 1000 светочувствительных точек. Тогда координатами могут служить десятиразрядные двоичные числа (210 = 1024 > 1000), а отрезок с заданными концами требует для
своей характеристики четыре таких числа, т. е. 40 двоичных разрядов. Всего,
следовательно, существует 240 таких понятий. Их-то и должны различать классификаторы первого уровня.
Не надо думать, что отрезок с заданными концами — конкретное понятие,
т. е. множество, состоящее из одной картинки. Классифицируя предъявленную
картинку как отрезок с заданными концами, мы отвлекаемся от незначительных
искривлений линии, вариаций ее толщины и т. п. (см. рис. 2.1). Критерий того,
какие отклонения от нормы нам следует считать незначительными, может устанавливаться по-разному. Сейчас это нас не интересует.
Каждый классификатор первого уровня должен иметь на выходе подсистему из 40 двоичных разрядов, на которых «записаны» координаты концов отрезка. Сколько нужно классификаторов? Это зависит от того, какие картинки
ожидаются на входе системы. Допустим, что для описания любой картинки достаточно 400 отрезков. Значит, достаточно 400 классификаторов. Разделим этот
экран на 400 квадратов (50 × 50 точек) и свяжем с каждым квадратом классификатор, который будет фиксировать ближайший к нему, в каком-то смысле
(детали разделения труда между классификаторами несущественны), отрезок.
Если отрезка нет, пусть классификатор принимает какое-то стандартное «бессмысленное» состояние, например: все четыре координаты равны 1023.
Если предъявить нашей системе картинку, на которой изображено сколько-то отрезков, то соответствующее число классификаторов первого уровня
укажет координаты концов отрезков, а остальные примут состояние «нет отрезка». Это и есть описание ситуации в терминах понятий «отрезки». Сравним количество информации на нулевом и на первом уровнях. На нулевом уровне
нашей системы 1000 × 1000 = 106 рецепторов получают информацию в миллион
бит. На первом уровне 400 классификаторов, каждый из которых содержит 40
двоичных разрядов, т. е. 40 бит информации, всего 16 000 бит. При переходе на
первый уровень количество информации уменьшилось в 62,5 раза. Система сохранила ту информацию, которую она сочла «полезной» и отбросила информацию «бесполезную» с ее точки зрения. Относительность этих понятий видна из
того, что если предъявленная картинка не соответствует иерархии понятий системы распознавания, то реакция системы будет неправильной или просто бессмысленной. Если, например, на картинке более 400 отрезков, то не все отрезки
будут зафиксированы, а если предъявить картинку с пятном, то реакция на нее
будет такая же, как на пустую картинку.
Совокупность понятий «многоугольники», занимающую второй уровень
иерархии, мы делим на две меньших совокупности: равнобедренные треугольники и параллелограммы. Из числа параллелограммов мы выделяем в особую
совокупность прямоугольники. Считая, что для задания угла и длины надо
195
столько же бит (10), как и для координаты, находим, что для задания определенного равнобедренного треугольника надо 50 бит информации, параллелограмма — 60 бит, прямоугольника — 50 бит. Соответственно этому должны
быть сконструированы классификаторы второго уровня. Легко видеть, что вся
нужная им информация имеется в наличии на первом уровне. Наличие многоугольника констатируется при наличии нескольких отрезков, находящихся
между собой в определенных отношениях. При переходе на второй уровень
происходит дальнейшее сжатие информации. Отводя из полного числа 400 отрезков по одной трети на каждый вид многоугольников, получаем систему,
способную зафиксировать 44 треугольника, 33 прямоугольника и 33 параллелограмма (одновременно). Ее информационная емкость 5830 бит, т. е. почти втрое
меньше, чем емкость первого уровня. Зато перед неправильным треугольником
или четырехугольником система встанет в тупик!
Понятие «домик» легко описать на языке понятий второго уровня. Домик
состоит из четырех многоугольников: одного прямоугольника, одного равнобедренного треугольника и двух параллелограммов, находящихся в определенных отношениях друг к другу (основание равнобедренного треугольника совпадает с одной стороной прямоугольника и т. д.).
Во избежание недоразумений следует указать, что иерархия понятий, о которой мы говорим, имеет гораздо более общий смысл, чем иерархия понятий по
абстрактности (общности), которую часто называют просто «иерархия понятий». Примером иерархии по общности может служить пирамида понятий, относящихся к систематике животных. На нулевом уровне располагаются отдельные особи животных («конкретные» понятия), на первом — виды, на втором —
роды, затем — семейства, отряды, классы, типы. На вершине пирамиды находится понятие «животное». Такая пирамида является частным случаем иерархии понятий в общем смысле, отличающимся тем, что каждое понятие k-го
уровня образуется из некоторого числа понятий k-1-го уровня путем их объединения. Это соответствует очень просто устроенным классификаторам. В
общем случае классификаторы могут быть устроены как угодно. Распознаватели, нужные животному, — это скорее иерархии по сложности и тонкости понятий, а не по общности.
2.4. КАК ВОЗНИКАЕТ ИЕРАРХИЯ
Вернемся снова к эволюции нервной системы. Может ли иерархия классификаторов возникнуть эволюционным путем? Очевидно, может, но при одном
условии: если создание каждого нового уровня иерархии и его последующего
расширения полезны животному в борьбе за жизнь. Из факта существования
животных с высокоорганизованной нервной системой мы делаем вывод, что так
оно и есть в действительности. Кроме того, изучая примитивных животных, мы
видим, что система понятий, которые способна распознавать их нервная система, также весьма примитивна. Следовательно, в пользе нижайшего уровня
иерархии классификаторов мы убеждаемся воочию.
196
Набросаем в общих чертах путь развития нервной системы. На начальных
стадиях мы находим у животного всего несколько рецепторов. Число возможных способов связи между ними (соединений) относительно невелико и допускает прямой перебор. По методу проб и ошибок находится выгодное соединение. То, что выгодное соединение может существовать даже при очень малом
числе нейронов, легко видеть на таком примере. Пусть есть всего два светочувствительных рецептора. Если они расположены на разных сторонах тела, то
информация, которую они дают (разность освещенностей), достаточна, чтобы
животное могло двигаться на свет или против света. Когда выгодное соединение найдено и осуществлено, допустим, с помощью одного промежуточного
нейрона (такие нейроны называются ассоциативными), вся группа в целом может быть размножена. Так возникает система ассоциативных нейронов, регистрирующих, например, разности между освещенностями рецепторов и суммирующих эти разности (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Простейшие типы связей между рецепторами
Может быть размножена также любая часть системы связанных нейронов,
например, один или несколько рецепторов. Тогда возникает система связей типа изображенной на рис. 2.3,б. Схемы обоих типов образуют в совокупности
первый уровень иерархии, основанный на понятиях суммы и разности освещенностей. Поскольку для корректировки движения животного очень важно
регистрировать изменение освещенности в данной точке со временем, можно
предположить, что на самых ранних стадиях должны появиться нейроны, срабатывающие при изменении освещенности в точке. Это может быть как рецептор, так и ассоциативный нейрон, связанный с одним или несколькими рецепторами. В общем виде можно охарактеризовать классификаторы первого уровня как регистрирующие суммы и разности возбуждений рецепторов в пространстве и времени.
Доказав свою полезность для животного, классификаторы первого уровня
прочно входят в число его средств борьбы за существование. Тогда начинается
следующая серия проб и ошибок: небольшое число классификаторов первого
уровня (точнее, их выходных подсистем) связывается между собой в один
пробный классификатор второго уровня, пока не получится полезное соединение. Затем оказывается полезным размножение этого соединения. Можно предположить, что на втором уровне иерархии — поскольку это касается органов
зрения — появляются такие понятия, как граница между светом и тенью, средняя освещенность пятна, движение границы между светом и тенью и т. п. Таким же путем возникают и следующие уровни иерархии.
197
Набросанная нами схема наводит на мысль, что любая сложная система,
возникшая в процессе эволюции по методу проб и ошибок, должна иметь
иерархическую организацию. Действительно, не имея возможности перебрать
все мыслимые соединения большого числа элементов, природа перебирает соединения из нескольких элементов, а найдя полезную комбинацию, размножает
ее и использует как целое в качестве элемента, который может быть связан с
небольшим числом других таких же элементов. Так и возникает иерархия. Это
понятие играет огромную роль в кибернетике. Фактически всякая сложная система, как возникшая естественно, так и созданная человеком, может считаться
организованной, только если она основана на некой иерархии или переплетении
нескольких иерархий. Во всяком случае, до сих пор мы не знаем организованных систем, устроенных иначе.
2.5. КОЕ-ЧТО О РЕАЛЬНЫХ ИЕРАРХИЯХ
До сих пор наши выводы были чисто умозрительны. Как они подтверждаются реальным строением нервной системы животных и что можно сказать о
понятиях промежуточных уровней иерархии, реально складывающейся в процессе эволюции?
При сравнении нашей схемы с действительностью необходимо учитывать
следующее.
Деление системы понятий на уровни не является столь безусловным, как
мы молчаливо предполагали. Могут быть случаи, когда понятия k-го уровня
непосредственно используются на k+2-м уровне, минуя k+1-й. На рис. 2.2 мы
втиснули такую возможность в общую схему, введя классификаторы, связанные лишь с одним классификатором предыдущего уровня и повторяющие его
состояния; они изображены перечеркнутыми квадратиками. В действительности, конечно, их нет, что затрудняет расчленение системы на уровни. Далее,
иерархия классификаторов, изображенная на рис. 2.2, имеет четко выраженный
пирамидальный характер: чем выше уровень, тем меньше классификаторов, а
на верхнем уровне он всего один. Такая ситуация имеет место, когда система
чрезвычайно «целенаправленна», т. е. служит для какой-то весьма узкой цели,
для какого-то четко определенного способа классификации ситуаций. В примере, который мы приводили, это было распознавание «домиков». И мы видели,
что уже неправильные трех- или четырехугольники для такой системы оказываются «бессмысленными»; они не вписываются в иерархию понятий. Чтобы
быть более универсальной, система должна быть подобной не одной пирамиде,
а многим пирамидам, вершины которых расположены приблизительно на одном уровне и образуют множество понятий (а точнее, множество систем понятий), в терминах которых происходит управление действиями животного и которые обычно обнаруживаются при исследовании его поведения. Об этих понятиях говорят, что они составляют основу определенного «образа» внешнего
мира, который складывается в представлении животного (или человека). Состояние классификаторов этого уровня является непосредственной информацией
198
для исполнительной части нервной сети (т. е. в конечном счете для эффекторов). Каждый из этих классификаторов опирается на определенную иерархию
классификаторов — пирамиду, по которой движется информация так, как это
было описано выше. Однако пирамиды могут перекрываться в своих средних
частях (и заведомо перекрываются в своей нижней части — рецепторах). Общее число вершин пирамиды может быть теоретически как угодно велико, в
частности, оно может быть много больше общего числа рецепторов. Это тот
случай, когда одна и та же информация, доставляемая рецепторами, представляется множеством пирамид в множестве различных форм, рассчитанных на
все случаи жизни.
Отметим еще одно обстоятельство, которое следует учитывать при поисках иерархии в реальной нервной сети. Если мы видим нейрон, соединенный
синапсами с сотней рецепторов, то это еще не значит, что он фиксирует какоето простое понятие первого уровня типа суммарного числа возбуждений рецепторов. Логическая функция, связывающая состояние нейрона с состоянием рецепторов, может быть весьма сложной и имеющей собственну гла ю иерархическую структуру.
2.6. МИР ГЛАЗАМИ ЛЯГУШКИ
Для исследования иерархии классификаторов и понятий, относящихся к
зрительному восприятию у животных, чрезвычайно интересна работа четырех
ученых из Массачусетского технологического института (Дж.Летвин и др.)
«Что сообщает глаз лягушки мозгу лягушки»3. Лягушка была избрана авторами
в качестве подопытного животного потому, что ее зрительный аппарат обладает
некоторыми качествами простоты, которые делают его удобным для изучения.
Прежде всего, сетчатка глаза лягушки однородна; она не имеет в отличие от
глаза человека области с повышенной чувствительностью, на которую нужно
проектировать наиболее важную часть изображения. Поэтому и взгляд лягушки
неподвижен, она не следит взглядом за двигающимся предметом, как это делаем мы. С другой стороны, если лягушка качается, сидя на листе кувшинки, ее
глаза совершают такие движения, которые компенсируют качание, так что
изображение внешнего мира на сетчатке остается неподвижным. Информация
от сетчатки передается по зрительному нерву к так называемому зрительному
бугру мозга. Этим лягушка также отличается от человека в сторону простоты,
так как у человека есть два канала передачи информации от сетчатки к мозгу.
Зрение играет большую роль в жизни лягушки: с его помощью она охотится и спасается от врагов. Исследование поведения лягушки показывает, что она
отличает добычу от врага по размерам и состоянию движения. Очень интересно, что движение играет здесь решающую роль. Завидев маленький (размеров
насекомого или червя) движущийся предмет, лягушка прыгает и схватывает
его. Лягушку можно обмануть, раскачивая на ниточке маленький несъедобный
предмет. Но на неподвижного червяка или насекомое лягушка не обращает ни
малейшего внимания, и она может умереть с голоду среди обилия пищи, если
199
эта пища неподвижна. Большие движущиеся предметы лягушка считает врагами и спасается от них бегством.
Сетчатка глаза лягушки, как и других позвоночных, имеет три слоя нервных клеток. Верхний (самый внешний) слой образуют светочувствительные рецепторы — палочки и колбочки. Затем идет слой ассоциативных нейронов нескольких типов. Одни из них (так называемые биполярные клетки) дают преимущественно вертикальные аксоны, по которым возбуждение передается в
более глубокие слои. Другие (горизонтальные, или амакринные клетки) связывают нейроны, расположенные на одном уровне. Последний по глубине залегания — третий слой — образуют так называемые ганглиозные клетки. Их дендриты получают информацию от клеток второго слоя, а аксоны представляют
собой длинные волокна, которые сплетаются в жгут — зрительный нерв, соединяющий сетчатку с мозгом. Эти аксоны ветвятся, входя в зрительный бугор
мозга, и передают информацию дендритам мозговых нейронов.
Глаз лягушки имеет около миллиона рецепторов, около трех миллионов
ассоциативных нейронов второго слоя и полмиллиона ганглиозных клеток. Такая структура сетчатки дает основание предположить, что анализ изображения
начинается уже в глазу животного и изображение передается по зрительному
нерву в терминах каких-то промежуточных понятий. Сетчатка как бы является
вынесенной на периферию частью мозга. Это предположение подтверждается
тем, что расположение на поверхности зрительного бугра точек входа нервных
волокон (аксонов) совпадает с расположением соответствующих ганглиозных
клеток на выходе сетчатки. И это несмотря на то, что на протяжении зрительного нерва волокна многократно переплетаются друг с другом и меняют свое положение на срезе нерва. Наконец, к тому же заключению приводят и данные
эмбриологии о развитии сетчатки.
В описываемых опытах в зрительный нерв лягушки вводился тонкий платиновый электрод, что позволяло регистрировать возбуждение отдельных ганглиозных клеток. Лягушка помещалась в центр алюминиевой полусферы, имеющей (изнутри) матово-серый цвет. По внутренней поверхности полусферы
могли перемещаться различные темные предметы — прямоугольники, диски и
т. п., поддерживаемые с помощью магнита, расположенного с внешней стороны
полусферы.
Результаты экспериментов мы можем суммировать следующим образом.
Каждая ганглиозная клетка имеет определенное рецептивное поле, т. е. участок
сетчатки (множество рецепторов), с которого она собирает информацию. Состояние рецепторов вне рецептивного поля никак не влияет на состояние ганглиозной клетки. Размеры рецептивных полей у клеток разного типа, если измерять их угловыми размерами соответствующей видимой области, варьируются от 2 до 15° в диаметре.
Ганглиозные клетки делятся на четыре типа в зависимости от того, какой
процесс в своем рецептивном поле они регистрируют. Эти типы следующие:
200
Детекторы длительно сохраняющегося контраста. Эти клетки не реагируют на включение или выключение общего освещения. Но если в рецептивном поле появляется край объекта, более темного или более светлого, чем фон,
цвета, то клетка сразу же начинает генерировать импульсы.

Детекторы выпуклых краев. Эти клетки возбуждаются в том случае,
если в рецептивном поле появляется маленький (не более 3°) выпуклый объект.
Максимальное возбуждение (частота импульсов) достигается, когда диаметр
объекта составляет примерно половину диаметра рецептивного поля. На прямой край объекта клетка не реагирует.

Детекторы движущихся краев. Их рецептивное поле обладает шириной примерно 12°. Клетка реагирует на любой различимый край объекта, более
темного или более светлого, чем фон, цвета; но только при условии, что он
движется. Если через поле плавно перемещается предмет шириной более 5°, то
возникают две реакции: на передний и на задний край.

Детекторы затемнения поля. Они посылают серию импульсов, если
внезапно уменьшается общая освещенность рецептивного поля.

Чрезвычайно интересно, как расположены окончания зрительных волокон
в зрительном бугре мозга. Мы уже говорили, что в плане это расположение
совпадает с расположением соответствующих ганглиозных клеток в сетчатке.
Но, кроме того, оказывается, что окончания волокон каждого типа находятся в
зрительном бугре на определенной глубине, так что в мозгу лягушки имеется
четыре слоя нейронов, воспринимающих зрительную информацию, и каждый
слой как бы получает оттиск сетчатки, но в определенном аспекте соответственно одному из четырех типов ганглиозных клеток. Эти слои и являются
датчиками информации для высших отделов мозга.
Опыты, подобные описанным, довольно сложны, и по поводу их интерпретации иногда возникают споры. Детали описанной системы могут измениться
или получить другое толкование. Тем не менее общий характер системы понятий первого уровня установлен, по-видимому, достаточно твердо. Мы видим
переход от точечного описания к локальному, учитывающему непрерывную
структуру изображения. Ганглиозные клетки служат распознавателями таких
первичных понятий, как край, выпуклость, движение, отнесенных к определенной области видимого мира.
2.7. ОБЛОМКИ СИСТЕМЫ ПОНЯТИЙ
У человека понятия нижайшего уровня, относящиеся к зрительному восприятию, вероятно, мало отличаются от понятий лягушки. Во всяком случае,
структура сетчатки у млекопитающих и человека такая же, как и у земноводных.
201
Некоторое представление о понятиях следующих уровней иерархии дает
явление нарушения восприятия стабилизированного на сетчатке изображения.
Это очень интересное явление. Оно состоит в следующем.
Когда человек смотрит на неподвижный объект, «фиксирует» его глазами,
глазные яблоки не остаются абсолютно неподвижными, а созерцают небольшие
непроизвольные движения. В результате изображение объекта на сетчатке
находится в постоянном движении, складывающемся из медленного дрейфа и
скачкообразных смещений, возвращающих изображение к точке максимальной
чувствительности. Оно «топчется на месте» в окрестности этой точки.
Можно создать на сетчатке стабилизированное, не топчущееся на месте
изображение. Для этого надо, очевидно, чтобы объект был жестко связан с
глазным яблоком и двигался вместе с ним. Достигается это так (рис. 2.4). На
глаз надевают контактную линзу, к которой прикреплен маленький стерженек.
Стерженек несет миниатюрный оптический проектор4, в который можно вставлять диапозитивы размером в несколько миллиметров. Испытуемый видит
изображение как удаленное в бесконечность. Так как проектор поворачивается
вместе с глазом, изображение на сетчатке неподвижно.
При предъявлении испытуемому стабилизированного изображения он в
течение первых нескольких секунд воспринимает его как при нормальном зрении, но затем начинаются нарушения. Изображение то исчезает, заменяясь серым или черным фоном, то появляется частями или целиком.
Рис. 2.4. Устройство для стабилизации изображения на сетчатке
202
Уже сам факт неправильного восприятия стабилизированного изображения
весьма примечателен. С логической точки зрения нет никакой необходимости,
чтобы изображение неподвижного объекта гуляло по сетчатке. Количество информации от этого не увеличивается, а обрабатывать ее становится труднее. И
действительно, когда аналогичные задачи встают в области техники, например,
при передаче изображения по телевизору или при вводе информации с экрана в
вычислительную машину, то предпринимаются специальные усилия, чтобы
стабилизировать изображение. А человеческий глаз не только приспособлен к
прыгающему изображению, но и решительно отказывается принимать изображение, если оно неподвижно. Это свидетельствует о том, что понятия, связанные с движением, подобные, вероятно, тем, которые мы наблюдали у лягушки,
глубоко укоренились где-то в нижних этажах иерархии, и если соответствующие классификаторы вывести из игры, то правильная обработка информации
нарушится. С точки зрения конструктора сложного аппарата, подобного глазу
(плюс обработка информации), такое устройство является странным. Конструктор, наверное, все нижние этажи занял бы статическими понятиями, а описание
движения объектов уже проводил бы в терминах более высокого уровня. Но
иерархия зрительных понятий возникла в процессе эволюции. Для наших далеких лягушкоподобных предков были чрезвычайно важны понятия, связанные с
движением, и им некогда было ждать, пока у них разовьются сложные статические понятия. Поэтому примитивные динамические понятия возникли на самых
ранних этапах развития нервной системы, а так как природа использует
найденные ею блоки на следующих этапах строительства, эти понятия прочно
закрепились в самом низу иерархии понятий. Чтобы они могли работать, глазному яблоку приходится совершать «броуновские» движения.
Рис. 2.5. Фрагментация стабилизированного изображения
Еще интереснее характер распада изображения на части (фрагментация).
Простые фигуры, например, одиночный отрезок, исчезают и восстанавливаются
целиком. Более сложные фигуры иногда также исчезают целиком, а иногда
распадаются на части, которые исчезают и появляются независимо друг от друга (рис. 2.5). Фрагментация происходит не хаотично и не независимо от вида
203
изображения, как бывает, например, когда рисунок на доске стирают тряпкой, а
в соответствии с «истинной» структурой изображения. Слово «истинная» мы
берем в кавычки потому, что на самом деле, конечно, фрагментация происходит в соответствии со структурой восприятия изображения системой глаз —
мозг. Мы не знаем в точности, какова механика нарушения восприятия при стабилизации, мы знаем только сам факт, что стабилизация выводит из строя какой-то компонент системы восприятия. Но и отсюда можно сделать некоторые
выводы. Представьте себе, что в архитектурном сооружении внезапно исчезли,
растворившись в воздухе, несколько важных элементов конструкции. Здание
развалится, но, вероятно, на части очень различных размеров. Здесь вы видите
отдельные кирпичи и куски стекла, там — часть стены и крыши, а там сохранился целый угол дома. Примерно такое зрелище и являет собой восприятие
стабилизированного изображения. Оно дает возможность представить характер
понятий высшего уровня (или высших уровней), но не оценить их взаимные
связи и зависимости. Надо отметить, что в формировании понятий высшего
уровня у человека большую роль играет его личный жизненный опыт — обучение, если говорить языком кибернетики. (Это будет следующим этапом эволюции нервной системы, так что здесь мы несколько забегаем вперед. Но для исследования иерархии понятий не имеет большого значения, получена она по
наследству или благоприобретена своим трудом.)
Приведем несколько выдержек из упомянутой выше работы.
Контурный человеческий профиль всегда исчезает и восстанавливается отдельными дискретно организованными элементами. Передняя часть лица, задняя сторона головы, комплекс линий вокруг глаз или вокруг уха исчезают и появляются вновь как целые элементы, в отдельности друг от друга или в различных комбинациях. В противоположность этому рисунок, состоящий из многих
волнистых линий, расположенных неупорядоченно, при первом же предъявлении воспринимается как чрезвычайно активный объект. Отдельные завитки
быстро исчезают и восстанавливаются... Эти изменения происходят так быстро,
что испытуемые не могут дать точного отчета о них. После длительного рассматривания небольшие группы завитков начинают исчезать и восстанавливаться как единые элементы. Эти заново оформленные комбинации сохраняются в течение более долгих промежутков времени...
Важность линейной организации как фактора группировки подчеркивается
фрагментацией стабилизированного изображения, состоящего из ряда квадратиков. Видимыми обычно остаются полный горизонтальный, вертикальный или
диагональный ряды, которые затем также исчезают, и остается лишь отдельный
квадратик во всем поле зрения. Иногда исчезают все одноименные стороны
квадратиков... Если предъявляются беспорядочно разбросанные точки, то могут
исчезнуть отдельные группы точек, а оставшиеся располагаются приблизительно вдоль одной линии... При рассматривании рисунка, состоящего из прямых
линий, эти последние воспринимаются как независимые друг от друга, причем
рисунок разбивается на части в местах пересечения. Линии исчезают и появля204
ются вновь как единое целое либо поодиночке, либо вместе с другими; вместе
часто появляются параллельные линии. При замене рисунка, состоящего из линий, затушеванной фигурой вместо линий независимыми элементами становятся углы. Исчезновение стабилизированного изображения начинается с центра, а
резко очерченные углы исчезают по очереди. При восстановлении изображения
оно появляется полностью или частично с резко очерченными углами.
2.8. ЦЕЛЬ И РЕГУЛИРОВАНИЕ
Мы описали первую половину действия сложного рефлекса, которая состоит в анализе ситуации с помощью иерархии классификаторов. Бывают случаи, когда вторая — исполнительная — половина рефлекса чрезвычайно проста
и сводится к возбуждению какой-то локальной группы эффекторов, например,
эффекторов, активизирующих деятельность определенной железы. Именно в
таких условиях поставлено большинство опытов И.П.Павлова, которые сыграли важную роль в исследовании высшей нервной деятельности животных и
привели к созданию им широко известного учения о безусловных и условных
рефлексах. Однако элементарные наблюдения над поведением животных в
естественных условиях показывают, что оно не может быть сведено к совокупности рефлексов, которые никак не связаны между собой, а связаны только с
состоянием внешней среды. Всякое сколь-нибудь сложное действие состоит из
последовательности более простых действий, объединенных общей целью. Часто бывает, что отдельные компоненты в этой совокупности действий не только
бесполезны, но и вредны животному, если они не сопровождаются другими
компонентами. Например, чтобы прыгнуть, надо предварительно присесть,
чтобы схватить добычу удобнее, надо на какое-то время ее выпустить. Две фазы действия — подготовительная и исполнительная, которые мы видим в этих
примерах, — не могут явиться следствием независимых рефлексов, так как
первое действие само по себе бессмысленно и, значит, такого рефлекса выработаться не могло.
Рис. 2.6. Схема регулирования
Понятие о рефлексе при описании поведения должно быть дополнено понятием о цели и о регулировании. Схема регулирования изображена на рис. 2.6.
Действие, которое предпринимает система, зависит не только от ситуации са205
мой по себе, но также и от цели, т. е. от той ситуации, которую система стремится достигнуть. Действие системы определяется в результате сравнения ситуации и цели и направлено к устранению несоответствия между ситуацией и
целью. Через блок сравнения ситуация определяет действие. Через изменение
среды действие оказывает обратное влияние на ситуацию. Эта петля обратной
связи является характерной чертой схемы регулирования, отличающей ее от
схемы рефлекса, где ситуация просто вызывает действие.
2.9. КАК ВОЗНИКАЕТ РЕГУЛИРОВАНИЕ
Как могла в процессе эволюции возникнуть система, устроенная по схеме
регулирования? Мы видим, что возникновение иерархически устроенных классификаторов может быть объяснено как результат совместного действия двух
основных факторов эволюции: редупликации биологических структур и нахождения полезных связей по методу проб и ошибок. Не приводит ли действие
этих факторов и к появлению схемы регулирования?
Рис. 2.7. Редупликация рецепторов
Не имея возможности опереться на данные о том реальном эволюционном
процессе, который миллионы лет назад породил сложную нервную систему, мы
вынуждены удовлетворяться чисто гипотетическим комбинаторным построением, показывающим теоретическую возможность возникновения схемы регулирования. Будем систематически исследовать все возможности, к которым
приводят редупликация и отбор. Естественно предположить, что в процессе редупликации сохраняются как связи внутри удвояемой подсистемы, так и связи
ее с теми частями, которые не редуплицируются. И еще мы предположим, что
между только возникшими подсистемами существует вследствие их близкого
расположения связь, которую мы будем изображать штриховой линией и которая может либо укрепиться, либо исчезнуть. Начнем с самого начала, т. е. с того случая, когда мы видим всего одну нервную клетку, являющуюся одновременно и рецептором, и эффектором (рис. 2.7,а). Здесь всего одна возможность
редупликации, которая приводит к появлению двух клеток (рис. 2.7,б). Если
одна из них оказывается ближе к поверхности, а другая — к мышечным клеткам, то полезно разделение труда между ними. Так возникает схема рецептор
— эффектор (рис. 2.7,в). Здесь уже две возможности редупликации. Удвоение
рецептора дает схему г на рис. 2.7, которая после исчезновения штриховой связи преобразуется в схему д. Аналогичный процесс порождает схемы е, ж и т. д.
Таким образом происходит разрастание нулевого уровня иерархии (рецепторов), о котором говорилось выше.
206
Рис. 2.8. Редупликация эффекторов
На рис. 2.8 показаны схемы, которые возникают из схемы 2.7,в путем редупликации эффектора. В схеме б возбуждение одного рецептора должно по
двум каналам передаваться двум эффекторам. Однако известно, что электрическое сопротивление синапсов резко падает после того, как по ним первый раз
проходит ток. Поэтому если возбуждение направится по одному каналу, то этот
канал связи будет закреплен, а второй окажется шунтированным и может «отсохнуть» (схема в). Затем возбуждение может продолжить дорогу через штриховую связь (схема г), что знаменует зарождение первого уровня классификаторов.
На рис. 2.9 представлены возможные варианты развития трехнейронной
схемы 2.8,г. Три группы схем соответствуют редупликации различных подсистем исходной системы. Редуплицируемая подсистема обведена кружком. Первая группа (a, б, в) объясняет разрастание нулевого уровня, вторая группа (г, д,
е) — первого уровня иерархии классификаторов. В третьей группе (ж, з, и, к)
мы видим схемы, возникающие при редупликации одного классификатора первого уровня без связанного с ним рецептора. Переход от схемы з к схеме и объясняется тем «отсыханием» шунтированного канала, которое мы описали выше.
Схема к, появившаяся в конечном счете, существенно отличается от всех
остальных схем, представлявших иерархии классификаторов. В этой схеме
один из классификаторов «повисает в воздухе» — он не получает информации
из внешнего мира. Может ли такая схема быть полезной животному? Да: ведь
это и есть схема регулирования!
207
Рис. 2.9. Варианты развития трехнейронной схемы
Мы можем предположить такое, например, воплощение схемы 2.9,к. Рассмотрим некое гипотетическое животное, живущее в морской воде. Пусть R —
рецептор, воспринимающий температуру окружающей среды. Вместе с ним регистрирует — путем изменения частоты импульсов возбуждения — температуру воды и классификатор A. Пусть большее или меньшее возбуждение эффектора E вызывает растяжение или сжатие оболочки животного, вследствие чего
его объем изменяется, и оно либо поднимается к поверхности моря, либо опускается вглубь. И пусть для нашего животного полезнее всего какая-то определенная температура, скажем 16℃. Тогда нейрон Z (фиксатор цели) должен сохранять определенную частоту импульсов, равную той частоте, которую имеет
нейрон A при температуре 16℃. Эффектор Е должен регистрировать разность
возбуждений нейронов A и Z и соответственно с ее знаком поднимать животное
к поверхности, где вода теплее, или погружать в более прохладные нижние
слои воды. Такое приспособление премного способствовало бы благоденствию
измышленного нами животного.
2.10. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
Редупликация различных подсистем нервной сети может породить множество различных групп классификаторов, «повисающих в воздухе». Среди них
могут появиться дубликаты целых этажей иерархии, состояния которых в точности соответствуют состоянию тех «осведомленных» классификаторов, которые получают информацию от рецепторов. Соответствуют, но не совпадают.
Это мы видим на примере нейронов A и Z на рис. 2.9,к. В сложных системах
неосведомленные дубликаты осведомленных классификаторов могут хранить
большое количество информации. Состояния этих дубликатов мы будем называть представлениями, отдавая себе ясный отчет, что тем самым мы даем определенную кибернетическую интерпретацию этому психологическому понятию.
208
Очевидно, имеет место тесная связь между представлениями и ситуациями, которые ведь суть не что иное, как состояния аналогичных классификаторов, но
получающих информацию от рецепторов. Цель представляет собой частный
случай представления, а точнее тот случай, когда сравнение постоянного представления и меняющейся ситуации используется для выработки действия,
сближающего их друг с другом. Описанное выше гипотетическое животное
обожает температуру 16ОC, и «светлый образ» этой блаженной ситуации, которая есть определенная частота импульсов нейрона A, живет в ее памяти в виде
точно такой же частоты импульсов нейрона Z.
Это очень примитивное представление. Чем выше организована «осведомленная» часть нервной системы, тем сложнее и ее дубликаты (мы будем их
называть фиксаторами представлений) и тем разнообразнее представления. Так
как классификаторы могут принадлежать к разным уровням иерархии и ситуация может быть выражена в разных системах понятий, представления также
могут различаться своим «понятийным языком», ибо они могут быть состояниями фиксаторов разных уровней. Далее, степень устойчивости состояний фиксаторов представлений также может быть весьма различной. Поэтому представления сильно отличаются по своей конкретности и стабильности. Они могут быть точными и конкретными, почти чувственно воспринимаемыми. Крайним случаем здесь является галлюцинация, которая субъективно воспринимается как реальность и на которую организм реагирует так же, как на соответствующую ситуацию. С другой стороны, представления могут быть очень приблизительными как из-за своей неустойчивости, так и из-за своей абстрактности. Последний случай часто встречается в художественном и научном творчестве, когда представления выступают как цель деятельности. Человек смутно
чувствует, что ему надо, и пытается воплотить это в твердой предметной форме. У него долго ничего не получается, потому что его представления не обладают необходимой конкретностью. Однако в один прекрасный момент (и это
действительно прекрасный момент!) он вдруг добивается своей цели и ясно
осознает, что он сделал именно то, что хотел.
2.11. ПАМЯТЬ
Путем редупликации может быть получено, в принципе, сколько угодно
фиксаторов представлений. Но тут возникает вопрос: а сколько их нужно животному? Сколько нужно дубликатов «осведомленных» классификаторов?
Один? Два? Десять?
Из общих соображений следует, что дубликатов нужно много. Ведь фиксаторы представления служат для организации опыта и поведения во времени.
Фиксатор цели хранит ситуацию, которая должна, по идее, осуществиться в будущем. Другие фиксаторы могут хранить ситуации, которые реально были в
прошлом. Временная организация опыта необходима животному, стремящемуся приспособиться к среде, в которой оно живет, ибо эта среда обнаруживает
некоторые закономерности, т. е. корреляции между прошлыми и будущими си209
туациями. Можно предсказать, что после какого-то начального увеличения
числа рецепторов дальнейшее совершенствование нервной системы потребует
создания фиксаторов представлений, причем создания их в большом числе. Ибо
нет смысла продолжать наращивать число рецепторов и классификаторов и
улучшать тем самым «мгновенные снимки» окружающей среды, если система
не умеет обнаруживать корреляции между ними. Но чтобы обнаружить корреляции между «мгновенными снимками», надо их где-то хранить. Так и возникают фиксаторы представлений, иначе говоря память. Хранение цели в процессе регулирования — это простейший случай использования памяти.
2.12. ИЕРАРХИЯ ЦЕЛЕЙ И ПЛАНОВ
В схеме регулирования на рис. 2.6 цель изображена как нечто единое, целое. Однако мы хорошо знаем, что бывают сложные цели, в процессе достижения которых система ставит пред собой промежуточные, «частичные», цели.
Мы уже приводили примеры двухфазных движений: чтобы вспрыгнуть на стул,
кошка сначала приседает, а потом подпрыгивает. В более сложных ситуациях
цели образуют иерархию, состоящую из многих уровней. Предположим, вы
ставите перед собой цель приехать из дома на работу. Это ваша «высшая» цель
в данный момент. Припишем ей индекс (номер уровня) нуль. Чтобы приехать
на работу, вам нужно выйти из дома, пройти к остановке автобуса, доехать до
нужной остановки и т. д. Это цели с индексом минус единица. Чтобы выйти из
дома, надо выйти из квартиры, спуститься в лифте и выйти из подъезда. Это
цели с индексом минус два. Чтобы спуститься в лифте, надо открыть дверь,
войти в лифт и т. д. — индекс минус три. Чтобы открыть дверь лифта, надо
протянуть руку к дверной ручке, нажать на нее и потянуть к себе — индекс минус четыре. Эти цели можно уже, пожалуй, считать элементарными.
Цель вместе с указанием способа ее достижения, т. е. разложения на подчиненные цели, называют планом действия. Наш пример есть фактически описание плана приезда на работу. В цели самой по себе, которая в данном случае
есть представление «я — на рабочем месте», никакой иерархической структуры
нет. Основной логической единицей, образующей иерархию, является план, а
цели образуют иерархию лишь постольку, поскольку они являются элементами
плана.
Американские психологи Дж.Миллер, Е.Галантер и К.Прибрам в своей
книге «Планы и структура поведения» принимают понятие плана в качестве
основы описания поведения человека и животных. Они показывают особенность и плодотворность такого подхода. В отличие от классической рефлекторной дуги (без обратной связи) логическая единица описания поведения, используемая этими авторами, содержит петлю обратной связи (рис. 2.10). Эту единицу они называют схемой T-O-T-E, по начальным буквам английских слов testoperate-test-exit (проверка — операция — проверка — выход). Проверка здесь
означает проверку соответствия ситуации и цели. В случае несоответствия производится операция, в случае соответствия план считается выполненным, и си210
стема идет на «выход». В качестве примера ни рис. 2.11 показан план забивания
гвоздя в доску, представленный в виде единицы T-O-T-E.
Рис. 2.10. ЕдиницаT-O-T-E (test-operate-test-exit)
Рис. 2.11. Забивание гвоздя
Схема T-O-T-E на рис. 2.10 изображает то же самое явление регулирования, которое было изображено на рис. 2.6. Отличие между ними в способе
изображения. Схема на рис. 2.6 — структурная, на рис. 2.10 — функциональная. Эти понятия надо пояснить. Заодно мы уточним понятие управления.
2.13. СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
На структурной схеме кибернетической системы указывается, из каких
подсистем состоит данная система. Часто указывается также, как направлены
потоки информации между подсистемами. Тогда структурная схема превращается в граф. В математике называют графом систему точек (вершин графа), некоторые из которых соединены линиями (дугами). Граф называется ориентиро211
ванным, если на каждой дуге указано определенное направление. Структурная
схема с указанием потоков информации есть ориентированный граф, вершины
которого изображают подсистемы, а дуги — потоки информации.
Такое описание кибернетической системы не является единственно возможным. Часто нас интересует не столько структура системы, сколько ее функционирование, действие. Еще чаще мы просто ничего не можем сказать толком
о структуре, но кое-что можем сказать о функционировании. В таких случаях
можно построить функциональную схему. Это тоже ориентированный граф, но
вершины здесь изображают различные множества состояний системы, а дуги —
возможные переходы между состояниями. Дуга соединяет две вершины в
направлении от первой ко второй в том случае, если хотя бы из одного состояния, относящегося к первой вершине, возможен переход в какое-либо состояние, относящееся ко второй вершине. Множества состояний мы будем называть
обобщенными состояниями. Следовательно, дуга на схеме указывает возможность перехода из одного обобщенного состояния в другое. Если структурная
схема отражает главным образом пространственный аспект, то функциональная
— главным образом временной. Формально в соответствии с данным выше
определением функциональная схема вообще никак не отражает пространственного аспекта — разделения системы на подсистемы. Однако, как правило,
разделение на подсистемы находит отражение в способе определения обобщенных состояний, т. е. разделения множества всех состояний системы на подмножества, «приписанные» к различным вершинам графа. Разберем это на примере
системы, структурная схема которой представлена на рис. 2.12. Это схема
управления.
Рис. 2.12. Структурная схема управления
Одна из подсистем, называемая управляющим устройством, получает информацию от «рабочих» подсистем A1, A2, A3, …, перерабатывает ее и посылает подсистемам A1, A2, A3, … приказы (управляющую информацию), вслед212
ствие чего эти подсистемы меняют свое состояние. Надо отметить, что, строго
говоря, любая информация меняет состояние системы, которая ее получает.
Информацию называют управляющей в том случае, когда она меняет некоторые выделенные параметры системы, описываемые как «основные», «внешние», «наблюдаемые» и т. п. Часто бывает, что управляющее устройство по
своей информационной емкости и пропускной способности невелико и служит
лишь для переключения информационных потоков, а реальная обработка данных и выработка приказов производятся одной из подсистем A1, A2, A3, … или
в соответствии с хранящейся в ней информацией. Тогда говорят, что управление переходит в эту подсистему. Так, в частности, обстоит дело в вычислительной машине, где A1, A2, A3, … — это ячейки оперативной памяти. Одни из ячеек содержат пассивную информацию (например, числа), другие — приказы
(команды). Когда управление находится в ячейке, содержащей команду, управляющее устройство выполняет эту команду. Затем оно передает управление в
другую ячейку и т. д.
Рис. 2.13. Функциональная схема передачи управления
Для систем с передачей управления функциональную схему строят следующим образом. Каждой вершине графа сопоставляют одну из подсистем A, и
множество всех состояний системы, при которых управление находится в данной подсистеме. Тогда дуги (стрелки) означают передачу управления от одной
подсистемы к другой (рис. 2.13). На такой схеме даже при полной детерминированности каждого следующего состояния предыдущим могут быть разветвления благодаря тому, что каждая вершина соответствует обширному множеству состояний и передача управления может зависеть от состояния управляющего устройства или подсистемы, в которой находится управление. Функциональные схемы часто рисуют обобщенно, пропуская какие-то несущественные
детали и шаги. Тогда может оказаться, что то, по какому пути в разветвлении
перейдет управление, зависит от состояния нескольких различных подсистем.
Условие, при котором осуществляется данный переход, обычно выписывают
213
рядом со стрелкой. Схему на рис. 2.10 можно понимать в таком именно смысле.
Тогда в ней подразумевается, что система имеет две подсистемы: блок проверки и блок выполнения операции, и управление переходит из одной в другую в
соответствии со стрелками. У системы могут быть и другие подсистемы (в данном случае — среда), но они никогда не получают управления и поэтому не
изображаются на схеме (точнее, те моменты, когда среда меняет состояние системы или меняет свое состояние под действием системы, включаются в процесс действия одного из блоков).
Можно отойти еще дальше от структурной схемы. Передача управления в
некоторую подсистему означает ее активацию, т. е. выполнение того действия,
для которого подсистема предназначена. Но мы можем и не знать, какая подсистема отвечает за данное наблюдаемое действие. Тогда вершины графа мы будем отождествлять с действиями как таковыми, а другие будут означать переход от одного действия к другому. Понятие «действие как таковое», если определять его строго, надо отождествлять с понятием «обобщенное состояние»
(«множество состояний»), и это возвращает нас к первому — самому абстрактному — определению функциональной схемы. В самом деле, когда мы говорим, что собака «бежит», «лает» или «вертит хвостом», то под каждое из этих
определений подходит множество конкретных состояний собаки. Правда, здесь
бросается в глаза одна несообразность: «состояние» есть нечто статическое, в
то время как «действие» — нечто явно динамическое, скорее изменение состояния, чем само состояние. Если на мгновенной фотографии хвост собаки не выходит из плоскости симметрии, то еще неизвестно, вертит она им или он застыл
в неподвижности. Это противоречие снимается тем замечанием, что в понятие
состояния входят не только величины типа «положение», но и величины типа
«скорость», «ускорение» и т. д. В частности, указание состояния собаки включает указание напряженности мышц ее хвоста и возбужденности всех нейронов,
регулирующих состояние мышц.
2.14. ПЕРЕХОД К ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОМУ ОПИСАНИЮ
Итак, формально, действие на функциональной схеме — это множество
состояний. Но сказать, что данное действие есть какое-то множество, — это почти ничего не сказать. Надо уметь определить это множество. И если мы не
знаем структуры системы и способа ее функционирования, то сделать это строго практически невозможно. Остается довольствоваться неполным, феноменологическим определением, основанным на внешне проявляемых следствиях
внутренних состояний. Вот такими-то функциональными схемами с более или
менее точно определенными действиями в вершинах графа и описывается поведение сложных, неизвестно как устроенных систем, подобных животным или
человеку. Схемы на рис. 2.10 и 2.11 являются, конечно, именно такими схемами. Феноменологический подход к деятельности мозга осуществляется двумя
науками: психологией и бихевиористикой (изучение поведения). Первая основана на наблюдениях субъективных (изнутри), вторая — объективных (извне).
214
Они тесно связаны между собой, и часто их объединяют под общим названием
психологии.
Рис. 2.14. Иерархический план забивания гвоздя
Так как операционный компонент единицы T-O-T-E может быть составным и требовать выполнения нескольких подчиненных планов, единицы T-O-TE могут иметь иерархическую структуру. Миллер, Галантер и Прибрам приводят следующий пример. Если удар молотком по гвоздю представить как двухфазное действие, слагающееся из подъема и опускания молотка, то функциональная схема на рис. 2.11, изображающая план забивания гвоздя, перейдет в
схему на рис. 2.14. Эта схема в свою очередь может входить в качестве элемента в операционный компонент схемы T-O-T-E более высокого уровня.
Мы видели, что элементарной функциональной схеме на рис. 2.10 соответствует элементарная структурная схема на рис. 2.6. Что происходит со структурной схемой, когда планы образуют иерархию? Точнее, наоборот: какие
структурные схемы могут обеспечить выполнение иерархически построенного
плана?
215
Можно предположить различные варианты таких схем. Например, можно
представить, что блок сравнения всегда один и всегда пользуется одной и той
же подсистемой, хранящей цель, но состояние этой последней (т. е. цели) меняется под действием других частей системы, обеспечивая вытекающую из плана
смену целей. Напротив, можно представить, что пара — блок сравнения и цель
— размножается многократно, и при выполнении иерархического плана управление переходит от одной пары к другой. Можно предположить комбинацию
этих двух способов. И вообще можно придумать множество различно устроенных кибернетических устройств, осуществляющих одну и ту же иерархическую
функциональную схему. Ясно только, что они будут иметь иерархическую
структуру и что устройства такого типа могли возникнуть эволюционно путем
редупликации подсистем и отбора полезных вариантов.
Каковы же структурные схемы, реально возникшие в процессе эволюции?
Увы, пока мы этого достоверно не знаем. Поэтому-то нам и пришлось перейти
к функциональным схемам. И это только первое из ограничений, которые мы
будем вынуждены накладывать на стремление к точному кибернетическому
описанию высшей нервной деятельности. Мы очень мало знаем сейчас о кибернетической структуре и работе мозга высших животных и, тем более, человека. Собственно говоря, мы почти ничего не знаем. Есть только отдельные
факты и предположения. Поэтому в дальнейшем анализе нам придется опираться главным образом на феноменологию — данные бихевиористики и психологии, где дело обстоит несколько лучше. Что касается кибернетического аспекта, то мы перейдем на уровень чрезвычайно общих понятий. На этом уровне
мы обнаружим определенные закономерности, столь общие, что они объясняют
этапы развития как нервной системы, так и человеческой культуры и, в частности, науки. Тот относительно конкретный анализ первых этапов эволюции
нервной системы, который позволило нам сделать нынешнее состояние знаний,
послужит нам разбегом для последующего более абстрактного анализа. Конечно, нашей истинной целью является именно этот абстрактный анализ, но было
бы приятнее, если бы, зная кибернетику мозга, мы могли совершить переход от
конкретного к абстрактному более плавно и обоснованно.
2.15. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЛОЖНОГО РЕФЛЕКСА
Подводя итог описанию четвертого этапа развития, мы можем определить
сложный рефлекс как такой процесс, когда возбуждение рецепторов, вызванное
взаимодействием с внешней средой, передается по нервной сети, преобразуясь
ею, и активизирует определенный план действий, который тут же начинает выполняться. В этой схеме поведения все обратные связи между организмом и
средой осуществляются в процессе регулирования действий планом, а в целом
взаимодействие между средой и организмом описывается классической формулой стимул — реакция. Только теперь реакция — это активизация того или
иного плана.
216
Позже мы дадим несколько более общее определение понятия, а множество ситуаций назовем аристотелевским понятием. Сейчас мы опускаем прилагательное «аристотелевский» для краткости.
1
Согласно терминологии, принятой многими логиками, противопоставление абстрактных понятий конкретным — это совсем не то же самое, что противопоставление общих понятий единичным. В учебнике логики (Логика. М.:
Госполитиздат, 1956) читаем: «Понятие, посредством признаков которого
предмет мыслится как таковой и как данный предмет, называется конкретным.
Понятие, посредством признаков которого мыслится не данный предмет как таковой, а некоторое свойство предмета или отношение предметов, называется
абстрактным».
Из этого определения, которое трудно назвать шедевром ясности мысли, можно
все-таки заключить, что общие понятия, которые образуются не путем перечисления единичных объектов, входящих в него, а путем указания ряда признаков,
объявляемых существенными, и отвлечения от остальных (несущественных)
признаков, можно также считать абстрактными. Мы будем рассматривать только такие общие понятия и будем называть их также абстрактными. Например,
абстрактный треугольник — это любой треугольник, независимо от величины
его сторон и углов и его положения на экране, следовательно, это абстрактное
понятие. Такое употребление термина «абстрактный» имеет место в обиходе, а
также в математике. В то же время, согласно учебнику логики, «треугольник»,
«квадрат» и т. п. суть конкретные общие понятия, а вот «треугольность» и
«квадратность», которые им свойственны, это понятия абстрактные. По существу, здесь в ранг логического возводится чисто грамматическое различие, ибо
даже с точки зрения сторонника последнего варианта терминологии обладание
абстрактным понятием равнозначно обладанию соответствующим общим понятием.
2
Pyc. пер. см. в сб.: Электроника и кибернетика в биологии и медицине.
М.: Изд-во Иностр. Лит., 1963.
3
См.:Причард Р. Изображение на сетчатке и зрительное восприятие //
Проблемы бионики. М.: Мир, 1965. Пер. с англ.: Pritchard R. Stabilized image on
the retine // Sci. Amer. 1961. Vol. 204, N 6. P. 72-78.
4
Глава 3. На пути к человеку
3.1. МЕТАСИСТЕМНЫЙ ПЕРЕХОД
Как уже было сказано, описание следующих этапов развития нервной системы мы будем проводить в плане более феноменологическом. Для этого нам
217
надо подытожить результаты исследования механизма эволюции на ранних
этапах в терминах общих кибернетических понятий. Начав думать в этом
направлении, мы легко обнаружим одну общую черту в переходах от низшего
этапа к высшему. А именно все эти переходы совершаются следующим образом. На каждом этапе биологическая система имеет подсистему, которая может
быть названа высшим управляющим устройством и которая имеет наиболее
позднее происхождение и наиболее высокую организацию. Переход на следующий этап происходит путем размножения этих подсистем (путем многократной редупликации) и интеграции их, т. е. объединения в одно целое с образованием (по методу проб и ошибок) системы управления, во главе которой стоит
новая подсистема, которая теперь является высшим управляющим устройством
нового этапа эволюции. Систему, состоящую из управляющей подсистемы Х и
управляемых ею многих однородных подсистем A1, A2, A3,… мы назовем метасистемой по отношению к системам A1, A2, A3,… Переход с этапа на этап мы
назовем, следовательно, метасистемным переходом (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Метасистемный переход
Это понятие будет играть решающую роль в последующем изложении.
Метасистемный переход создает высший уровень организации — метауровень
по отношению к уровню организации интегрируемых подсистем. С точки зрения функциональной метасистемный переход состоит в том, что деятельность,
являющаяся управляющей на низшем этапе, становится управляемой на высшем этапе и появляется качественно новый (высший) вид деятельности, заключающийся в управлении деятельностью. Редупликация и отбор приводят к созданию необходимых структур. Первый метасистемный переход, который мы
усматриваем в истории животных, это возникновение движения. Интегрируемыми подсистемами являются части клетки, обеспечивающие обмен веществ и
размножение. Положение этих частей в пространстве до поры до времени случайно, неуправляемо. Но вот появляются органы, соединяющие остальные части клетки и приводящие их в движение: клеточная мембрана, реснички, жгутики. Происходит метасистемный переход, который можно определить формулой
218
Управление положением = Движение.
На этом этапе движение неуправляемо, никак не коррелировано с движением внешней среды. Сделать его управляемым — следующая задача природы.
Управлять движением — значит сделать его определенной функцией состояния
среды. Так возникает раздражимость — изменение состояния каких-то участков
клетки под действием внешних факторов и распространение этого изменения
на другие участки, в частности обеспечивающие движение. Итак, формула метасистемного перехода от второго к третьему этапу такова:
Управление движением = Раздражимость.
Интеграция клетки с образованием многоклеточного организма также является переходом от системы к метасистеме. Однако этот переход касается исключительно структурного аспекта и неописуем в функциональных терминах.
С точки зрения функциональной неважно в конце концов, происходят ли размножение и интеграция в какой-то части организма или организмы интегрируются целиком. Это, так сказать, вопрос технический. Раздражимость появляется
уже у одноклеточных организмов, но полностью проявляет свои возможности
после интеграции клеток.
Здесь необходимо указать на одну важную черту метасистемного перехода. Когда интегрируемые подсистемы объединяются в метасистему, то вследствие разделения функций между ними происходит их специализация, т. е. приспособление к определенной частной деятельности и утрата способности к другим видам деятельности. Специализация особенно отчетливо проявляется при
интеграции целых организмов. Каждая интегрируемая подсистема содержит в
этом случае много «лишнего» того, что было необходимо ей для самостоятельной жизни, но не нужно в сообществе, ибо соответствующие функции выполняются другими подсистемами. Так, в многоклеточном организме появляются
специализированные мышечные и нервные клетки.
Вообще надо отметить, что интеграция подсистем отнюдь не является
концом их эволюционирования. Нельзя представить дело таким образом, что
системы A1, A2, A3, … размножаются в больших количествах, после чего «над
ними» вдруг возникает управляющее устройство X. Напротив, зачатки системы
управления образуются, когда число подсистем Ai невелико — всего несколько
штук. Только при таком условии, как мы видели выше, может работать метод
проб и ошибок. Уже после того, как наметилась управляющая подсистема X,
происходит массовая редупликация подсистем Ai, в процессе которой совершенствуются как Ai, так и X. Возникновение структуры управления подсистемами Ai, не завершает, а вызывает бурный рост числа подсистем Ai, и предшествует ему, ибо при этом размножение Ai, становится нужным для организма.
Носитель определенного уровня организации разрастается лишь после того, как
начинает образовываться новый, более высокий уровень. Эту черту можно
назвать законом разрастания предпоследнего уровня. Поэтому и при феномено219
логическом функциональном описании метасистемный переход проявляется не
тотчас же вслед за закладкой нового уровня, а несколько позже, когда предпоследний уровень «войдет в силу». Метасистемный переход всегда затрагивает
два уровня организации.
Продолжим наш обзор этапов эволюции. Применим принцип метасистемного перехода к уровню раздражимости. На этом уровне возбуждение каких-то
участков одноклеточного организма или специализированной нервной клетки в
многоклеточном организме происходит непосредственно внешней средой и это
возбуждение непосредственно (один к одному) вызывает возбуждение мышечной активности. Что может означать управление раздражимостью? Очевидно,
создание нервной сети, элементы которой, в частности эффекторы, возбуждаются не прямо внешней средой, а через посредство сложной управляющей системы. Это тот этап эволюции, который мы связали с понятием сложного рефлекса. Особенно отчетливо виден факт управления раздражимостью на этом
этапе в том, что при наличии цели возбуждение эффекторов зависит не только
от состояния внешней среды, но и от этой цели, т. е. от состояния каких-то
внутренних нейронов сети. Итак, формула этого метасистемного перехода (от
третьего к четвертому этапу):
Управление раздражимостью = Сложный рефлекс.
Что же дальше?
3.2. УПРАВЛЕНИЕ РЕФЛЕКСОМ
Сколь бы ни была совершенна нервная сеть, построенная по принципу
сложного рефлекса, она обладает одним существенным недостатком: неизменностью функционирования во времени. Животное с такой нервной системой
ничего не может извлечь из своего опыта, его реакции всегда будут одинаковыми, его действия всегда будут совершаться по одним и тем же планам. Чтобы
животное могло обучаться, его нервная система должна содержать какие-то вариабельные компоненты, которые обеспечивали бы изменение связей между
ситуациями и действиями. Эти компоненты, следовательно, будут осуществлять управление рефлексами. Хорошо известно, что животные обладают способностью к обучению и выработке новых рефлексов. По терминологии, введенной Павловым, врожденный рефлекс, заложенный в нервную систему природой, называется безусловным рефлексом, а рефлекс, выработанный под действием внешней среды, — условным рефлексом. Когда мы говорим о сложном
рефлексе, мы имеем в виду, конечно, безусловный сложный рефлекс. Наличие
компонентов, управляющих сложными рефлексами, проявляется в опытах по
обучению животных как способность к образованию условных рефлексов.
Однако мы не можем отождествить понятие условного рефлекса с понятием управления рефлексом. Последнее понятие шире. Ведь наше понятие сложного рефлекса, взятое в контексте описания общих принципов эволюции нервной системы, означает по существу любую фиксированную связь между состо220
яниями классификаторов, фиксаторов представлений и эффекторов. Следовательно, управление рефлексами надо понимать как создание под действием индивидуального опыта любых переменных связей между этими объектами. Такие связи называют ассоциациями представлений или просто ассоциациями.
Термин «представление» понимается здесь в широком смысле — как состояние
любых подсистем мозга, в частности классификаторов и эффекторов. Образование ассоциаций мы будем называть ассоциированием (терминология тяжеловатая, зато точная). Итак, пятый этап эволюции — этап ассоциаций. Формула
метасистемного перехода на этом этапе:
Управление рефлексами = Ассоциирование.
3.3. РЕФЛЕКС КАК ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПОНЯТИЕ
Понятия рефлекса и ассоциации — не структурные, а функциональные понятия. Связь между стимулом S и реакцией R в рефлексе (рис. 3.2) — не передача информации от одной подсистемы к другой, а переход из одного обобщенного состояния в другое. Это разграничение необходимо, чтобы не смешивать рефлекс как определенную функциональную схему, описывающую поведение, с воплощением этой схемы, т. е. с кибернетическим устройством, обнаруживающим эту схему поведения.
Рис. 3.2. Функциональная схема безусловного рефлекса
Путаница легко может возникнуть, ибо простейшее воплощение рефлекторного поведения имеет структурную схему, совпадающую по внешности со
схемой на рис. 3.2, только под S и R надо в ней понимать материальные подсистемы, фиксирующие стимул и реакцию. Такое совпадение не совсем случайно.
Как мы уже говорили при определении функциональной схемы, разбиение
множества всех состояний системы на подмножества, приписываемые вершинам графа, тесно связано с разбиением системы на подсистемы. В частности, с
каждой подсистемой, которая может находиться в двух состояниях («да» и
«нет»), можно связать множество всех состояний системы в целом, при которых эта система находится в определенном состоянии, скажем «да». Проще говоря, при определении обобщенного состояния мы учитываем только состояние
данной подсистемы, а что делается с остальными подсистемами, нам безразлично. Допустим, что буквы S и R обозначают именно такие подсистемы, т. е.
подсистема S есть распознаватель стимула (множества ситуаций) S, а подсистема R — эффектор, вызывающий реакцию R. Тогда утверждение, что «да» в
подсистеме S передается по каналу связи (стрелка) в подсистему R, приводя ее
также в состояние «да», совпадает с утверждением, что обобщенное состояние
S переходит (стрелка) в состояние R. Поэтому структурная и функциональная
схемы оказываются очень похожими. Правда, на структурной схеме никак не
221
отражено, что «да» вызывает «да», а не «нет», в то время как в этом вся суть
рефлекса. Рефлекс, как уже говорилось, понятие функциональное.
3.4. ЗАЧЕМ НУЖНЫ АССОЦИАЦИИ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ
Эти предварительные соображения нам потребовались для того, чтобы
лучше уяснить понятие ассоциации и связь между функциональным описанием
через ассоциации и структурным — через классификаторы.
Поскольку с каждым классификатором можно связать одно или несколько
обобщенных состояний, иерархии классификаторов соответствует иерархия
обобщенных состояний. Вводя понятие классификатора, мы указываем, что
каждому состоянию классификатора (теперь мы можем сказать: каждому
обобщенному состоянию системы в целом) соответствует наличие определенного понятия на входе системы, т. е. принадлежность входной ситуации к определенному множеству. Понятия «понятие» (аристотелевское) и «обобщенное
состояние» близки между собой: и то и другое — множества состояний. Но
«обобщенное состояние» — более общее понятие, оно может учитывать состояние не только рецепторов, но и любых других подсистем, в частности классификаторов. Последнее необходимо, чтобы следить за динамикой состояния системы в процессе обработки информации.
Посмотрим, как связаны между собой обобщенные состояния K-го и следующего K+1-го уровня иерархии. Основная задача классификаторов, как мы
знаем, сохранение «существенной» и отбрасывание «несущественной» информации. Это значит, что существует какое-то множество состояний K-го уровня,
от каждого из которых на функциональной схеме отходит стрелка к одному и
тому же состоянию K+1-го уровня. На рис. 3.3 представления (обобщенные состояния) Т1 и T2 в равной мере вызывают представление U. Если Т1 и T2 всегда
сопутствуют друг другу, то такая схема будет заведомо выгодна животному.
Ему не надо знать, что имеет место как Т1 так и T2, достаточно знать, что имеет
место U. Таким образом и осуществляется отбрасывание лишней информации,
сжатие ее полезной части. Сжатие информации оказывается возможным благодаря тому, что Т1 и T2 всегда встречаются вместе. Это есть некий факт, внешний по отношению к нервной системе и относящийся лишь к потоку ситуаций,
подаваемых на ее вход. Он свидетельствует о наличии определенной организованности потока ситуаций, являющейся следствием организованности среды,
окружающей животное. Устройство нервной системы и ее деятельность — система рефлексов — отражают свойства внешней среды. Происходит это потому, что, пробуя разные варианты отбрасывания информации, природа находит,
в конце концов, такой вариант, когда отбрасывается в самом деле лишняя информация, являющаяся таковой вследствие частичной организованности внешней среды.
222
Рис. 3.3. Ассоциация представлений
На этапе безусловного рефлекса структура таких связей, как изображенные
на рис. 3.3, не меняется на протяжении жизни животного и одинакова у всех
животных данного вида. Но, как мы уже говорили, такое положение неудовлетворительно. Наступает метасистемный переход, и связи между обобщенными
состояниями становятся управляемыми. Теперь, если в индивидуальном опыте
животного Т1 и T2 всегда (или хотя бы достаточно часто) сопутствуют друг
другу, в его мозгу образуются новые связи, не детерминированные наследственностью однозначно. Это и есть ассоциирование - образование новой ассоциации представлений.
Ясно, что ассоциации образуются между представлениями высшего уровня
иерархии. Таким образом, самые общие корреляции во внешней среде, одинаковые для всех времен и всех мест обитания, отражаются в постоянном устройстве нижних уровней классификаторов. Более частые корреляции отражаются
переменными связями на высшем уровне.
3.5. ВЫЗОВ ПО ДОПОЛНЕНИЮ
Схема на рис. 3.3 может вызвать недоумение. Говоря об ассоциации представлений, мы обычно подразумеваем нечто вроде двойной связи между Т1 и
T2, когда Т1 вызывает T2, а T2 вызывает Т1. На нашей же схеме оба представления вызывают нечто третье, а именно U, причем обратные стрелки от U к Т1 и
T2 отсутствуют. В действительности же схема на рис. 3.3 более точно соответствует понятию ассоциации представлений, чем схема с двойной связью. В
частности, она содержит вызов, в определенном смысле, представлением Т1
представления T2 (и наоборот), но это вызов по дополнению. Представление U
содержит в себе как Т1 так и T2, ведь оно задумано нашей нервной системой как
эквивалентное одновременному наличию Т1 и T2. Поэтому когда Т1 в отсутствие T2 вызывает U, то в этом самом U неявно содержится T2. Вызывая U, мы
как бы дополняем Т1 несуществующим T2.
Этот процесс мысленного дополнения никак не связан с тем фактом, что
ассоциация вырабатывается путем обучения. Здесь играет роль только сам способ обработки информации мозгом. Когда работают врожденные механизмы
223
низших уровней, эффект дополнения проявляется еще более ярко, ибо никаким
обучением, никакой тренировкой вы его не ослабите и не усилите.
Рис. 3.4. точки образуют линию
Взгляните на рис. 3.4. Вы видите на нем не только точки, но и линию —
дугу окружности. На самом деле никакой линии там нет. Но вы мысленно дополняете рисунок так, чтобы они образовали сплошную линию. В терминах
рис. 3.3 здесь Т1 — реально существующие точки, U - линия, T2 — дополнительные точки. Тот факт, что вы усматриваете несуществующую линию, свидетельствует о наличии в мозгу (или в сетчатке) классификаторов, создающих
представление U.
Почему возникли эти классификаторы? Потому что ситуации, поступающие на вход нашего зрительного аппарата, обладают свойством непрерывности.
Освещенности соседних рецепторов сетчатки сильно коррелированы. Изображение на сетчатке — не мозаичный набор точек, а набор световых пятен. Значит, переводя изображение на язык пятен, мозг (мы говорим «мозг» условно, не
задаваясь вопросом, где на самом деле осуществляется перевод) отбросит бесполезную информацию и сохранит полезную. Так как состоять из пятен — всеобщее свойство изображений на сетчатке, язык пятен должен располагаться на
одном из уровней и быть врожденным. Линия, которую мы «видим» на рис. 3.4,
— это длинное и узкое пятно.
3.6. ПЯТНА И ЛИНИИ
Обратите внимание: мы свели понятие линии к понятию пятна. Мы должны были это сделать потому, что подводили теоретическую базу под существование соответствующих классификаторов. Действительно, из двумерной непрерывности изображения на сетчатке можно сделать вывод, что основным понятием для мозга должно быть понятие пятна, а не линии. Линия может входить
либо как пятно экзотической формы, либо как граница между пятнами. Это
теоретическое соображение подтверждается многими наблюдениями.
224
Рис. 3.5. Маскировка круга, образуемого вершинами углов
На рис. 3.5,а отчетливо виден круг, образованный вершинами углов. На
соседнем рисунке вершины углов расположены в точности так же, но стороны
их направлены хаотически как наружу, так и внутрь круга. В результате круг
исчезает. Можно проследить за вершинами, перенося внимание с одной на другую, и убедиться, что они расположены на окружности, но увидеть это подобно
тому, как это видно на первом рисунке, не удается. И это несмотря на то, что
точки, образующие окружность, все являются вершинами углов и нет ни одной
вершины, не лежащей на окружности. Даже самая простая программа машинного распознавания окружностей «увидела» бы на рис. 3.5,б (как и на рис. 3.5,а)
окружность. Между тем наш глаз ее не видит. А на рис. 3.5,а, где все лучи
направлены наружу, наш глаз размазывает их в некое подобие обода и ясно видит внутренний круг — двумерное образование, пятно. Становится видна и
окружность — граница этого пятна.
Рис. 3.6. Иллюзия сближения диагоналей
Есть много зрительных иллюзий, являющихся следствием того, что мы
«видим пятна», и дающих поучительные примеры врожденных ассоциаций.
Одна из лучших представлена на рис. 3.6. Фигура а — квадрат и его диагонали
пересекаются под прямым углом. Фигура б построена из дуг окружностей, но
вершины ее образуют в точности такой же квадрат, как и на фигуре а, и, следовательно, диагонали также пересекаются под прямым углом. В это почти невозможно поверить — так велика иллюзия, что диагонали фигуры б приближены к вертикали. Эту иллюзию можно объяснить тем, что вместе с микрохарактеристиками фигуры, т. е. с деталями ее формы, мы всегда воспринимаем и ее
макрохарактеристику — общий облик. Общий облик фигуры б - пятно, вытянутое по вертикали. О степени вытянутости можно судить по фигуре в. Это прямоугольник, площадь которого равна площади фигур а и б, а отношение шири225
ны к высоте равно отношению средней ширины фигуры б к ее средней высоте.
Гипотетический классификатор, регистрирующий общую вытянутость фигуры,
придет при созерцании фигуры б в такое же состояние, как при созерцании
прямоугольника в. Иначе говоря, хотим мы того или нет, но фигура б у нас ассоциируется с прямоугольником в. Проводя мысленно диагонали в фигуре б,
мы отождествляем их с диагоналями прямоугольника в, которые образуют острые вертикальные углы. Классификатор, регистрирующий вытянутость пятна
— вещь, несомненно полезная, особенно полезен был он для наших далеких
предков, которые и не воспринимали мир в более тонких понятиях. Но из-за того, что мы не можем включать и выключать его по желанию, он оказывает нам
иногда дурную услугу, вызывая обман зрения.
3.7. УСЛОВНЫЙ РЕФЛЕКС И ОБУЧЕНИЕ
Однако возвратимся от врожденных ассоциаций к вырабатываемым, т. е.
собственно к ассоциированию представлений. В различии между суффиксами
этих однокоренных слов — вся суть метасистемного перехода от четвертого к
пятому этапу эволюции. Ассоциация — это просто один из аспектов сложного
рефлекса, ассоциирование — это управление ассоциациями: образование новых
ассоциаций и исчезновение старых.
Наиболее полно способность к ассоциированию представлений проявляется как способность к образованию (и, следовательно, распознаванию) новых
понятий. Примером может служить собака, издалека узнающая своего хозяина.
Рис. 3.7. Схема условного рефлекса
Павловский условный рефлекс является более частным проявлением способности к ассоциированию. Его схема изображена на рис. 3.7. Безусловный
раздражитель S1 (еда) всегда сопровождается условным раздражителем S2 (свисток), в результате они ассоциируются в одно представление U, которое вслед226
ствие наличия в нем S1 вызывает реакцию R (отделение слюны). Тогда раздражитель S2 даже при отсутствии S1 вызывает U и, следовательно, R. Свисток вызывает отделение слюны.
Может возникнуть следующий вопрос. Условный рефлекс возникает на
основе безусловного, схема которого есть S → R. В то же время если на рис. 3.7
убрать условный раздражитель, то мы получим схему S1 → U → R. Откуда мы
знаем, что существует ступень U? Не является ли это произвольной гипотезой?
В действительности схема на рис. 3.7 не содержит абсолютно никаких гипотез. Подчеркнем еще раз, что эта схема функциональная, а не структурная.
Мы не делаем никаких предположений об устройстве нервной сети, а только
описываем наблюдаемые факты. А эти факты таковы: во-первых, состояние S1
через посредство каких-то промежуточных состояний приводит к состоянию R,
во-вторых, состояние S2 также, в конечном счете, приводит к R. Следовательно,
в какой-то момент эти два процесса соединяются. Состояние в этот момент мы
обозначаем через U и получаем схему, о которой идет речь.
Этим наша схема и наш подход вообще отличаются от павловской схемы
рефлекторной дуги, которая как раз и является структурной схемой, физиологической моделью высшей нервной деятельности.
Процесс обучения, если он не сводится к выработке нескольких условных
рефлексов (т. е. затрагивает только распознавательную иерархию), включает в
себя еще элемент научения — выработки умения, навыка.
Процесс научения также укладывается в схему ассоциирования представлений при том общем смысле, который мы придаем этому понятию. Ведь
научение — это выработка и закрепление детального плана для достижения цели, нового плана, которого раньше не было. План можно представить как организованную совокупность ассоциаций. Вспомним схему регулирования (см.
рис. 2.6). Блок сравнения должен при фиксированной цели сопоставить каждой
ситуации определенное действие. «Необученный» блок сравнения будет пробовать всевозможные действия и останавливаться на тех из них, которые приводят к уменьшению расхождения между ситуацией и целью (метод проб и ошибок). В результате обучения устанавливается связь между ситуацией и соответствующим действием (которое ведь тоже есть представление), так что обученный блок сравнения выполняет нужное действие быстро и безошибочно.
Несколько слов об инстинкте и о соотношении между инстинктивным поведением и поведением, выработанным путем обучения. Что такое инстинкт?
Очевидно, это нечто, передающееся по наследству, но что именно? Миллер,
Галантер и Прибрам в книге, на которую уже ссылались, определяют инстинкт
как «наследственный неизменяемый непроизвольный план». Планы, как мы
знаем, устроены по иерархическому принципу. Теоретически можно допустить
существование инстинкта, распространяющегося на все этажи иерархии, включающего и общую стратегию, и частные тактические приемы вплоть до сокра227
щения отдельных мышц. «Но если такой инстинкт существует, — пишут указанные авторы, — то мы никогда о нем не слышали». Инстинкт всегда сохраняет определенную высоту положения в иерархии поведения, предоставляя животному встраивать недостающие компоненты низких уровней путем обучения.
Волчонок, пытающийся схватить убегающее животное, действует, несомненно,
под влиянием инстинкта. Но одно дело пытаться, другое дело уметь это сделать. «Можно считать,— пишут Миллер, Галантер и Прибрам, — что у крыс
копуляция является инстинктивной формой поведения. В известных отношениях так оно и есть. Однако грубость копулятивного поведения крысы, которая не
имеет опыта в области ухаживания, отчетливо показывает, что известная практика в этих инстинктивных реакциях является необходимой».
По мере усложнения организации животного и возрастания его обучаемости в процессе эволюции инстинкты «отступают вверх», становясь все более
абстрактными и оставляя все больше пространства для их реализации. От этого
поведение животного становится все более гибким и оперативно меняющимся
при изменении внешних условий. Шансы вида на выживание увеличиваются.
3.8. МОДЕЛИРОВАНИЕ
До сих пор, говоря об ассоциациях представлений, мы полностью игнорировали их динамический, временной аспект, т. е. рассматривали связываемые
представления как статические и не имеющие никакой координаты во времени.
Между тем идея времени может активно входить в наши представления. Мы
можем представить себе фигуры, движущиеся и меняющиеся с определенной
скоростью, можем мысленно продолжить наблюдаемый процесс. По дороге катится колесо. Вы закрываете глаза на пару секунд и представляете движение
колеса. Открыв глаза, вы видите его на том самом месте, где и ожидали. Это,
конечно, результат ассоциации представлений, но такой ассоциации или, вернее, таких представлений, которые органически связаны с течением времени.
Положение x колеса в момент времени t ассоциируется с положением х 1 в момент времени t + ∆t, а также с положением х2 в момент времени t + 2∆t и т. д.
Каждое из этих представлений включает в себя представление о времени, к которому оно относится. Каков механизм этого включения, мы не знаем и в соответствии с нашим подходом не будем строить на этот счет никаких гипотез. Заметим только, что ничего особенно удивительного в таком включении нет. Хорошо известно, что в организме есть свой датчик времени — «внутренние часы».
Ассоциация представлений, имеющих временную координату, дает вам
возможность предвидеть в своем воображении будущие ситуации. Мы установили наличие таких представлений, опираясь на внутренний, субъективный
опыт. Но из того факта, что животные также обнаруживают способность предвидения (посмотрите, как ловит собака кусок сахара), мы заключаем, что их
представления могут обладать временной координатой.
228
Рис. 3.8. Схема моделирования
Говоря языком кибернетики, связывание представлений, включающих
временную координату, и вытекающая отсюда способность предвидеть будущее есть не что иное, как моделирование, построение модели окружающей среды.
Дадим общее понятие модели. Рассмотрим две системы α и β. Допустим,
что каждому состоянию Ai, системы α мы можем каким-то образом сопоставить
одно определенное состояние Bi, системы β (рис. 3.8).
Обратное соответствие не обязательно должно быть однозначным, т. е. одному состоянию β может соответствовать множество состояний α. Так как
обобщенное состояние согласно нашему определению есть множество состояний, можно характеризовать это положение как взаимно однозначное соответствие состоянии системы β обобщенным состояниям системы α. Это необходимо, но не достаточно, чтобы считать систему β моделью системы α. Должно
еще существовать такое преобразование T(t) системы β, зависящее от времени t,
которое моделирует естественное течение времени в системе α. Это означает
следующее. Пусть первоначально система α находится в обобщенном состоянии A1, которому соответствует состояние Bi, системы β. Пусть по прошествии
времени t состояние системы α становится A2. Тогда преобразование T(t) должно переводить систему β в состояние B2, соответствующее обобщенному состоянию A2. Если это условие выполнено, мы называем систему β моделью системы α.
Преобразование T(t) может, в частности, заключаться просто в том, что мы
предоставляем системе β самой по себе менять свое состояние со временем. Такие модели называют моделями в естественном масштабе времени.
...Осаждающие сделали подкоп под крепостную стену и заложили в него
несколько бочек с порохом. Рядом горит свеча, от основания которой начинается пороховая дорожка к бочкам. Когда свеча догорит, будет взрыв. Точно такая
229
же свеча, зажженная в то же время, горит на столе в палатке предводителя осаждающих. Эта свеча служит для него моделью первой. Зная, сколько времени
осталось до взрыва, он отдает последние распоряжения... Свирепые лица склонились над столом, волосатые руки сжимают оружие. Свеча догорает. Страшный взрыв сотрясает воздух. Модель не подвела...
Изображение на экране телевизора, когда идет трансляция футбольного
матча, можно тоже формально считать моделью футбольного поля и трибун
стадиона. Действительно, все условия соблюдены. Однако чувствуется большое
различие между случаем двух свечей и случаем трансляции матча. В чем оно
состоит? В различии информационных связей между системами α и β. Любое
изображение β объекта α является в широком смысле слова его моделью. Но от
α к β существует непрерывный поток информации, и только благодаря этому
потоку сохраняется соответствие между состояниями α и β. Имея информационный доступ к β, мы фактически имеем доступ к α. Система β служит лишь
фазой передачи информации от α. Совсем другое дело в случае двух свечей.
Свеча β горит с такой же скоростью, как свеча α, но независимо от нее. Предводитель осаждающих не имеет доступа к свече α и не может получить никакой
реальной информации о ее состоянии. Путем моделирования он компенсирует
этот недостаток получением эквивалентной информации. Система β играет
здесь принципиально другую, более существенную роль. С ее помощью как бы
преодолевается пространственный барьер, причем без установления каких-либо
новых информационных каналов.
Еще более важен случай, когда модель помогает преодолевать не пространственный, а временной барьер. Информационного канала в будущее, увы,
не проложишь. А модель позволяет нам действовать так, как будто такой канал
есть. Для этого надо только, чтобы выполнение преобразования T(t) над моделью занимало меньше времени, чем само время t. Можно было бы привести
много примеров использования таких моделей в жизни современного человека,
однако вряд ли в этом есть необходимость. Вернемся еще раз к ассоциациям
представлений.
Мы видели, что ассоциации статических представлений отражают наличие
пространственных корреляций, взаимосвязей в окружающей среде. Точно так
же ассоциации динамических представлений — модели, создаваемые мозгом —
отражают динамические временные корреляции, свойственные внешней среде.
Ситуация х через время t вызывает (или может вызвать) ситуацию Y — вот общая формула таких корреляций, и эти корреляции запечатлеваются в мозгу в
виде соответствующих ассоциаций.
3.9. ПОЗНАНИЕ МИРА
Что такое знание? Как можно с кибернетической точки зрения описать ту
ситуацию, когда человек или животное знает то-то и то-то?
230
Допустим, вы знаете, что в соседней комнате находятся два человека. Тот
факт, что они там действительно находятся, означает, что если вы войдете в
комнату, то увидите там двух людей. Тот факт, что вы знаете об этом, означает,
что, не входя в комнату реально, а лишь представив, как вы открываете дверь и
входите в комнату, вы представляете себе и двух людей, находящихся в комнате. Следовательно, в вашем мозгу имеет место ассоциация представлений, позволяющая вам предвидеть результаты некоторых действий, т. е. некоторая модель действительности. Так же интерпретируются утверждения, что, видя катящееся колесо, вы знаете, где оно будет через секунду; что собака, на которую
замахиваются палкой, знает, что последует удар, и т.п. Знание — это наличие в
мозгу какой-то модели действительности. Увеличение знания, т. е. возникновение новых моделей действительности в мозгу, — это процесс познания. Познание мира не есть привилегия человека, оно свойственно уже высшим животным. Пятый этап эволюции можно назвать этапом индивидуального познания
мира.
Глава 4. Человек
4.1. УПРАВЛЕНИЕ АССОЦИИРОВАНИЕМ
Мы подошли к самому волнующему моменту в истории жизни на Земле —
появлению мыслящего существа, человека. Логика нашего повествования побуждает нас связать возникновение мышления с очередным метасистемным переходом. В настоящее время мы еще так мало знаем о процессе мышления и о
структуре мыслящего мозга, что всякую теорию, претендующую на объяснение
этого явления в целом, надо рассматривать как гипотетическую. Следовательно, и к нашей концепции мышления надо относиться как к гипотезе. Однако эта
концепция указывает место мышления в ряду естественных явлений и, как мы
увидим, приводит в систему обширное множество фактов. В ее пользу говорит
также полное отсутствие произвольных допущений частного характера, которое обычно приходится делать, когда теория включает структурное описание
мало изученного объекта. Ядром нашей концепции является не какая-либо гипотеза о конкретной структуре и механизме работы мозга, а выбор таких функциональных понятий, через которые становится возможным последовательное
и достаточно убедительное объяснение фактов, относящихся к мышлению.
Итак, мы утверждаем, что появление мыслящих существ, знаменующее
начало нового этапа эволюции и даже новой эры — Эры Разума, есть не что
иное, как очередной метасистемный переход, происходящий по формуле
Управление ассоциированием = Мышление.
Чтобы доказать это утверждение, мы будем анализировать следствия, вы231
текающие из управления ассоциированием, и отождествлять эти следствия с
теми формами поведения, которые мы наблюдаем у мыслящих существ.
Прежде всего, что такое управление ассоциированием? Представления Х и
Y ассоциируются у животного только в том случае, когда они совместно появляются в его опыте. Если не будет их совместного (как правило, многократного) появления, то не возникает и ассоциации. Животное не вольно управлять
своими ассоциациями. Оно имеет только те ассоциации, которые ей навязывает
среда. Управление ассоциированием означает наличие в мозгу механизма, позволяющего ассоциировать любые два или несколько представлений, которые
вовсе не имеют тенденции встречаться в опыте совместно. Иначе говоря, это
произвольное, не навязанное внешней средой ассоциирование.
Казалось бы, эта акция совершенно бессмысленна. В огороде бузина, а в
Киеве дядька — к чему связывать эти два факта, которые на самом деле никак
не связаны между собой?
Тем не менее, произвольное ассоциирование имеет глубокий смысл. Оно
действительно было бы бессмысленным, если деятельность мозга сводилась бы
к пассивному восприятию впечатлений, их сортировке, компоновке и т. п. Но у
него есть и другая задача, кстати основная, — управлять организмом, осуществлять активное поведение, которое меняет окружающую среду, создает
новый опыт. Можно побиться об заклад, что будильник и подставка для чайника никак не ассоциируются в вашем сознании. И в сознании вашего трехлетнего
сына тоже. Но, впрочем, только до поры до времени. В один прекрасный момент в голове юного гражданина почему-то возникает ассоциация между двумя
этими предметами и им овладевает непреодолимое желание постучать подставкой по будильнику. В результате предметы приходят в состояние реального,
физического взаимодействия.
При метасистемном переходе то, что раньше было зафиксированным и однозначно определенным внешними условиями, становится изменяемым, подверженным действию метода проб и ошибок. Управление ассоциированием —
это, как и всякий метасистемный переход, в высшей степени революционный
шаг, направленный против рабского послушания организма диктатуре внешней
среды. Как всегда в методе проб и ошибок, только какая-то небольшая часть
произвольных ассоциаций оказывается полезной и закрепляется, но это такие
ассоциации, которые не могли бы возникнуть непосредственно под влиянием
внешней среды. Они-то и обеспечивают разумному существу такие формы поведения, которые недоступны животному, застывшему на предыдущем этапе.
4.2. ИГРА
Высшие животные обнаруживают одну интересную форму поведения, которая роднит их с людьми и является своего рода провозвестником приближения эры разума. Речь идет не о поведении, связанном со спариванием (которое
также иногда называют игрой), а о «чистой» и, по видимости, совершенно бес232
цельной игре, игре для удовольствия. Так играет кошка с бумажкой, играют
друг с другом детеныши всех млекопитающих, а также и взрослые животные.
Что же такое игра? Как возникает это явление в животном мире?
Обычно игру объясняют потребностью в тренировке мышц и нервной системы. Несомненно, что игра оказывает в этом смысле положительное влияние,
т. е. она полезна. Однако недостаточно указать на полезность формы поведения, надо еще объяснить, как она становится возможной. Когда котенок играет
с бумажкой на нитке, он ведет себя так, как будто он принимает ее за добычу.
Но было бы недооценкой умственных способностей котенка полагать, что он
всерьез заблуждается. Нет, он уже много раз ловил эту бумажку, кусал ее,
ощущал ее противный, несъедобный запах. Представление котенка о бумажке
не включается в понятие «добыча». Между тем это представление частично активизирует тот самый план действий, который нормально активизируется понятием «добыча». Точно так же волк, играющий с товарищем, вовсе не принимает
его за врага, но ведет себя — до определенной черты — так, как будто перед
ним враг. В этом вся сущность игры. Ее можно понять как произвольное установление ассоциации между двумя предметами: бумажка — добыча, товарищ
— враг. В результате возникает новое представление, которому, строго говоря,
нет эквивалента в реальности. Такое представление мы называем фантазией,
плодом воображения. Это бумажка, которая, с одной стороны, явно не есть добыча и в то же время как будто бы и добыча; это товарищ, который одновременно и товарищ и враг.
Синтетическое представление порождает и синтетический план действий,
игровой план. Волк вполне серьезно, изо всех сил, старается догнать и вцепиться в товарища, но кусает его уже не всерьез.
Да, игра тренирует мышцы, вырабатывает навыки, которые пригодятся при
действиях всерьез. Но это скорее производит впечатление полезного побочного
результата, чем специальной стратегической цели, ради которой развиваются
игровые формы поведения. Хорошо известно, как любят играть дети. Но в игре
их привлекает не только и даже не столько удовольствие от физического
упражнения или проявления своей ловкости, сколько игра как таковая. Когда
мальчики играют в солдатиков, а девочки в куклы, они ничего не тренируют,
кроме своего воображения, т. е. способности произвольного ассоциирования.
От этих-то произвольных ассоциаций они и получают удовольствие. Детская
игра — фаза развития, через которую неизбежно должен пройти каждый человек, чтобы стать человеком. К.Чуковский в своей замечательной книге «От
двух до пяти» много страниц посвящает развитию мысли об абсолютной необходимости элементов игры и фантазии в воспитании ребенка. Дети не могут
обойтись без них, они нужны им, как воздух. Дети предаются игре со всем жаром, ощущая ее как нечто нужное, важное, серьезное. К.Чуковский пишет:
Я знал мальчугана, который, играя в трубочиста, воскликнул:
233
– Не трогай меня, мама, ты запачкаешься!.. И другого, который по ходу
игры надолго превратился в котлету и, добросовестно шипя на сковороде, в
сердцах оттолкнул свою мать, когда она бросилась к нему с поцелуями:
– Как ты смеешь целовать меня жаренного!
Чуть моя трехлетняя Мура, играя, разложила на полу свои книги, книги
тотчас же сделались речкой, где она ловила рыбу и стирала белье. И, нечаянно
наступив на одну книгу, она так естественно всхлипнула «Ой, я замочила себе
ногу», что и я на секунду поверил, будто эти книги — вода, и чуть не бросился
к ней с полотенцем.
Во всех этих играх ребята выступают как авторы и в то же время исполнители сказок, воплощающие их в сценических образах. И жажда верить в свой
сказочный вымысел у них так велика, что всякая попытка поставить их в рамки
действительности вызывает у них жаркий протест.
Через потребность в игре аппарат управления ассоциациями впервые заявляет о своем присутствии. И поскольку он существует, он должен работать, он
требует себе дела. Это так же естественно, как то, что легкие требуют воздуха,
а желудок — пищи.
4.3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОРУДИЙ
Однако оставим игры и перейдем к серьезным поступкам взрослых людей.
Говоря о происхождении человека, в качестве первого его отличия от животного указывают на использование и изготовление орудий. Решающим здесь
является, конечно, изготовление орудий. Использовать предметы в качестве
орудий могут и животные. Дятловый вьюрок с Галапагосских островов с помощью колючки кактуса или щепочки выковыривает червяков из коры дерева.
Каждый, кто видел на кинокадрах, как ловко управляется вьюрок с зажатой в
клюве колючкой, не может не согласиться, что это явное и весьма искусное использование орудия. Калифорнийская морская выдра ложится на спину на поверхности воды, кладет себе на грудь плоский камень и разбивает об него ракушки. Обезьянам случается пользоваться палкой и камнем. Эти примеры чрезвычайно скудны, однако они показывают, что принципиально в использовании
животным орудий нет ничего невозможного. В самом деле, почему план действий, передаваемый по наследству и подкрепляемый обучением, не может
включать выбора и использования определенного рода предметов? Ведь такие
понятия, как «длинное, острое» или «округлое, тяжелое», вполне доступны животному. Очевидно, примеры, подобные приведенным выше, редки потому, что
орудия, которые можно получить от природы без специального изготовления,
весьма несовершенны, и животные с большим успехом используют и совершенствуют в процессе эволюции свои естественные органы: клюв, когти, зубы.
Чтобы использование орудий стало не исключением, а правилом, надо уметь
изготовлять или хотя бы находить подходящие предметы ad hoc, т. е. специаль234
но для данного конкретного случая.
Допустим, вам надо забить гвоздь, а у вас под рукой нет молотка. Вы оглядываетесь, ища подходящий предмет, и видите на столе бронзовый бюст Наполеона. Раньше вам никогда не приходилось заколачивать гвозди наполеонами.
Можно даже допустить, что ничем, кроме настоящего молотка, вы гвоздей не
забивали. Это не помешает вам взять бюст и забить гвоздь. Ассоциации гвоздь
— бюст у вас не было. Вы ее создали заново и ad hoc. Вы сопоставили в своем
воображении гвоздь и бюст Наполеона, представили, как вы забиваете им
гвоздь, и осуществили это на деле.
4.4. ВООБРАЖЕНИЕ, ПЛАНИРОВАНИЕ, ПРЕОДОЛЕНИЕ
ИНСТИНКТА
Если в мозгу животного существует ассоциация между предметом Х —
орудием и предметом Y — объектом действия (и, конечно, физическая возможность выполнить действие), то оно окажется способным применить орудие. Если же такой ассоциации нет, то животное «не догадается» сделать это. Собаку
можно обучить подтаскивать зубами скамейку Х к забору Y, забираться на скамейку и перепрыгивать с нее через забор, который иначе она преодолеть не
может. Но если она не обучена этому, то своим умом ей до этого не дойти. Она
прекрасно знает, что скамейку можно передвигать с места на место. Она также
знает, какие возможности открываются перед ней, если скамейка стоит около
забора. Приставьте скамейку — она тут же вскочит на нее и перепрыгнет через
забор (предполагается, что ей это почему-либо нужно). Значит, она умеет предвидеть результат комбинации Х и У. Соответствующая модель есть у нее в мозгу. Но эта модель лежит мертвым грузом, ибо собака не может представить себе
комбинацию XY в виде цели, к которой надо стремиться, для этого ей не хватает воображения. Мало знать, что будет, если, надо еще вообразить, что может
быть. Суховатую формулу, отождествляющую мышление с управлением ассоциированием, можно перевести на менее точный, но более образный язык как
следующее утверждение: человек отличается от животного тем, что он обладает воображением.
Построим простенькую модель работы воображения. Обозначим через A
ситуацию, которая имеет место в данный момент, и через Z — ситуацию, которой надо достичь. Будем считать, что при заданной ситуации непосредственно
достижимой является лишь часть ситуаций, и будем записывать это формулами
вида
A → (B, C, H, Z),
где в скобках стоят ситуации, непосредственно достижимые из A.
Допустим, что некое животное (или человек) знает, какие ситуации достижимы из каких, т. е. в его мозгу есть ряд ассоциаций, которые можно изобразить формулами, подобными приведенной. Мы также будем считать, что для
235
каждого перехода от данной ситуации к другой (достижимой непосредственно)
известно осуществляющее его действие, но не будем вводить для него обозначения, чтобы не загромождать запись.
Если в мозгу есть именно такая ассоциация, как приведенная выше, и, следовательно, состояние Z достижимо из A, то животное сразу же выполнит нужное действие. Допустим теперь, что мозг содержит следующую совокупность
ассоциаций:
A → (B, C, D),
B → (E, F),
D → (G, H, I, J),
Н → (B, C),
I → (B, C, Z).
В этой таблице нельзя отыскать действие, которое приводило бы в Z, поэтому животное, поставленное перед такой задачей, решить ее не сможет. Оно
либо ничего не будет делать, либо будет метаться — совершать в беспорядке
все действия, которые есть в таблице. Человек же вообразит, что он совершил
действие A, чтобы понять, какие ситуации станут для него доступными в этом
случае. Иначе говоря, он создаст новые ассоциации, которые можно записать
так:
A → В → Е,
A → В → F.
Правда, эти ассоциации оказываются в данном случае бесполезными, но,
продолжая подобные попытки, он в конце концов, найдет решение:
A → D → I → Z.
Можно, конечно, идти и с другого конца — от цели Z. Главным здесь является то, что сама таблица ассоциаций не остается неизменной, она становится
объектом работы по методу проб и ошибок, пополняется новыми строчками. И
эти строчки появляются не под воздействием внешней среды (которое определяет только исходный список ассоциаций), а в результате функционирования
специального механизма, подчиненного своим законам и правилам.
Зачатки воображения есть и у высших животных. В частности, они проявляются, как было отмечено, в играх. У самых развитых животных — человекообразных обезьян — элементы воображения уже вполне отчетливо видны в поведении. Они проявляют сообразительность, недоступную собакам и другим
животным. Известны опыты, в которых обезьяна использовала подставку (куб),
чтобы достать подвешенную приманку, и даже ставила куб на куб, если это не
помогало. Обезьяна может вытолкнуть из отрезка трубы приманку с помощью
236
палки, искать подходящую палку и, наконец, расщепить ее надвое, если она
оказывается слишком толстой и не входит в трубу. Это уже можно считать
началом изготовления орудий.
И все-таки граница проходит не между собакой и обезьяной, а между обезьяной и человеком. В какой-то момент способность управления ассоциированием у наших предков превысила тот порог, за которым она стала фактором,
важным для выживания. И тогда эволюция пошла по пути совершенствования
этой способности. Совершился метасистемный переход. Человек отделился от
мира животных.
В процессе очеловечивания играли роль многие факторы и в первую очередь устройство конечностей человекообезьяны. Какие бы умные указания ни
давал мозг, они пропадут впустую, если нет возможности их физической реализации. Но наличие органов, способных осуществлять тонкие действия, само по
себе не породит мышления. Насекомые физически способны к очень сложным
операциям, лапы ящеров могли бы, в принципе, тоже послужить исходной точкой для развития руки, а щупальца осьминога по своей конструкции совершеннее наших рук. Ведущая роль, несомненно, принадлежит мозгу. В то же время
руки человекообезьяны и возможность их освобождения при ходьбе содействовали тому, что способность мозга к управлению ассоциациями стала (через посредство использования и изготовления орудий) фактором, имеющим решающее значение для выживания. В этом же направлении могли действовать и другие факторы, например резкое изменение природных условий. А может быть,
играют роль еще какие-то обстоятельства. Выяснение конкретных условий
происхождения человека и роли в этом процессе различных обстоятельств —
проблема сложная и интересная. Над ней работают многие ученые. Но не она
является предметом настоящей книги. Нам достаточно знать, что необходимое
для метасистемного перехода сочетание условий осуществлялось.
Так как цели, входящие в качестве важнейших элементов в планы, суть
представления, способность произвольно ассоциировать представления означает способность произвольного составления планов. Человек может решить:
сначала я сделаю A, потом B, потом C и т. д. Возникает соответствующая цепочка ассоциаций. Человек может решить: надо обязательно сделать X. Возникает ассоциация «X — надо». У животного тоже все время возникают новые
конкретные планы. Но механизм их возникновения иной. Они всегда являются
частью более общего (стоящего выше в иерархии) плана, а в конечном счете —
инстинкта. Цели, которые ставит животное, всегда направлены на осуществление инстинктивного плана действий. Инстинкт — верховный судья поведения
животного, его абсолютный и непререкаемый закон. Человек также получает в
наследство определенные инстинкты, но благодаря способности управления ассоциациями он может обойти их, может создавать планы, не подчиненные инстинкту и даже враждебные ему. В отличие от животного человек сам себе ставит цели. Откуда берутся эти цели и планы, чему они служат — это другой вопрос. Мы коснемся его, когда будем говорить о человеке как о социальном су237
ществе. Сейчас нам важно лишь то, что мозг человеческого индивидуума
устроен так, что дает ему возможность выйти за рамки инстинктивного поведения.
4.5. ВНУТРЕННИЙ УЧИТЕЛЬ
Отнюдь не каждую операцию, которую совершает человек, он совершает
«на личном воображении», т. е. как будто впервые открывая ее для себя.
Напротив, большую часть операций человек (во всяком случае, взрослый) делает без участия воображения как нечто рутинное, привычное, регулируемое уже
сложившимися ассоциациями. Механизм таких операций не отличается от того,
что мы наблюдаем у животных. И способ, которым необходимые ассоциации
были выработаны, мы называем, как у животных, обучением. Но механизм
обучения у людей и у животных радикальнейшим образом различается.
У животных новые ассоциации образуются в некотором смысле насильно,
извне. Чтобы образовалась ассоциация, она должна быть мотивационно обоснована, связана с отрицательной или положительной эмоцией. Необходимо
подкрепление. Иначе говоря, обучение происходит только «методом кнута и
пряника». Когда обучается человек, он сам идет навстречу обучению. Не потому, что он знает, что «учиться полезно». Ребенок этого не знает, но обучается
наиболее легко и активно. Ассоциации образуются у него «просто так», без
всякого подкрепления. Это работает механизм управления ассоциированием,
который требует себе пищи. Если ее нет, человеку становится скучно, а это отрицательная эмоция. Учителю нет надобности навязывать что-либо ребенку
или человеку вообще, его задача лишь в том, чтобы дать пищу его воображению. Получая эту пищу, человек испытывает удовольствие. Таким образом, он
всегда учится сам, изнутри. Это активный, творческий процесс. Благодаря метасистемному переходу человек приобрел собственного внутреннего учителя,
который непрерывно учит его, щелкая внутренним кнутом и заманивая внутренним пряником.
«Внутренний учитель» — не маньяк, он подходит реалистически к возможностям ученика. Отнюдь не все представления, совпадающие или близкие
по времени, образуют устойчивые ассоциации. Если бы это было так, то это
означало бы наличие абсолютной памяти, т. е. возможность вспомнить каждый
эпизод своей жизни. Мы знаем, почему такой способности нет. Можно сделать
предположение, что для этого просто не хватает информационной емкости мозга. Однако существование людей, чьи способности к запоминанию несравненно
больше, чем у обычных людей, по-видимому, противоречит этой гипотезе и
склоняет к выводу, что дело скорее в каких-то деталях устройства управления
ассоциированием. Так или иначе, но раз абсолютной памяти нет, необходим
критерий для отбора ассоциаций. Один из критериев у человека такой же, как у
животных, — эмоциональная нагрузка. Мы в первую очередь запоминаем то,
что связано с эмоциями. Однако у человека есть и другой критерий (который,
кстати, свидетельствует о наличии управления ассоциированием): мы можем
238
решить запомнить что-либо и в результате действительно это запомнить. Наконец, третий и самый значительный критерий — это критерий новизны. Известно, что человек запоминает новое для него и равнодушно пропускает старое («в
одно ухо вошло — в другое вышло»). Но чем отличается «новое» от «старого»?
Ведь никакие впечатления не повторяются, строго говоря, дважды. В этом
смысле каждое впечатление — новое. Между тем, когда мы слышим рассуждения на избитую тему или видим на экране избитые ситуации, мы начинаем зевать и досадливо машем рукой: «Это уже было!» Когда поток впечатлений
укладывается в уже существующие модели, наш «внутренний учитель» не видит необходимости менять модель и впечатления проскальзывают без всяких
последствий. Это тот случай, когда мы наперед знаем, что будет дальше. Когда
же опыт таков, что мы не знаем, что будет дальше, или тем более если он противоречит модели, то появляются новые ассоциации — модель усложняется.
Соотношение с уже существующей в мозгу моделью — вот критерий новизны
впечатления.
Заговорив о памяти и других сторонах психики человека, мы затронули
множество нерешенных проблем. К счастью, в нашу задачу не входит систематическое изложение психологии человека, тем более в ее «кибернетизированном» варианте. Мы удовлетворимся беглым обзором психических черт, отличающих человека от животного, чтобы убедиться, что они являются естественными следствиями метасистемного перехода — возникновения аппарата,
управляющего ассоциированием.
Мы видели, что управление ассоциированием приводит к качественному
отличию обучаемости человека от обучаемости животного. Заметим, кстати,
что то огромное количественное различие, которое существует между обучаемостью человека и животного и выражается просто в количестве информации,
запоминаемой в процессе обучения, также является прямым следствием метасистемного перехода. Оно вытекает из закона разрастания предпоследнего
уровня, о котором мы упоминали в свое время. Предпоследний уровень в данном случае — это физические устройства для образования ассоциаций. Размножение этих устройств означает увеличение памяти. Отступая, в виде исключения, от своего принципа — не рассматривать структурных моделей мозга, мы укажем (рис. 4.1) на разрастание коры головного мозга у человека, которая согласно всеобщему (и хорошо обоснованному) мнению является хранилищем ассоциаций.
239
Рис. 4.1. Площадь поверхности коры головного мозга лошади, орангутанга
и человека
4.6. СМЕШНОЕ И ПРЕКРАСНОЕ
Но качественные отличия все-таки интереснее. Мы уже установили, что
наличие специального аппарата управления ассоциированием делает для человека обучение активным процессом, связанным с положительными и отрицательными эмоциями. Это истинно человеческие эмоции, недоступные существам, которые не обладают указанным аппаратом. Из того факта, что целью
ассоциирования является построение модели (или моделей) внешней среды,
можно сделать вывод, что новая эмоция будет иметь положительный знак в
случае установления ассоциации, улучшающей мозговую деятельность мира.
Эту эмоцию можно назвать удовольствием от новизны, употребляя термин
«новизна» в том смысле, который мы придаем ему выше. Соответствующую
отрицательную эмоцию называют скукой. Выше мы перечисляли критерии
установления и закрепления ассоциаций и отделяли критерий новизны от критерия наличия эмоционального подкрепления. Мы имели в виду обычные эмоции, общие для человека и животного. Возведя удовольствие от новизны в ранг
эмоции, мы можем объявить третий критерий частным случаем первого. Тогда
мы можем сказать, что непроизвольное ассоциирование всегда связано с эмоциональным подкреплением, но человек по сравнению с животным обладает
принципиально новым классом эмоций.
Да, именно классом. «Удовольствие от новизны» — очень общий термин,
покрывающий не одну эмоцию, а целый класс их. Можно сразу указать два явно отличающихся представителя этого класса: чувство смешного и чувство
прекрасного. Вряд ли кто-нибудь в настоящее время возьмется утверждать, что
он до конца понимает природу этих эмоций и может дать им сколько-нибудь
детальную кибернетическую интерпретацию. Однако несомненно, что они неотделимы от познания мира, от создания новых моделей.
240
Что вызывает у нас смех? Совершенно неожиданное, но в то же время законное и задним числом вполне понятное нарушение «нормального» хода событий. Неожиданная ассоциация, бессмысленная на первый взгляд, но отражающая какие-то глубинные связи между вещами. Все это, конечно, создает новую модель мира и доставляет удовольствие, пропорциональное ее новизне.
Конец новизны — это конец смешного. Когда нас пытаются смешить в соответствии с хорошо знакомой моделью, мы называем такой юмор плоским. Но это
понятие чрезвычайно относительно. Кому незнакома ситуация, когда в ответ на
рассказанный анекдот один слушатель разражается хохотом, а другой лишь
кисло усмехается? Их различает, очевидно, отсутствие или наличие соответствующей модели. Очень важна для уяснения природы юмора и другая ситуация: когда один хохочет, а другой непонимающе хлопает глазами. «Не дошло!»
— говорят в таких случаях. Шутка оказалась слишком тонкой для этого человека, она опирается на такие ассоциации, которых у него нет. Смешное всегда
лежит на грани между тривиальным и непонятным. Эта грань у каждого своя, и
она передвигается в процессе индивидуального развития. Ничто так отчетливо
не проявляет культурного уровня человека, как его понимание смешного.
В чувстве прекрасного больше индивидуальных различий между людьми,
оно тоньше и загадочнее, чем чувство смешного. Но в нем есть тот же динамизм, связанный с новизной впечатления. Частое повторение понравившегося
музыкального произведения не только делает к нему равнодушным, но, в конце
концов, внушает к нему отвращение. Острое ощущение прекрасного кратковременно, оно включает элемент откровения, восторженного удивления. Его
можно описать также как внезапное усмотрение какого-то глубокого порядка,
соответствия, смысла. Если пытаться дать кибернетическую интерпретацию
этому явлению, можно предположить, что чувство прекрасного вызывают те
впечатления, которые дают пищу для самых сложных и тонких моделей, реализующихся с помощью классификаторов высшего уровня. Эти классификаторы
должны, очевидно, в максимальной степени сжимать информацию, распознавать чрезвычайно сложные понятия. А это и есть усмотрение глубокого внутреннего порядка в кажущемся беспорядке.
Все модели иерархичны. Более сложное строится из более простого, высшее опирается на низшее. Человек может быть недостаточно развит эстетически и не видеть красоты там, где ее видят другие. Неподготовленному слушателю шедевр симфонической музыки покажется бессмысленным нагромождением звуков. С другой стороны, банальная мелодия или примитивный геометрический орнамент не вызовут у нас ощущения прекрасного: здесь порядок слишком очевиден. «У нас» — это у современного цивилизованного человека. Возможно, неандерталец, увидев серию точно вычерченных концентрических
окружностей, был бы потрясен до глубины души. Прекрасное тоже всегда на
грани между тривиальным и непонятным. Передвижение этой грани — эстетическое воспитание — есть познание мира, построение в мозгу новых моделей.
Мы берем чувство прекрасного в его, если угодно, чистом виде. В дей241
ствительности оно бывает связано с другими человеческими чувствами, образуя часто неразрывные комплексы и влияя поэтому на многие сферы и аспекты
общественной жизни. Это значение эстетических переживаний, которое можно
назвать прикладным, признано давно и безусловно. С чистой эстетикой дело
обстоит хуже. На протяжении всей истории человечества время от времени
раздавались призывы покончить с нею раз и навсегда, как с чем-то не только
бесполезным, но и прямо вредным. (Вредность понималась по-разному. Одни
объявляли красоту греховной, другие — отвлекающей от классовой борьбы.) И
напротив, делались попытки вульгарно-материалистического толка объяснить и
«оправдать» прекрасное, сведя его к полезному в самом житейском, бытовом
смысле слова. Последнее выглядит так, как если бы кто-то стал расхваливать
транзисторный приемник, уверяя, что им можно забивать гвозди и колоть орехи. Это отношение вытекает из непонимания того факта, что чисто эстетическое воспитание есть подготовка мозга к выполнению его самых тонких и высших функций. Мозг един. Модели, созданные в процессе эстетического воспитания, несомненно влияют на восприятие мира человеком, на его творческую
деятельность. Как это происходит, в точности неизвестно. Тем ценнее эстетическое воспитание, ибо мы не знаем, чем его можно заменить.
4.7. ЯЗЫК
До сих пор мы рассматривали человека как индивидуума и интересовались
возможностями его мозга. При таком подходе вовсе не очевидно, что появление
на Земле человека — это такая уж революция в истории жизни. Лягушка умнее
медузы. Собака умнее лягушки. Обезьяна умнее собаки. Теперь появилось существо, которое умнее обезьяны. Ну и что?
Революцию создало появление человеческого общества, обладающего
определенной культурой и, в первую очередь, языком. Ключевым моментом
является здесь язык.
Под языком вообще понимают определенный способ сопоставления объектам Ri, которые рассматриваются как некая первичная реальность, объектов
Li, называемых именами объектов Ri, и рассматриваемых как нечто вторичное,
специально созданное для сопоставления объектам Ri,. По отношение к имени
Li объект Ri, называют его значением. Совокупность всех объектов Li часто
также называют языком (в более развернутой форме ее следовало бы назвать
материальным фиксатором или носителем языка). Множество объектов Li, может быть гораздо обширнее и разнообразнее множества языков Li. Так, например, обстоит дело в случае естественных языков: русского, английского и т. п.
Ясно, что при замене восприятия реальных объектов и ситуаций на их словесное описание теряется огромное количество информации. В тех случаях, когда
информативность объектов Ri и Li одного порядка величины, вместо слова язык
часто употребляют кибернетический термин код. Переход от R к L называют
кодированием, а обратный переход от L к R — декодированием. Так, при передаче по радио сообщения с помощью «морзянки», исходный текст — набор
242
букв кодируется набором точек и тире. В этом коде (языке) информация совершает путешествие в эфире и принимается в заданной точке. Затем происходит
декодирование с языка точек и тире на язык букв. Процесс кодирования и декодирования в данном случае не приводит к потере информации.
Так как для перехода от значения к имени и обратно нет более удобных
общепринятых терминов, чем кодирование и декодирование, мы будем употреблять эти термины в самом общем смысле, не заботясь о соотношении информативностей (и называя язык не «кодом», а именно «языком»).
Объекты Ri и Li могут быть произвольной природы, это не обязательно
предметы, а, вообще говоря, явления, звуковые колебания. Заметим, что «явление» — это самый общий термин, которым мы можем обозначить какую-то
часть физической реальности, ограниченную в пространстве и времени, «предмет» — более расплывчатое понятие, которое относят к явлениям специального
типа, обнаруживающим определенную стабильность: наличие поверхности, через которую отсутствует обмен веществом. Так как в действительности абсолютно непроницаемых границ не существует, и все так называемые предметы
непрерывно меняются, это понятие относительно; оно отражает лишь малую
скорость изменений.
Элементарный язык есть и у животных, в первую очередь у тех, которые
живут сообществами и поэтому должны как-то согласовывать свои действия и
«выяснять отношения». Мы называем его элементарным лишь в сравнении с
языком человека, сам по себе он не так уж прост и, по-видимому, прекрасно
удовлетворяет потребность членов сообщества в обмене информацией. Сигнал
опасности, просьба о помощи, намерение вступить в брачные отношения, согласие или отказ на это предложение, приказ подчиниться, приказ убраться восвояси — эти и другие компоненты входят в состав языка большинства птиц и
млекопитающих и выражаются жестами и звуками. Пчелы, вернувшись с взятка
в улей, сообщают родичам о расположении места, где они были, совершая
своеобразные движения, напоминающие танец.
4.8. ЯЗЫКОТВОРЧЕСТВО
Но язык у человека радикально отличается от языка у животных. Различие
здесь такое же, как в употреблении орудий. Для животного язык есть нечто изначально данное, элемент инстинктивного поведения. Если он и меняется, то
только вместе с поведением, вместе с общей эволюцией вида. Для человека
язык — нечто несравненно более подвижное и изменчивое, чем поведение. Человек сам создает язык, он обладает способностью (и даже потребностью) давать имена, чего не может ни одно животное. Присвоение явлениям (в частности, предметам) имен — это, пожалуй, наиболее простое и наглядное проявление управления ассоциированием. Между словом «лев» и реальным львом нет
ничего общего, тем не менее устанавливается ассоциация «лев» — лев, имя —
значение. Правда, среди слов, появившихся на заре человеческой культуры,
243
было много звукоподражательных. Это подтверждается обилием таких слов в
языках примитивных культур.
То же в еще большей степени относится и к жестам. Жест, очевидно, всегда подражателен в своей основе. Но это не меняет природы ассоциации между
именем и значением, как результат намеренного ассоциирования. Допустим,
что в некотором примитивном языке лев называется «ррррр» — словом, имитирующим его рычание. Ассоциация «ррррр» — лев возникает не потому, что
этот звук можно спутать с рычанием льва (хорош был бы охотник, способный
допустить такую ошибку), а потому, что, подыскивая имя для льва, человек перебирает в воображении его особенности и останавливается на одной из них,
как допускающей хотя бы приблизительное воспроизведение. Создатель имен
воспринимает его субъективно как нечто близкое к значению, подобное ему, а
точнее не подобное, а уподобленное, ибо объективная схожесть между именем
и значением может быть невелика, почти равна нулю; она служит лишь пуповиной, отсыхающей вскоре после рождения имени. Ассоциация имя — значение возникает совсем не так, как ассоциация между видом миски и отделением
слюны в опытах Павлова над собаками. Там условный рефлекс, здесь языкотворчество. Повод, послуживший для выбора имени, забывается, само имя
трансформируется, но связь между именем и значением от этого ничуть не
страдает.
4.9. ЯЗЫК КАК СРЕДСТВО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Язык возникает как средство связи, коммуникации между членами первобытного сообщества. Но, раз возникнув, он вдруг оказывается источником других, совершенно новых возможностей, не связанных в принципе с общением
между людьми. Что это за возможности, покажем на примере языка чисел.
Вообразим себе юношу из первобытного племени Ням-Ням. Назовем его
для определенности Уу и проследим, как он выполняет функции разведчика.
Уу лежит за толстым старым дубом и неотрывно следит за входом в пещеру на противоположном берегу реки. На восходе солнца сюда подошла группа
мужчин из вражеского племени Мань-Мань. Они явно затеяли что-то нехорошее, наверное, оставить в пещере засаду. Они суетятся около пещеры, то входят в нее, то выходят, то исчезают в лесу, то снова возвращаются к пещере.
Каждый раз, когда один враг входит в пещеру, Уу загибает один палец, когда
один враг выходит из пещеры, он разгибает один палец. Когда враги уйдут, Уу
будет знать, оставили ли они засаду и если оставили, то сколько человек. Уу
побежит к своему племени и покажет им на пальцах, сколько врагов осталось в
пещере.
Почему наш герой имеет возможность, не заходя в пещеру, знать в каждый
момент времени, сколько там врагов? Потому что с помощью своих пальцев он
построил модель интересующей его части внешнего мира. А интересует его
пещера и находящиеся в ней враги. Каждому врагу, находящемуся в пещере,
244
соответствует в его модели загнутый палец. Загнутый палец — это имя врага в
пещере, враг в пещере — это значение загнутого пальца. Операции над именами — загибание и разгибание пальцев — соответствуют входу и выходу врагов
из пещеры. Это — язык. Его можно назвать языком пальцев, если иметь в виду
физический материал, из которого построена модель, или языком чисел, если
иметь в виду способ сопоставления имен значениям. И этот язык используется
не только, а в нашем примере даже не столько для передачи информации,
сколько для построения модели, которая нужна именно как модель — средство
предвидеть события, средство узнать косвенно то, что нельзя узнать прямо. Если родное племя Ням-Ням далеко, а Уу не собирается никому сообщать, сколько врагов в пещере, он все равно имеет основания считать врагов, сгибая и разгибая пальцы. Это нужно ему самому для планирования своих действий. Коммуникативное использование языка, т. е. использование его как средства общения между людьми, дополняется некоммуникативным использованием языка в
качестве средства построения моделей действительности.
Тут-то, как говорят англичане, лягушка и прыгает в воду. Моделирующая
функция языка — тот заключительный элемент, которого нам не хватало для
оценки появления на земле человека как рубежа двух эпох, как события космической важности. Когда астроном определяет положение планет на небе, затем
производит какие-то манипуляции над цифрами и в результате предсказывает,
где будут планеты через заданный промежуток времени, он делает в сущности
то же самое, что юноша Уу из племени Ням-Ням, когда он загибает и разгибает
пальцы, наблюдая за входом в пещеру. Искусство, философия, наука — все это
не что иное, как создание языковых моделей действительности. Дальнейшая
часть настоящей книги будет посвящена анализу этого процесса, его закономерностей и результатов. Но сначала мы бросим общий взгляд на его место в
эволюции Вселенной.
4.10. САМОПОЗНАНИЕ
У животных нет понятия о себе самом, это понятие не нужно для обработки информации, поступающей извне. Мозг животного можно сравнить с зеркалом, которое отражает окружающую действительность, но само ни в чем не отражается. В самом примитивном человеческом обществе каждому человеку
присваивается имя, и каждый человек произносит свое имя и предложения, в
которых его имя содержится. Таким образом, он сам — в виде предложений,
содержащих его имя, — становится предметом своего внимания и изучения.
Язык представляет собой как бы второе зеркало, в котором отражается весь
мир, и в том числе каждый индивидуум, и в котором каждый индивидуум может увидеть (вернее, не может не увидеть!) самого себя. Так возникает понятие
«Я». Если заключительный этап кибернетического периода можно назвать этапом познания, то эра разума — это эра самопознания. Система двух зеркал —
мозга и языка создает возможность бесчисленного множества взаимных отражений без необходимости выходить из пространства между зеркалами. Это порождает неразрешимые загадки самопознания и в первую очередь загадку
245
смерти.
4.11. ПРОДОЛЖЕНИЕ МОЗГА
Допустим, что в пещеру входят три врага, а выходят два. Тут первобытный
человек и без помощи пальцев сообразит, что один враг остался в пещере. Это
работает модель, которая есть у него в мозгу. А если входят двадцать пять, а
выходят двадцать четыре или двадцать три? Здесь человеческий мозг окажется
бессилен: он не содержит нужной модели, нужных понятий. Мы мгновенно и
безошибочно различаем множества из одного, двух, трех, четырех предметов и
можем отчетливо представить их в своем воображении. Эти понятия даны нам
от природы, они распознаются нейронной сетью мозга, подобно понятиям пятна, линии, соприкасания и т. п. С понятиями, которые выражаются числами от
пяти до восьми, дело обстоит хуже: здесь многое зависит от индивидуальных
особенностей и тренировки. Что же касается понятий «девять», «десять» и т. д.,
то, за редчайшими исключениями, которые рассматриваются как отклонения от
нормы, все они сливаются в одно понятие «много». И тогда человек создает
язык, материальный носитель которого (например, пальцы) служит фиксатором
новых понятий, выполняя функции тех классификаторов, для которых не
нашлось места в мозгу. Если не хватит пальцев, пойдут в ход камешки, палочки, зарубки, а в более развитых языках — цифры и наборы цифр. Какой используется язык — неважно, важно лишь умение кодировать. Процесс счета служит
для распознавания новых понятий, выполняя функции нервной сети, работа которой приводит в возбужденное состояние тот или иной классификатор. В результате счета объекту R, например отряду врагов, сопоставляется объект L,
например ряд зарубок или цифр. Наконец, правила действий над объектами
языка и связи между ними (например, типа 6 + 3 = 9 и т. п.) соответствуют ассоциациям между понятиями в мозгу. Это завершает аналогию между моделями, реализуемыми с помощью языка, и моделями, которые создаются нейронными сетями мозга.
Если орудие — продолжение руки человека, то язык — продолжение его
мозга. Он служит для той же цели, для которой служит мозг: увеличению жизнеспособности вида путем создания модели окружающей среды. Он продолжает дело мозга с помощью материала, лежащего за пределами физического тела
человека, основываясь на моделях (понятиях и ассоциациях) доязыкового периода, реализуемых нервными сетями. Человек как бы перешагнул через границу
своего мозга. Возможности такого перехода (а именно установления связи
между внутренним и внешним материалом) открылись благодаря способности
управлять ассоциированном, выразившейся в языкотворчестве.
Две функции языка: коммуникативная и моделирующая — неразрывно
связаны друг с другом. Счет на пальцах мы привели в качестве примера модели, которая возникает только благодаря языку и которая не может существовать
без языка. При коммуникативном использовании языка он выполняет более
скромную задачу: фиксирует модель, которая уже существует в чьем-то мозгу.
246
Такие фразы, как «идет дождь», «в соседнем лесу волки» или более отвлеченные: «гадюка ядовита», «огонь гасит воду», суть модели действительности. Когда один человек сообщает это другому, ассоциации, которые раньше были
только в голове первого, утверждаются в голове второго.
Благодаря наличию языка человеческое общество коренным образом отличается от сообщества животных. В животном мире члены сообщества контактируют лишь на уровне функций, связанных с питанием и размножением. Члены человеческого общества контактируют не только на этом уровне, но и на
самом высоком уровне их индивидуальной организации — на уровне моделирования внешнего мира с помощью ассоциации представлений. Люди, так сказать, контактируют мозгами. Язык — это не только продолжение каждого индивидуального мозга, но и общее, единое продолжение мозгов всех членов общества. Это коллективная модель действительности, над совершенствованием
которой трудятся все члены общества и которая хранит опыт предыдущих поколений.
4.12. СОЦИАЛЬНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ
Метасистемный переход в системе мозга — управление ассоциированием
— породил новый процесс — социальную интеграцию, т. е. объединение человеческих индивидуумов в некую целостность нового типа: человеческое общество. Вся история человечества проходит под знаком социальной интеграции,
связи между людьми возрастают в количественном и качественном отношении.
Этот процесс протекает и в настоящее время, причем весьма интенсивно, и вряд
ли кто-либо может уверенно ответить на вопрос, как далеко он пойдет.
Социальная интеграция — это метасистемный переход, она приводит к новому уровню возникновения материи — социальной сфере. Сообщества животных можно рассматривать как первые (и безуспешные) попытки осуществить
этот переход. Мы знаем сообщества животных, например муравьев, в которых
отдельные особи настолько приспособлены к жизни в сообществе, что не могут
жить вне его. Муравейник с полным правом можно назвать единым организмом, так далеко зашли в нем взаимодействие между особями и их специализация. Но это взаимодействие остается на уровне низших функций. «Контакта
мозгов» нет. Создания новых моделей действительности нет. Никаких принципиально новых возможностей из-за объединения муравьев в общество не открывается, оно застывает в своем развитии. Муравейник, конечно, является метасистемой по отношению к отдельному муравью. Интеграция индивидуумов
имеет место. Но это не новый этап эволюции, а боковое ответвление, тупик. В
русской литературе сложилась традиция: слово' «социальное», которое буквально означает «общественное», относить только к человеческому обществу,
подчеркивая этим его принципиальное отличие от общества животных. В этом
смысле надо понимать термины «социальная сфера» и «социальная интеграция».
247
Итак, попытки природы образовать новый этап организации материи путем интеграции многоклеточных организмов долгое время не приводили к значительным результатам: не было подходящего материала. Понадобился метасистемный переход в структуре мозга, чтобы индивидуумы приобрели способность образовывать необходимые связи. И еще одно следствие управления ассоциациями имеет важнейшее значение для развития социальной сферы — это
способность человека выйти за рамки инстинкта, строить планы действий, никак с ним не связанные, а порой даже ему противоречащие. Эти два свойства
делают человека социальным существом, т. е. материалом, пригодным для построения человеческого общества — социума. Слово «материал», сказанное о
человеке, коробит; оно звучит как-то унизительно. В самом деле, разве есть какое-то высшее существо, которое строит общество, пользуясь человеком как
материалом? Нет, конечно. Человек сам — творец. Причем не какой-то абстрактный Человек (с большой буквы), а конкретный человек, человеческая
личность, индивидуум. Все, чем обладает общество, создано творчеством человеческих индивидуумов. А в то же время — такова диалектика отношения
между личностью и обществом — человек значителен лишь постольку, поскольку он значителен для общества. Это, конечно, не надо понимать так, что
кто не признан, тот не гений. Человек может выступать против всего общества,
т. е. против всех живущих в данный момент людей, и руководствоваться в то
же время интересами общества, логикой развития общества. Есть два уровня
организации материи: уровень животного, для которого высшие законы — это
инстинкты самосохранения и размножения, и уровень человека, т. е. человеческого общества. Все, что в человеке мы называем собственно человеческим, —
продукт развития общества. Человек как чисто биологическое (в смысле досоциальное) существо — это лишь «возможность» человека в полном смысле
слова, и не более. Если в действиях человека есть хоть какая-то логика, то это
либо логика животных инстинктов, либо логика развития общества, быть может
завуалированная и не осознаваемая в качестве таковой. Другой логике просто
неоткуда взяться. Поэтому человек, выступая как творец, все-таки подчиняется
хотя и не существу, но какому-то высшему закону эволюции Вселенной и,
можно сказать, является материалом для его действия.
4.13. СВЕРХСУЩЕСТВО
Возникновение человеческого общества — крупномасштабный метасистемный переход, при котором интегрируемые подсистемы — это целые организмы. В этом плане его можно сравнить с возникновением многоклеточных
организмов из одноклеточных. Однако его значение, его революционность неизмеримо больше. И если с чем-то сравнить его, то только с самим актом возникновения жизни. Ибо появление человека означает появление нового механизма усложнения организации материи, нового механизма эволюции Вселенной. До человека развитие и усовершенствование высшего уровня организации
— устройства мозга — происходили лишь в результате борьбы за существование и естественного отбора. Это медленный процесс, требующий смены многих
248
поколений. В человеческом обществе развитие языка и культуры является результатом творческих усилий всех его членов. Отбор вариантов, необходимый
для усложнения организации материи по методу проб и ошибок, происходит
теперь в голове человека. Он может происходить на уровне интуиции, представляясь результатом внезапного озарения, вдохновения, а может и распадаться на отдельные, отчетливо осознаваемые шаги; но так или иначе он становится
неотделимым от волевого акта человеческой личности. Этот процесс существенно отличается от процесса естественного отбора и протекает несравненно
более быстро, но по своей функции — построение и использование моделей
окружающей среды — и по своим результатам — возрастание обшей массы
живого вещества и его влияние на неживое — он полностью аналогичен первому процессу, он является его естественным продолжением. Человек становится
сосредоточием Космического Творчества. Темп эволюции многократно возрастает.
Можно рассматривать общество как единое сверхсущество. Его «тело» —
это тела всех людей плюс предметы, созданные и создаваемые людьми: одежда,
жилища, машины, книги и т. д. Его «физиология» — это физиология всех людей плюс культура общества, т. е. определенный способ управлять предметным
компонентом общественного тела и образом мышления людей. Возникновение
и развитие человеческого общества знаменуют начало нового (седьмого по
нашему счету) этапа эволюции жизни (рис. 4.2). Функциональная формула метасистемного перехода от шестого к седьмому этапу такова:
Управление мышлением = Культура.
Язык входит в культуру в качестве важнейшей составной части, выполняя
функции нервной системы. Как и у нервной системы многоклеточного организма, его первая, исторически и логически, функция — коммуникативная —
обмен информацией между подсистемами, координация их деятельности. В
процессе выполнения этой функции язык — опять-таки в точности так же, как и
нервная система «этажом ниже», — получает вторую функцию — моделирование окружающей среды. И подобно тому, как в развитии мозга можно выделить
этапы, связанные с метасистемными переходами, развитие языковых моделей
происходит (как мы увидим дальше) путем последовательных метасистемных
переходов в структуре языка.
1. Химические основы жизни
Химическая эра
2. Движение
3. Раздражимость (простой рефлекс)
Кибернетическая эра
4. Нервная сеть (сложный рефлекс)
249
5. Ассоциирование (условный рефлекс)
6. Мышление
Эра разума
7. Социальная интеграция, культура
Рис. 4.2. Этапы эволюции жизни
Параллели между обществом и многоклеточным организмом были подмечены давно. Но вот вопрос: как относиться к этим параллелям? Можно считать
их если и не случайными, то, во всяком случае, поверхностными и малозначительными, что-то вроде сходства стрелы подъемного крана с руками человека.
Однако кибернетический подход приводит нас к другой точке зрения, согласно
которой аналогия между обществом и организмом имеет глубокий смысл, свидетельствуя о наличии чрезвычайно общих законов эволюции, действующих на
всех уровнях организации материи, и указывая нам направление развития общества. Эта точка зрения таит в себе ту угрозу, что, будучи вульгаризована, она
легко может привести к концепции тоталитарного государства фашистского
типа. В главе 14, рассматривая проблему творческой свободы личности, мы более подробно рассмотрим и этот вопрос. А пока отметим, что возможность
вульгаризации теории никак не может быть аргументом против ее истинности.
Раздел современной науки, именуемый кибернетикой, дает нам понятия, описывающие эволюционный процесс как на уровне внутриклеточных структур,
так и на уровне социальных явлений. Фундаментальное единство эволюционного процесса на всех уровнях организации превращается из философского воззрения в научно обоснованный факт. С ним нельзя не считаться, размышляя о
судьбах человечества и его роли во Вселенной.
Подчеркивая космическое значение разума, французские ученые Леруа и
Тейяр де Шарден ввели термин ноосфера (т. е. сфера разума) для обозначения
той части биосферы, где господствует разум. Эти идеи были подхвачены
нашим соотечественником В.П.Вернадским (см. его статью «Несколько слов о
ноосфере»). В предисловии к своему главному сочинению «Феномен человека»
Тейяр де Шарден пишет:
«Я думаю, вряд ли у мыслящего существа бывает более великая минута,
чем та, когда с глаз его спадает пелена и открывается, что он не затерянная в
космическом безмолвии частица, а пункт сосредоточения и гоминизации универсального стремления к жизни. Человек — не статический центр мира, как он
долго полагал, а ось и вершина эволюции, что много прекраснее1».
1
Тейяр де Шарден П. Феномен человека. М.: Наука, 1987.
250
Глава 5. Со ступеньки на ступеньку
5.1. МАТЕРИАЛЬНАЯ И ДУХОВНАЯ КУЛЬТУРА
Различают культуру «материальную» и «духовную». Мы поместили эти
слова в кавычки (для первого раза; дальше они, как и принято, будут щеголять
без кавычек), потому что различие между указанными проявлениями культуры
условно, а сами термины не слишком удачно отражают это различие. К материальной культуре относят производительные силы общества и все, что с ними
связано, а к духовной — искусство, религию, науку, философию. Если пытаться
сформулировать принцип, на основании которого делается разграничение, то
лучше всего, вероятно, это сделать следующим образом: материальная культура
призвана удовлетворять те потребности, которые общи у человека и животных
(«материальные» потребности), духовная — потребности специфические, как
мы думаем, для человека («духовные» потребности). Очевидно, это различие не
совпадает с различием между материальным и духовным в философском плане.
Основным предметом настоящей книги является феномен науки, которая
есть часть духовной культуры. Однако наука возникает на сравнительно позднем этапе развития общества и мы никак не можем добраться до этого момента,
ибо для нашей цели нужно обрисовать все предшествующие этапы. Вот и сейчас мы не можем пройти мимо материальной культуры, не сказав о ней хотя бы
несколько слов. Тем более что в развитии материальной культуры мы обнаруживаем один в высшей степени интересный эффект, к которому приводит иногда метасистемный переход.
5.2. ЭФФЕКТ ЛЕСТНИЦЫ
На нижней ступени гигантской каменной лестницы играет ребенок. Ступеньки высоки, и ребенок не может перебраться со своей ступеньки на следующую. Ему очень хочется посмотреть, что там делается; время от времени он
пытается схватиться за край ступеньки и вскарабкаться на нее, но это ему не
удается... Проходят годы. Ребенок растет и в один прекрасный день вдруг оказывается способным преодолеть это препятствие. Он забирается на манившую
его ступеньку и видит, что выше есть еще одна ступенька, на которую он теперь тоже может залезть. Так, преодолевая ступеньку за ступенькой, он поднимается все выше и выше. Пока он не умел перебраться с одной ступеньки на
другую, ему не удавалось подняться ни на сантиметр, но едва он научился этому, ему стала доступной не только следующая ступенька, но и вся лестница.
Этот эффект мы назовем эффектом лестницы. Схематически он изображен на
рис. 5.1.
251
Рис. 5.1. Эффект лестницы
Эффект лестницы лежит в основе многих явлений перехода малых количественных изменений в большие качественные. Возьмем, например, классическую иллюстрацию гегелевского закона перехода количества в качество — кристаллизацию жидкости при опускании температуры ниже точки плавления.
Способность молекулы, колеблющейся вблизи определенного положения равновесия, удержать несколько соседних молекул вблизи определенных положений равновесия является как раз «способностью перехода на следующую ступеньку». Когда в результате понижения температуры (уменьшая амплитуды колебаний) такая способность появляется, начинается процесс кристаллизации, и
шаг за шагом (ступенька за ступенькой) происходит упорядочивание расположения молекул. Другой известный пример — цепная реакция. Здесь переход на
следующую ступеньку — самовоспроизведение реагентов в результате реакции. В физических системах, где все соотношения, важные для поведения системы в целом, имеют статистический характер, эффект лестницы также проявляется статистически; критерий возможности перехода на следующую ступеньку является количественным и статистическим. Эффект лестницы в этом случае
можно отождествлять с цепной реакцией, если понимать последний термин в
самом полном смысле.
5.3. МАСШТАБ МЕТАСИСТЕМНОГО ПЕРЕХОДА
Нас больше интересует случай, когда переход на следующую ступеньку
является качественным, а именно метасистемным переходом. Чтобы в этом
случае мог иметь место эффект лестницы, необходимо, очевидно, чтобы система X, претерпевающая метасистемный переход (рис. 5.2), сама оставалась бы
подсистемой какой-то более обширной системы Y, в рамках которой обеспечиваются и поддерживаются условия для многократного перехода «со ступеньки
на ступеньку» — метасистемного перехода над подсистемой X. Такую систему
Y мы называем ультраметасистемой по отношению к ряду X, X', X'',... и т. д.
Рассмотрим подробнее вопрос о связи между метасистемным переходом и от252
ношением система — подсистема.
Рис. 5.2. Эффект лестницы в рамках ультраметасистемы Y. Стрелки указывают изменения, происходящие со временем
Мы уже встречались с метасистемными переходами различной масштабности. Метасистемные переходы в структуре мозга совершаются в рамках организма, они не затрагивают организма в целом. Социальная интеграция — это
метасистемный переход по отношению к организму в целом, но она не выводит
человечество за пределы биогеоценоза — системы взаимодействующих живых
существ в масштабе Земного шара. Всегда существует система Y, которая
включает данную систему Х в качестве своей подсистемы. Единственным исключением, быть может, является Космос в целом — система Z, которая по
определению не входит в состав никакой другой системы. Мы говорим «быть
может» потому, что не знаем, можно ли рассматривать Космос как систему в
том же смысле, как заведомо конечные системы.
Рис. 5.3. Метасистемный переход W → W' в рамках системы Х
Теперь обратим наш взгляд в противоположном направлении — от большого к малому, от целого к части. Что происходит с системой X, когда она эволюционирует, не претерпевая метасистемного перехода? Допустим, что некая
253
подсистема W системы Х совершает метасистемный переход (рис. 5.3). Это
значит, что вместо W появляется система W', которая по отношению к W является метасистемой и содержит целый ряд подсистем типа W, но по отношению
к Х является подсистемой, аналогичной W, и выполняет те же функции в Х, которые прежде выполняла W, только, вероятно, лучше. В зависимости от роли
подсистемы W в системе Х замена W на W' будет иметь для Х большее или
меньшее значение. Разбирая этапы эволюции живых существ кибернетического
периода, мы на место Х подставляли организм в целом, а на место W — высший этаж управления организмом.
Рис. 5.4. Метасистемный переход на одном из низших уровней организации
Поэтому и метасистемный переход W → W' имел первостепенное значение
для X. Однако метасистемный переход может произойти где-то «в провинции»,
на одном из низших уровней организации (рис. 5.3). Пусть W — одна из подсистем X, V — одна из подсистем W, U — одна из подсистем V. Метасистемный
переход U → U' может сильно улучшить функционирование V, а, следовательно, и функционирование W, хотя уже в меньшей степени, и, наконец, еще в
меньшей степени → функционирование X. Итак, эволюционные сдвиги в X,
даже не очень значительные, могут быть вызваны метасистемным переходом
только на одном из низших уровней структуры.
Эти наблюдения дают новый материал для оценки количественных и качественных изменений в процессе развития. Если система Х содержит однородные подсистемы W и число этих подсистем увеличивается, мы называем такое
изменение количественным. Метасистемный переход мы, без сомнения, относим к качественным изменениям. Можно предположить, что всякое качественное изменение вызывает метасистемный переход на том или ином уровне
структуры системы. Учитывая описанную выше механику эволюции (редупликация системы плюс метод проб и ошибок), это предположение 4 представляет254
ся весьма вероятным.
5. ОРУДИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОРУДИЙ
Вернемся к материальной культуре и эффекту лестницы. Предметы и орудия труда являются частями, подсистемами той системы, которую мы назвали
выше «сверхсуществом», возникающим благодаря развитию человеческого
общества. Теперь мы будем называть это сверхсущество просто культурой, понимая под этим как ее физическое «тело», так и способ функционирования
(«физиологию») в зависимости от контекста. Итак, предметы и орудия труда →
подсистемы культуры. Они могут обладать своей собственной сложной структурой и входить в соответствии со способом их использования в состав наиболее крупных подсистем культуры, также обладающих внутренней структурой.
В частности, само членение материальных подсистем на предметы труда и
орудия труда имеет глубокий смысл и отражает структуру производства. Когда
к предметам определенного класса A человек применяет орудие B, то это орудие вместе с предметами A образует уже метасистему по отношению к подсистемам A. Действительно, подсистема B непосредственно действует на подсистемы A и для этой цели специально и создается. (Конечно, это воздействие
происходит не без участия человеческой руки и мозга, которые входят в состав
всякой производственной системы.) Итак, появление орудия для обработки каких-то предметов, которые ранее не обрабатывались, есть метасистемный переход в рамках системы производства. Как мы видели, умение создавать орудия
— одно из первых следствий очеловечивания. И, поскольку человек остается
постоянной движущей силой производственной системы, метасистемный переход от предмета труда к орудию труда может повторяться сколько угодно раз.
Создав орудие B для обработки предметов класса A, человек начинает думать,
как бы его усовершенствовать, и изготовляет орудие C для изготовления орудий класса B. На этом он, конечно, не останавливается и изобретает орудие D
для улучшения орудий класса C. И так далее. Орудие труда неизменно превращается в предмет труда. Это — эффект лестницы. Важно освоить сам принцип
изготовления орудий — научиться залезать на ступеньку. Дальше все пойдет
само собой: система производства становится ультраметасистемой, способной к
развитию. Плод этого процесса — современная промышленность, сложившаяся
многоуровневая система, которая использует природные материалы, и шаг за
шагом превращает их в свое «тело» — сооружения, машины, приборы подобно
тому, как живой организм усваивает съеденную пищу.
5.5. НИЖНИЙ ПАЛЕОЛИТ
Сделаем общий рисунок развития материальной культуры. Историю культуры до появления выплавки металлов делят на две эпохи: палеолит (древний
каменный век) и неолит (новый каменный век). В каждой эпохе выделяют отдельные культуры, различающиеся географическим районом и временем, когда
они существовали. Культурам, обнаруженным благодаря археологическим рас255
копкам, были присвоены названия, производные от названий тех мест, где они
были обнаружены впервые.
Следы палеолитических культур найдены во многих районах Европы,
Азии и Африки. Они позволяют уверенно произвести периодизацию развития
культуры в палеолите, разбить палеолит на ряд стадий (эпох), имеющих универсальное значение для всех географических районов.
Древнейшая стадия — это так называемая шелльская культура, за ней следует ашельская, а за ней — мустьерская культура. Эти три стадии объединяются под общим названием нижнего (или раннего) палеолита. Начало нижнего палеолита относят ко времени порядка 700 тысяч лет тому назад, конец (поздняя
мустьерская культура) — около 40 тысяч лет назад.
Шелльская и ашельская культуры знают лишь один вид каменного орудия
— рубило. Шелльское рубило весьма примитивно — это грубо обитый с двух
сторон камень, напоминающий по форме современный колун и примерно такого же размера. Типичное ашельское рубило меньше по размерам и гораздо
лучше отделано, оно имеет тщательно заостренные края. Кроме того, на ашельских стоянках уже находят следы использования огня.
Орудия мустьерской культуры обнаруживают явную дифференциацию,
здесь мы различаем по крайней мере два несомненно отличных типа каменных
орудий: остроконечники и скребла. Техника обработки камня в мустьерский
период существенно выше, чем в ашельский. Появляются предметы из кости и
рога. Огонь употребляется повсеместно. Умели ли мустьерцы добывать огонь, в
точности неизвестно, но очевидно, они умели его сохранять.
Человек нижнего палеолита — это еще в биологическом отношении не современный человек. Шелльская и ашельская культуры принадлежат людям
(или полулюдям?) типа питекантропа и синантропа. Мустье — культура неандертальцев. В нижнем палеолите развитие техники изготовления орудий (не
только из камня, но также из дерева и других материалов, которые не сохранились до нашего времени) шло параллельно с развитием физических и умственных способностей человека, его эволюцией как вида. Увеличение объема мозга
— самое убедительное свидетельство этой эволюции. Следующая табличка показывает вместимость черепной коробки у ископаемых людей, а также у современных человекообразных обезьян и человека (в см3)
600 –
Горилла
685
Питекантроп
Синантроп
Неандерталец
256
800 –
900
1000 –
1100
1100 –
1600
Современный
человек
1200 –
1700
Заметим, что хотя мозг неандертальца по общему объему не намного уступает мозгу современного человека, он имеет существенно меньшие лобные доли, которые играют главную роль в мышлении. Лобные доли мозга являются,
по-видимому, основным хранилищем «произвольных» ассоциаций.
5.6. ВЕРХНИЙ ПАЛЕОЛИТ
На рубеже между нижним и верхним палеолитом (приблизительно 40 тыс.
лет назад) процесс становления человека завершается. Человек верхнего палеолита — это биологически вполне современный человек: homo sapiens. С этого
момента всю свою «эволюционную энергию» природа будет вкладывать не в
биологию человеческой особи, а в культуру человеческого общества.
В верхнем палеолите различают три культуры: ориньякскую, солютрейскую и мадленскую. Первые две близки между собой, и их объединяют в одну
культурную эпоху: ориньяко-солютрейскую. Начало этой эпохи совпадает по
времени с концом мустьерской эпохи. Найдено несколько стоянок, на которых
встречаются кости как неандертальцев, так и людей современного типа. Отсюда
следует, что последнее эволюционное изменение, завершившее формирование
человека, было весьма существенным, и новые люди быстро вытеснили неандертальцев.
Техника обработки камня сильно продвинулась вперед в ориньякосолютрейскую эпоху по сравнению с мустьерской эпохой. Мы встречаем здесь
разнообразные орудия и оружие: ножик, копье, дротик, резцы, скребки, шило.
Широко используются кость и рог. Возникает шитье, о чем свидетельствуют
находки иголок. В одном из памятников солютрейской культуры найден футляр
из птичьей кости, содержащий целый набор костяных игл. Там же был найден и
костяной рыболовный крючок. В мадленскую эпоху (около 15 тыс. лет назад)
уже появляются копьеметалка и гарпун. Замечательным отличием верхнего палеолита от нижнего является возникновение изобразительного искусства. В
ориньяко-солютрейскую эпоху появляется наскальная живопись, в мадленскую
эпоху она достигает расцвета. Обнаружено большое число изображений (главным образом животных), которые поражают и современного зрителя своей выразительностью, лаконичностью и точностью передачи натуры. Появляются
также скульптурные изображения и предметы, служащие для украшения. В вопросе о происхождении искусства есть две точки зрения: первая выводит искусство из магических обрядов, вторая — из эстетических и познавательных
целей. Однако если учесть характер первобытного мышления (о чем мы подробно будем говорить ниже), то различие между этими двумя источниками
оказывается несущественным.
С точки зрения на материальное производство как на систему, решающим
отличием верхнего палеолита от нижнего является появление составных ору257
дий, например копья с каменным наконечником. Это можно рассматривать как
метасистемный переход, ибо изготовление составного орудия (оружия) есть создание системы из подсистем, которые до сих пор мыслились изготовителем
как нечто самостоятельное (наконечник — колющее каменное орудие, бревно
— палка или деревянное копье). Что это не такой простой переход, можно видеть из того факта, что в историческое время существовал народ — коренные
жители острова Тасмании, который не знал составных орудий.
Сейчас тасманийцев как этнической группы не существует. Последняя чистокровная тасманийка умерла в 1877 г. Сведения, сохранившиеся о культуре
тасманийцев, недостаточны и иногда противоречивы. Тем не менее, их с уверенностью можно считать самой отсталой группой человечества из всех известных этнографии. Здесь сыграла роль их изолированность от остальной части человечества (ближайшие соседи тасманийцев — австралийские аборигены
были почти столь же отсталыми) и бедная природа острова, в частности отсутствие животных, крупнее кенгуру. С учетом различий в природных условиях
культуру тасманийцев можно сопоставить с ориньяко-солютрейской культурой
на ее ранних стадиях. Тасманийцы имели следующие орудия и оружие: каменное ручное рубило, остроконечник, режущее каменное орудие неопределенной
формы, деревянную дубину (двух типов: ручную и метательную), деревянное
копье, палку для выкапывания съедобных корней и деревянную лопатку для
отрывания моллюсков от скал. Кроме того, они умели плести веревки и сумки
(корзины) из травы или волоса. Огонь добывали с помощью трения. Изготовлять составных орудий, например придавать рабочей каменной части рукоятку
из дерева, они, повторяем, не умели.
5.7. НЕОЛИТИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
В отличие от палеолитических культур неолитические культуры (известные как по археологическим, так и по этнографическим данным) отличаются
большим разнообразием, специфичностью и локальностью. По технике производства орудий неолит представляет собой развитие качественного скачка (метасистемного перехода), сделанного в позднем палеолите: составные орудия,
изготовляемые с помощью других орудий. На этом пути человечество совершает ряд выдающихся достижений, из которых самым замечательным является,
по-видимому, изобретение лука. Большие перемены происходят также в одежде
и устройстве жилищ.
Хотя в отношении изготовления орудий неолит не может похвастать крупномасштабным метасистемным переходом, в этот период все же происходит
метасистемный переход огромной важности. Он затрагивает не орудия как таковые, а способ добывания пищи в целом (а, следовательно, опосредованно и
орудия). Это переход от охоты и собирательства к скотоводству и земледелию.
Его называют иногда неолитической революцией. Животные и растительный
мир, которые до этого служили лишь сугубо внешним, не контролируемым источником пиши, становятся теперь (в определенной своей части, которая
258
непрерывно увеличивается) объектом активного воздействия и управления со
стороны человека. Мы имеем дело, таким образом, с типичным метасистемным
переходом. Возникновение земледелия и скотоводства археологи относят ко
времени около 7 тыс. лет назад (VI–V тысячелетие до н. э.), подчеркивая приблизительность этой даты. Из злаковых культур наиболее древними являются
пшеница, просо, ячмень, рис. Позже появились рожь и овес. Первым домашним
животным стала собака. Ее одомашнивание относится к раннему неолиту, еще
до возникновения земледелия. С переходом к земледелию люди одомашнили
свинью, овцу, козу, корову. Позже, уже в век металла, появились домашние
лошадь и верблюд.
5.8. ВЕК МЕТАЛЛА
Век металла — следующая за неолитом страница истории человеческой
культуры. Переход к выплавке металла знаменует собой метасистемный переход в системе производства. Если раньше материал, из которого делается орудие, — дерево, камень, кость и т. п. — являлся чем-то данным, готовым, то теперь возникает процесс — выплавка металла, направленный не на изготовление
орудия, а на изготовление материала для орудия. Благодаря этому люди получают новые материалы с нужными для них свойствами, которых нет в природе.
Сначала это бронза, затем железо, различные сорта стали, стекло, бумага, резина. С точки зрения структуры производства век металла следовало бы назвать
веком материала. Такие ремесла, как выделка кожи и гончарство, возникшие
раньше выплавки металлов, нужно рассматривать, строго говоря, как начало
метасистемного перехода к веку материала. Однако в каждом метасистемном
переходе есть решающая фаза, когда преимущества создания нового уровня в
системе становятся очевидными и бесспорными. Для века материала такой фазой послужила выплавка металлов, особенно железа.
Древнейшие следы бронзы в Месопотамии и Египте относятся к IV тысячелетию до н. э. Начало выплавки рудного железа относят к 1300 г. до н. э.
5.9. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РЕВОЛЮЦИИ
Следующий качественный скачок в системе производства — использование новых источников энергии, кроме мускульной энергии человека и животных. Это, конечно, тоже метасистемный переход, ибо возникает новый уровень
системы — уровень двигателей, управляющий перемещением рабочих частей
машины. Происходит первая промышленная революция (XVIII в. н. э.), радикально меняющая весь облик производства. Лейтмотивом технического прогресса становится совершенствование двигателей. Сначала это паровая машина,
затем двигатель внутреннего сгорания, затем электромотор. Вслед за веком материала наступает век энергии. Наконец, наше время является свидетелем еще
одного метасистемного перехода в структуре производства. Возникает новый
уровень — уровень управления двигателями. Начинается вторая промышленная
революция, которая, очевидно, в еще большей степени, чем первая, повлияет на
259
общий облик системы производства. Век энергии сменяется веком информации. Автоматизация производственных процессов, внедрение в народное хозяйство вычислительных машин приводят к еще более быстрому, чем прежде,
росту производительности труда и придают системе производства характер автономной самоуправляющейся системы.
5.10. КВАНТ РАЗВИТИЯ
Давно подмечено сходство между последовательными этапами развития
техники и функциями биологических объектов. Производство технических материалов можно сопоставить образованию и росту живой ткани. Использование
двигателей соответствует работе мышц. Автоматическое управление и передача
информации соответствуют функционированию нервной системы. Эта параллель существует, несмотря на коренное различие в природе биологических и
технических систем и совершенно различные причины, вызывающие их развитие. Тем не менее сходство в стадиях развития отнюдь не является случайным.
Оно вытекает из наличия у всех процессов развития одной обшей черты: развитие всегда происходит путем последовательных метасистемных переходов. Метасистемный переход — это, если угодно, элементарная единица, универсальный квант развития. Поэтому нет ничего удивительного, что, сопоставив
начальные стадии развития двух разных систем, например технический материал и живую ткань, мы получаем естественное сопоставление следующих стадий, которые образуются накоплением этих универсальных квантов.
Глава 13. Наука и метанаука
13.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА
На рубеже XVI и XVII столетий, когда закладывались основы новой математики, были заложены также основы экспериментальной физики. Ведущая
роль принадлежит здесь Галилею (1564–1642), который не только сделал многочисленные открытия, составившие эпоху, но в своих книгах, письмах и беседах учил современников новому методу получения знаний. Воздействие Галилея на умы было огромно. Другим человеком, сыгравшим важную роль в становлении экспериментальной науки, был Френсис Бэкон (1561–1626), выступивший с философским анализом научного знания и метода индукции.
В отличие от древних греков европейские ученые отнюдь не относились с
презрением к эмпирическому знанию и практической деятельности. В то же
время они полностью овладели теоретическим наследием греков и уже вступили на путь собственных открытий. Сочетание этих аспектов и породило новый
метод. Бэкон пишет:
«Те, кто занимались науками, были или эмпириками, или догматиками.
Первые, подобно муравью, только собирают и пользуются собранным. Вторые,
260
подобно пауку, из самих себя создают ткань. Пчела же избирает средний способ, она извлекает материал из цветов сада и поля, но располагает и изменяет
его собственным умением. Не отличается от этого и подлинное дело философии. Ибо она не основывается исключительно или преимущественно на силах
ума и не откладывает в сознание нетронутым материал, извлекаемый из естественной истории и из механических опытов, но изменяет его и перерабатывает
в разуме. Итак, следует возложить добрую надежду на более тесный и нерушимый (чего до сих пор не было) союз этих способностей опыта и рассудка ».[1]
13.2. НАУЧНЫЙ МЕТОД
Понятие эксперимента предполагает наличие теории. Без теории эксперимента нет, есть только наблюдение. С кибернетической (системной) точки зрения эксперимент — это управляемое наблюдение; управляющей системой является научный метод, который, опираясь на теорию, диктует постановку эксперимента. Таким образом, переход от простого наблюдения к эксперименту
есть метасистемный переход в сфере опыта, и это первый аспект возникновения
научного метода; второй его аспект — осознание научного метода как чего-то,
стоящего над теорией, иначе говоря, овладение общим принципом описания
действительности с помощью формализованного языка, о чем мы говорили в
предыдущей главе. В целом возникновение научного метода — это единый метасистемный переход, который создает новый уровень управления, включающий управление наблюдением (постановка эксперимента) и управление языком
(разработка теории). Новая метасистема — это и есть наука в современном
смысле слова. В рамках этой метасистемы между экспериментом и теорией
устанавливаются тесные связи — прямые и обратные. Бэкон описывает их так:
«Наш путь и наш метод... состоят в следующем: мы извлекаем не практику
из практики и опыт из опыта (как эмпирики), но причины и аксиомы из практики и опытов, а из причин и аксиом — снова практику и опыт, как истинные Истолкователи Природы [2].
Теперь мы можем дать окончательный ответ на вопрос, что же произошло
в Европе в начале XVII в.: произошел крупнейший метасистемный переход, захвативший как языковую, так и неязыковую деятельность. В сфере неязыковой
деятельности он предстал в виде экспериментального метода. В сфере языковой
деятельности он дал начало новой математике, которая развивается путем метасистемных переходов (эффект лестницы) по линии все углубляющегося самоосознания в качестве формализованного языка, служащего для создания моделей действительности. Этот процесс мы описали в предыдущей главе, не выходя за пределы математики. Теперь мы можем завершить его описание указанием на ту систему, в рамках которой этот процесс становится возможным. Эта
система — наука в целом с научным методом в качестве управляющего устройства, т. е. (расшифровывая эту краткую форму выражения) совокупность всех
человеческих существ, занимающихся наукой и овладевших научным методом,
вместе со всеми используемыми ими предметами. В главе 5, говоря об эффекте
261
лестницы, мы обращали внимание, что он проявляется в том случае, когда существует метасистема Y, которая продолжает оставаться метасистемой по отношению к системам ряда X, X', X'', ..., где каждая следующая система образуется путем метасистемного перехода от предыдущей, и которая, оставаясь метасистемой, как раз и обеспечивает возможность метасистемных переходов
меньшего масштаба от Х к X', от X' к X'' и т. д. Такая система Y обладает внутренним потенциалом развития; мы назвали ее ультраметасистемой. При развитии материального производства ультраметасистемой Y является совокупность
человеческих существ, обладающих способностью превращать орудие труда в
предмет труда. При развитии точных наук ультраметасистемой Y является совокупность людей, овладевших научным методом, т. е. обладающих способностью создавать модели действительности с помощью формализованного языка.
Мы видели, что у Декарта научный метод, взятый в его языковом аспекте,
послужил рычагом для реформы математики. Но Декарт не только реформировал математику; развивая тот же аспект того же научного метода, он создал
множество теоретических моделей, или гипотез, для объяснения физических,
космических и биологических явлений. Если Галилея можно назвать основоположником экспериментальной физики, а Бэкона — ее идеологом, то Декарт —
и основоположник, и идеолог теоретической физики. Правда, модели Декарта
были чисто механическими (других моделей тогда и не могло быть) и несовершенными, большая часть вскоре устарела. Однако это не так важно, как важно
то, что Декарт утвердил принцип построения теоретических моделей. В XIX в.,
когда были накоплены первоначальные познания в физике и усовершенствован
математический аппарат, этот принцип показал всю свою плодотворность.
Мы не сможем здесь даже в беглом обзоре коснуться эволюции идей физики и ее достижений, так же как идей и достижений других естественных наук.
Мы остановимся на двух аспектах научного метода, имеющих универсальное
значение, а именно на роли общих принципов в науке и на критериях выбора
научных теорий, а затем рассмотрим некоторые следствия достижений новейшей физики ввиду их важного значения для всей системы науки и мировоззрения вообще. В заключение этой главы мы обсудим некоторые перспективы развития научного метода.
13.3. РОЛЬ ОБЩИХ ПРИНЦИПОВ
Бэкон выдвинул программу постепенного введения теоретических положений («причин и аксиом») все большей и большей общности, начиная с эмпирических единичных данных. Этот процесс он назвал индукцией (т. е. введением) в отличие от дедукции (выведения) теоретических положений меньшей
общности из положений большей общности (принципов). Бэкон был большим
противником общих принципов, он говорил, что разум нуждается не в крыльях,
которые поднимали бы его ввысь, а в свинце, который притягивал бы его к земле. В период «первоначального накопления» опытных фактов и простейших
эмпирических закономерностей, а также в качестве противовеса средневековой
262
схоластике эта концепция еще имела некоторое оправдание, но в дальнейшем
оказалось, что крылья разуму все-таки нужнее свинца. Во всяком случае, так
обстоит дело в теоретической физике. В подтверждение предоставим слово такому несомненному авторитету в этой области, как Альберт Эйнштейн. В статье «Принципы теоретической физики» [3] он пишет:
«Для применения своего метода теоретик в качестве фундамента нуждается в некоторых общих предположениях, так называемых принципах, исходя из
которых он может вывести следствия. Его деятельность, таким образом, разбивается на два этапа. Во-первых, ему необходимо отыскать принципы, вовторых, развивать вытекающие из этих принципов следствия. Для выполнения
второй задачи он основательно вооружен еще со школы. Следовательно, если
для некоторой области, т. е. совокупности взаимозависимостей, первая задача
решена, то следствия не заставят себя ждать. Совершенно иного рода первая из
названных задач, т. е. установление принципов, могущих служить основой для
дедукции. Здесь не существует метода, который можно было бы выучить и систематически применять для достижения цели. Исследователь должен, скорее,
выведать у природы четко формулируемые общие принципы, отражающие
определенные общие черты множества экспериментально установленных фактов».
В другой статье («Физика и реальность») Эйнштейн высказывается весьма
категорически:
«Физика представляет собой развивающуюся логическую систему мышления, основы которой можно получить не выделением их какими-либо индуктивными методами из пережитых опытов, а лишь свободным вымыслом»[3].
Слова о «свободном вымысле» означают, конечно, не то, что общие принципы совершенно не зависят от опыта, а то, что они не определяются опытом
однозначно. Пример, который Эйнштейн часто приводит, таков. Небесная механика Ньютона и общая теория относительности Эйнштейна построены на одних и тех же опытных фактах. Однако они исходят из совершенно различных, в
некотором смысле даже диаметрально противоположных общих принципов,
что проявляется и в различном математическом аппарате.
Пока «этажность» здания теоретической физики была невелика, и следствия из общих принципов выводились легко и однозначно, люди не осознавали, что при установлении принципов они имеют определенную свободу. В методе проб и ошибок расстояние между пробой и ошибкой (или успехом) было
так невелико, что они не замечали, что пользуются методом проб и ошибок, а
полагали, что непосредственно выводят (хотя это и называлось не дедукцией, а
индукцией) принципы из опыта. Эйнштейн пишет:
«Ньютон, творец первой обширной плодотворной системы теоретической
физики, еще думал, что основные понятия и принципы его теории вытекают из
263
опыта. Очевидно, именно в таком смысле нужно понимать его изречение
«hypotheses non fingo» (гипотез не сочиняю).
Но со временем теоретическая физика превратилась в многоэтажную конструкцию, и вывод следствий из общих принципов стал делом сложным и не
всегда однозначным, ибо часто оказывалось необходимым делать в процессе
дедукции дополнительные предположения, чаще всего «непринципиальные»
упрощения, без которых невозможно было бы довести расчет до числа. Тогда
стало ясно, что между общими принципами теории и фактами, допускающими
непосредственную проверку на опыте, существует глубокое различие: первые
суть свободные конструкции человеческого разума, вторые — исходный материал, который разум получает от природы. Правда, переоценивать глубину этого различия все-таки не следует. Если отвлечься от человеческих дел и стремлений, то окажется, что различие между теориями и фактами исчезает, — и те и
другие являются некоторыми отражениями или моделями действительности
вне человека. Различие заключается в уровне, на котором происходит овеществление модели. Факты, если они полностью «деидеологизированы», определяются воздействием внешнего мира на нервную систему человека, которую
мы вынуждены рассматривать (пока) как не допускающую переделки, поэтому
мы и относимся к фактам как к первичной реальности. Теории — это модели,
овеществленные в языковых объектах, которые целиком в нашей власти, поэтому мы можем отбросить одну теорию и заменить ее другой с такой же легкостью, как заменяем устаревший инструмент на более совершенный.
Возрастание абстрактности (конструктности) общих принципов физических теорий, их отдаление от непосредственных опытных фактов приводит к
тому, что в методе проб и ошибок все труднее становится найти пробу, имеющую шансы на успех. Разум начинает просто нуждаться в крыльях для воспарения, о чем и говорит Эйнштейн. С другой стороны, увеличение дистанции от
общих принципов до проверяемых следствий делает общие принципы в известных пределах неуязвимыми для опыта, на что также часто указывали классики
новейшей физики. Обнаружив расхождение между следствиями теории и экспериментом, исследователь оказывается перед альтернативой: искать причины
расхождения в общих принципах теории или же где-то на пути от принципов к
конкретным следствиям. Вследствие дороговизны общих принципов и больших
затрат, необходимых для перестройки теории в целом, сначала всегда пробуют
второй путь. Если удается достаточно изящным способом модифицировать вывод следствий из общих принципов так, что они согласуются с экспериментом,
то все успокаиваются и проблема считается решенной. Но иногда модификация
выглядит явно, как грубая заплата, а порой заплаты наслаиваются друг на друга
и теория начинает трещать по всем швам; тем не менее, ее выводы согласуются
с данными опыта и она продолжает сохранять свою предсказательную силу.
Тогда возникают вопросы: как следует относиться к общим принципам такой
теории? Надо ли стремиться заменить их какими-то другими принципами? При
какой степени «залатанности» имеет смысл отбрасывать старую теорию?
264
13.4. КРИТЕРИИ ВЫБОРА ТЕОРИЙ
Прежде всего, заметим, что ясное осознание научных теорий как языковых
моделей действительности значительно снижает остроту конкуренции между
научными теориями по сравнению с наивной точкой зрения (родственной платонизму), согласно которой языковые объекты теории лишь выражают какуюто реальность и поэтому каждая теория либо «на самом деле» истинна, если эта
реальность «на самом деле» существует, либо «на самом деле» ложна, если эта
реальность вымышленная. Эта точка зрения порождена перенесением положения, которое имеет место для языка конкретных фактов, на язык понятийконструктов. Когда мы сравниваем два конкурирующих утверждения: «в этом
стакане — чистый спирт» и «в этом стакане — чистая вода», мы знаем, что эти
утверждения допускают опытную проверку и то из них, которое не подтвердилось, теряет всякий модельный смысл, всякую долю истинности; оно на самом
деле ложное и только ложное. Совсем иначе обстоит дело с утверждениями,
выражающими общие принципы научных теорий. Из них выводится множество
проверяемых следствий, и если некоторые из них оказываются ложными, то
обычно говорят, что к данной сфере опыта исходные принципы (или способы
вывода следствий) неприменимы; обычно удается установить и формальные
критерии применимости. Поэтому общие принципы в некотором смысле «всегда истинны», точное понятие истинности и ложности неприменимы к ним, а
применимо лишь понятие о большей или меньшей их полезности для описания
действительных фактов. Подобно аксиомам математики, общие принципы физики — это абстрактные формы, в которые мы стремимся втиснуть природные
явления. Конкурирующие принципы отличаются тем, насколько хорошо они
это позволяют сделать.
Но что значит хорошо?
Если теория — это модель действительности, то, очевидно, она тем лучше,
чем шире область ее применимости и чем больше предсказаний она может сделать. Это и есть первый критерий для сравнения теорий — критерий общности
и предсказательной силы теории.
Далее, поскольку теории — это модели, рассчитанные на использование
людьми, они, очевидно, тем лучше, чем проще в употреблении. Это второй
критерий — критерий простоты теории.
Эти критерии довольно очевидны. Если рассматривать научные теории как
нечто стабильное, не подверженное развитию и улучшению, то, пожалуй, трудно было бы выдвинуть в дополнение к этим критериям какие-либо еще. Но человечество непрерывно развивает и улучшает свои теории и это порождает еще
один критерий — динамический, который и оказывается решающим. Об этом
критерии хорошо сказано Филиппом Франком в книге «Философия науки», и
мы приведем его слова:
265
«Если мы посмотрим, какие теории действительно предпочитались из-за
их простоты, то найдем, что решающим основанием для признания той или
иной теории было не экономическое и не эстетическое, а скорее то, которое часто называлось динамическим. Это значит, что предпочиталась та теория, которая делала науку более динамичной, т. е. более пригодной для экспансии в область неизвестного. Это можно уяснить с помощью примера, к которому мы часто обращались в этой книге: борьба между коперниковской и птолемеевской
системами. В период между Коперником и Ньютоном очень много оснований
приводилось в пользу как одной, так и другой системы. В конце концов, однако, Ньютон выдвинул теорию движения, которая блестяще объясняла все движения небесных тел (например, комет), в то время как Коперник, так же как и
Птолемей, объяснял только движения в нашей планетной системе... Однако законы Ньютона основывались на обобщении коперниковской теории, и мы вряд
ли можем представить себе, как они могли бы быть сформулированы, если бы
он исходил из птолемеевской системы. В этом, как и во многих других отношениях, теория Коперника была более «динамичной», т. е. имела большее эвристическое значение. Можно сказать, что теория Коперника была математически
более «простой» и более динамичной, чем теория Птолемея [4]».
Эстетический критерий, или критерий красоты теории, о котором упоминает Франк, трудно защищать как самостоятельный, независимый от других
критериев. Однако он приобретает большое значение как интуитивный синтез
всех указанных критериев. Теория представляется ученому красивой, если она
достаточно обща и проста и он предчувствует, что она окажется динамичной.
Конечно, он может при этом и ошибиться.
13.5. ФИЗИКА МИКРОМИРА
В физике, как и в чистой математике, по мере возрастания абстрактности
теорий укоренялось понимание их языкового характера. Решающий толчок этот
процесс получил после того, как в начале XX в. физика вторглась в пределы
мира атомов и элементарных частиц и были созданы теория относительности и
квантовая механика. Особенно большую роль сыграла квантовая механика. Эту
теорию вообще невозможно понять, если не напоминать себе постоянно, что
она представляет собой лишь языковую модель микромира, а не изображение
того, как он выглядел бы «на самом деле», если бы можно было бы увидеть в
микроскоп с чудовищным увеличением, и что такого изображения нет и быть
не может. Поэтому представление о теории как о языковой модели действительности стало составной частью современной физики, стало необходимым
физикам для успешной работы. В результате среди физиков стало меняться и
внутреннее отношение к характеру своей деятельности. Если раньше физиктеоретик ощущал себя открывателем чего-то существовавшего до него и независимо от него, подобно мореплавателю, открывающему новые земли, то сейчас он ощущает себя, скорее, создателем чего-то нового, подобно мастеру, искусно владеющему своей профессией и создающему новые здания, машины,
инструменты. Это изменение проявилось даже в оборотах речи. О Ньютоне го266
ворят по традиции, что он «открыл» исчисление бесконечно малых и небесную
механику; о современном ученом скажут, что он «создал», или «предложил»,
или «разработал» новую теорию; выражение «открыл» прозвучит архаично.
Это, конечно, нисколько не ущемляет достоинства теоретиков, ибо созидание –
занятие не менее почетное и вдохновляющее, чем открытие.
Почему же квантовая механика потребовала осознания «языковости» теорий?
Согласно первоначальной атомистической концепции атомы представлялись просто очень маленькими частицами вещества, маленькими тельцами,
имеющими, в частности, определенную форму и цвет, от которых зависят физические свойства и цвет больших скоплений атомов. Атомная физика начала
XX в. перенесла понятие атома («неделимый») на элементарные частицы —
электроны и протоны (к которым вскоре добавился нейтрон), а слово «атом»
стало обозначать конструкцию, состоящую из атомного ядра (оно, по первоначальной гипотезе, являлось скоплением протонов и электронов), вокруг которого вращаются электроны, как планеты вокруг Солнца. Такое представление о
строении вещества считалось гипотетическим, но чрезвычайно правдоподобным. Сама гипотетичность понималась в том смысле, о котором мы говорили
выше: планетарная модель атома должна быть либо истинной, либо ложной.
Если она истинна (а в этом почти не было сомнений), то электроны — это «на
самом деле» маленькие частички вещества, которые описывают определенные
траектории вокруг ядра. Правда, по сравнению с атомами древних элементарные частицы уже стали утрачивать некоторые, казалось бы, совершенно необходимые для частиц вещества свойства. Стало ясно, что понятие цвета совершенно неприменимо к электронам и протонам; не то, чтобы мы не знали, какого они цвета, а просто вопрос этот не имеет смысла, ибо цвет есть результат
взаимодействия со светом по крайней мере атома в целом, а точнее — скопления многих атомов. Возникали также сомнения относительно понятий о форме
и размерах электронов. Но святая святых представления о материальной частице — наличие у частицы в каждый момент времени определенного положения в
пространстве — оставалось несомненным и само собой разумеющимся.
13.6. СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ
Квантовая механика разрушила это представление. Она была вынуждена
это сделать под напором новых экспериментальных данных. Оказалось, что
элементарные частицы ведут себя при определенных условиях не как частицы,
а как волны, но при этом они не «размазываются» по большой области пространства, а сохраняют свои малые размеры и свою дискретность, размазывается же лишь вероятность их обнаружения в той или иной точке пространства.
267
Рис. 13.1. Дифракция электронов
Рассмотрим в качестве иллюстрации рис. 13.1. На нем изображена электронная пушка, посылающая электроны определенного импульса на диафрагму,
за которой расположен экран. Диафрагма сделана из непрозрачного для электронов материала, но имеет два отверстия, через которые электроны и попадают на экран. Экран покрыт веществом, которое светится под действием электронов, так что в том месте, куда попал электрон, происходит вспышка. Поток
электронов из пушки достаточно редкий, так что каждый электрон проходит
через диафрагму и фиксируется на экране независимо от других. Расстояние
между отверстиями в диафрагме во много раз больше размеров электронов, полученных любыми оценками, но сравнимо по порядку с величиной h/p, где h —
константа Планка, а p — импульс электрона, т. е. произведение его скорости на
массу.
Таковы условия эксперимента. Результатом его является распределение
вспышек на экране. Первый вывод из анализа результатов эксперимента таков:
электроны попадают в различные точки экрана, и предсказать, в какую точку
попадет каждый электрон, невозможно, можно только предсказать вероятность
попадания в ту или иную точку, т. е. среднюю плотность вспышек после попадания в экран очень большого числа электронов.
Но это еще полбеды. Можно представить себе, что различные электроны
пролетают в разных местах отверстий в диафрагме, испытывают различной силы влияния со стороны краев отверстий и поэтому отклоняются по-разному.
Настоящие неприятности возникают тогда, когда мы начинаем исследовать
среднюю плотность вспышек на экране и сравнивать ее с теми результатами,
которые получаются, когда мы закрываем одно из отверстий в диафрагме. Если
электрон — это маленькая частица материи, то, попадая в район диафрагмы, он
либо поглощается, либо проходит через одно из двух отверстий. Так как отверстия диафрагмы расположены симметрично относительно электронной пушки,
в среднем половина электронов проходит через каждое отверстие. Значит, если
мы закроем одно из отверстий и пропустим через диафрагму миллион электронов, а затем закроем второе отверстие, но откроем первое и пропустим еще
268
миллион электронов, то мы должны получить такую же среднюю плотность
вспышек, как если бы мы пропустили через диафрагму с двумя отверстиями два
миллиона электронов. Но оказывается, что это не так! При двух отверстиях
распределение получается иным, оно содержит максимумы и минимумы, как
при дифракции волн.
Рассчитать среднюю плотность вспышек можно с помощью квантовой механики, связав с электронами так называемую волновую функцию, представляющую собой некое воображаемое поле, интенсивность которого пропорциональна вероятности наблюдаемых событий.
У нас отняло бы слишком много места описание всех попыток согласовать
представление об электроне как об «обычной» частице (такие частицы стали
называть классическими в отличие от квантовых) с экспериментальными данными об их поведении. Этому вопросу посвящена обширная литература, как
специальная, так и популярная. Все такие попытки оказались безуспешными.
Выяснились следующие две вещи.
Во-первых, если одновременно измеряется координата квантовой частицы
(любой, не обязательно электронов) по некоторой оси х и импульс в этом
направлении р, то ошибки измерения, которые мы обозначим через x; и p соответственно, подчиняются соотношению неопределенностей Гейзенберга:
∆x × ∆p ≥ h.
Никакими ухищрениями обойти это соотношение нельзя. Чем точнее мы
пытаемся измерить координаты, тем больше оказывается разброс по величине
импульса р, и наоборот. Соотношение неопределенностей есть универсальный
закон природы, но, так как постоянная Планка h весьма мала, при измерениях с
телами макроскопического размера оно роли не играет.
Во-вторых, представление о том, что на самом деле квантовые частицы
движутся по каким-то вполне определенным траекториям, т. е. в каждый момент времени на самом деле имеют вполне определенные координату и скорость (а значит, и импульс), которые мы просто не можем точно измерить,
наталкивается на непреодолимые логические трудности. Напротив, принципиальный отказ от приписывания квантовой частице реальной траектории и принятие положения, что самое полное описание состояния частиц — это задание
ее волновой функции, приводят к логически безупречной, а математически
простой и изящной теории, которая блестяще согласуется с экспериментальными фактами; в частности, из нее немедленно вытекает соотношение неопределенностей. Эта теория — квантовая механика. В уяснении физических и логических основ квантовой механики и в ее философском осмыслении главную
роль сыграла деятельность крупнейшего ученого-философа нашего времени
Нильса Бора (1885–1962).
269
13.7. НАГЛЯДНЫЕ И ЗНАКОВЫЕ МОДЕЛИ
Итак, у электрона не существует траектории. Самое большое, что можно
сказать об электроне, — это указать его волновую функцию, квадрат которой
даст нам вероятность обнаружения электрона вблизи той или иной точки пространства. В то же время мы говорим, что электрон — материальная частица
определенных (и очень маленьких) размеров. Смешение этих двух представлений, которого потребовали опытные факты, оказалось делом очень нелегким, и
до сих пор все еще находятся люди, которые отвергают обычную интерпретацию квантовой механики (принятую вслед за школой Бора подавляющим
большинством физиков) и желают во что бы то ни стало вернуть квантовым частицам их траекторию. Откуда же такая настойчивость? Ведь экспроприация у
электронов цвета прошла совершенно безболезненно, а с логической точки зрения признание неприменимости к электрону понятия траектории принципиально ничем не отличается от признания неприменимости понятия цвета. Различие
здесь в том, что при отказе от понятия цвета мы проявляем известную долю лицемерия. Мы говорим, что у электрона нет цвета, а сами представляем его в виде этакого серенького (или блестящего — это дело вкуса) шарика. Отсутствие
цвета мы заменяем на произвольный цвет, и это нисколько не мешает использованию нашей модели. По отношению к положению в пространстве этот фокус не проходит. Представление об электроне, который в каждый момент где-то
находится, мешает пониманию квантовой механики и приходит в противоречие
с опытными данными. Здесь мы вынуждены полностью отказаться от наглядногеометрического представления о движении частицы. Это и вызывает болезненную реакцию. Мы настолько привыкли соединять пространственновременную картину с истинной реальностью, с тем, что существует объективно
и независимо от нас, что нам очень трудно поверить в объективную реальность,
которая не укладывается в эти рамки. И мы снова и снова спрашиваем себя: но
ведь если электрон не «размазан» в пространстве, то на самом деле он где-то
должен находиться?
Нужна упорная работа мысли, чтобы признать и прочувствовать бессмысленность этого вопроса. Прежде всего, надо отдать себе отчет в том, что все
наши знания и теории суть вторичные модели действительности, т. е. модели
первичных моделей, каковыми являются данные чувственного опыта. Эти данные несут на себе неизгладимый отпечаток устройства нашей нервной системы,
а так как пространственно-временные понятия заложены в самых нижних этажах нервной системы, все наши ощущения и представления, все продукты
нашего воображения не могут выйти за рамки пространственно-временных
картин. Тем не менее, эти рамки можно до известной степени расширить. Но
это надо делать не путем иллюзорного движения «вниз» к объективной действительности, «какая она есть независимо от наших органов чувств», а путем
движения «вверх», т. е. построения вторичных знаковых моделей действительности.
270
Разумеется, знаки теории сохраняют непрерывное пространственновременное бытие, как и первичные данные опыта. Но в отношениях между теми
и другими, т. е. в семантике теории, мы можем позволить себе значительную
свободу, если будем руководствоваться логикой новых экспериментальных
фактов, а не привычной пространственно-временной интуицией. И мы можем
построить такую знаковую систему, которая в своем функционировании никак
не связана наглядными представлениями, а подчинена единственно условию
адекватного описания действительности. Квантовая механика и является такой
системой. Квантовая частица в этой системе — не серенький или блестящий
шарик и не геометрическая точка, а некоторое понятие, т. е. функциональный
узел системы, который вместе с другими узлами обеспечивает описание и
предвидение реальных опытных фактов: вспышек на экране, показаний приборов и т. д.
Возвратимся к вопросу о том, как «на самом деле» движется электрон. Мы
видели, что из-за соотношения неопределенностей эксперимент в принципе не
может дать на него ответа. Значит, в качестве «внешней части» физической модели действительности этот вопрос бессмыслен. Остается приписать ему чисто
теоретический смысл. Но тогда он теряет непосредственную связь с наблюдаемыми явлениями и выражение «на самом деле» становится чистым надувательством! Всегда, когда мы выходим за пределы сферы восприятия и объявляем,
что «на самом деле» имеет место то-то и то-то, мы движемся не вниз, а вверх —
строим пирамиду языковых объектов и только вследствие обмана зрения нам
кажется, что мы углубляемся в область, лежащую ниже чувственного опыта.
Выражаясь метафорически, плоскость, отделяющая чувственный опыт от реальности, является абсолютно непроницаемой и, пытаясь разглядеть, что под
нею, мы видим лишь перевернутое отражение пирамиды теорий. Это не значит,
что истинная реальность непознаваема и наши теории не являются ее моделями; надо помнить только, что все эти модели лежат по сию сторону чувственного опыта и бессмысленно сопоставлять отдельным элементам теорий призрачные «реальности» по ту сторону, как это делал, например, Платон. Представление об электроне как о маленьком шарике, движущемся по траектории,
— такая же конструкция, как и сцепление знаков квантовой теории. Оно отличается только тем, что включает пространственно-временную картину, которой
мы по привычке приписываем призрачную реальность с помощью бессмысленного в данном случае выражения «на самом деле».
Переход к сознательному построению знаковых моделей действительности, не опирающихся на какие-либо наглядные представления о физических
объектах, — большое философское завоевание квантовой механики. Фактически физика стала знаковой моделью со времен Ньютона и именно своей знаковости она была обязана успехами (численные расчеты); однако наглядные
представления присутствовали в качестве необходимого элемента. Теперь они
стали необязательными, и это расширило класс возможных моделей. Те, кто
хотят во что бы то ни стало вернуть наглядность, хотя видят, что теория лучше
работает без нее, призывают на деле просто к сужению класса моделей. Вряд ли
271
им это удастся. Их можно сравнить с тем чудаком, который в паровоз запрягал
лошадь, ибо хотя он и видел, что повозка движется без лошади, признать такое
положение нормальным было выше его сил. Знаковые модели — это паровоз,
который вовсе не нуждается в лошади наглядных представлений для каждого
из своих понятий.
13.8. КРУШЕНИЕ ДЕТЕРМИНИЗМА
Второй важный результат квантовой механики, имеющий общефилософское значение, — это крушение детерминизма. Детерминизм — это понятие
философское. Этим именем называют воззрение, согласно которому все события, происходящие в мире, имеют вполне определенные причины и происходят
с необходимостью, т. е. не произойти не могут. Попытки уточнить это определение обнаруживают в нем логические дефекты, которые мешают точной формулировке этого воззрения в виде научного положения без введения какихлибо дополнительных представлений об объективной реальности. В самом деле, что значит «события имеют причины»? Разве можно указать какое-то «конечное» число причин данного события и сказать, что других причин нет? И
что значит, что событие «не могло не произойти»? Если только то, что оно произошло, то утверждение обращается в тавтологию.
Однако философский детерминизм может получить более точное истолкование в рамках научной теории, претендующей на универсальное описание реальности. И действительно, он получил такое истолкование в рамках механицизма — научно-философской концепции, возникшей на базе успехов классической механики в приложении к движениям небесных тел. Согласно механистической концепции мир — это трехмерное евклидово пространство, заполненное множеством элементарных частиц, которые движутся по некоторым
траекториям. Между частицами действуют силы, зависящие от их расположения друг относительно друга, а движение частиц подчиняется законам механики Ньютона. При таком представлении о мире его точное состояние (т. е. координаты и скорости всех частиц) в некоторый фиксированный момент времени
однозначно определяет точное состояние мира в любой другой момент. Знаменитый французский математик и астроном П.Лаплас (1749–1827) выразил это
положение следующими словами:
«Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все
силы, одушевляющие природу, и относительное положение всех ее составных
частей, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить
эти данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями мельчайших атомов: не осталось бы ничего, что
было бы для него недостоверным, и будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором [5]».
Эта концепция получила название лапласовского детерминизма. Она является законным и неизбежным следствием механистической концепции мира.
272
Правда, с современной точки зрения формулировка Лапласа нуждается в некотором уточнении, так как мы не можем признать законными понятия всеведущего разума и абсолютной точности измерения. Но ее легко модернизировать,
практически не меняя смысла. Мы говорим, что если известны с достаточной
точностью координаты и импульсы всех частиц в достаточно большом объеме
пространства, то можно рассчитать поведение любой системы в любом заданном интервале времени с любой заданной точностью. Из этой формулировки,
как и из первоначальной формулировки Лапласа, можно сделать вывод, что все
будущие состояния Вселенной предопределены. Неограниченно повышая точность и охват измерений, мы неограниченно удлиняем сроки предсказаний. Так
как никаких принципиальных ограничений на точность и охват измерений, т. е.
таких ограничений, которые вытекали бы не из ограниченности человеческих
возможностей, а из природы объектов измерения, не существует, мы можем
представить себе предельный случай и заявить, что на самом деле все будущее
мира определено уже сейчас и абсолютно однозначно. Здесь выражение «на самом деле» приобретает вполне отчетливый смысл; наша интуиция легко признает законность этого «на самом деле» и сопротивляется его дискредитации.
Итак, механистическая концепция мира приводит к представлению о полной детерминированности явлений. Но это противоречит субъективному ощущению свободы выбора, которым мы обладаем. Отсюда два выхода: признать
ощущение свободы выбора «иллюзорным» или же признать механистическую
концепцию негодной в качестве универсальной картины мира. Сейчас уже
трудно сказать, в какой пропорции разделялись на эти две точки зрения мыслящие люди «доквантовой» эпохи. Если подходить к вопросу с современной
позиции, то, даже не зная ничего о квантовой механике, надо решительно
встать на вторую точку зрения. Мы понимаем сейчас, что механистическая
концепция, как и любая иная концепция, является лишь вторичной моделью
мира по отношению к первичным данным опыта, поэтому непосредственные
данные опыта всегда обладают приоритетом перед любой теорией. Ощущение
свободы выбора есть первичный опытный факт, как и другие первичные факты
духовного и чувственного опыта. Теория не может отвергнуть этого факта, она
может лишь сопоставить с ним какие-то новые факты — процедура, которую
мы при выполнении определенных условий называем объяснением факта. Объявить свободу выбора «иллюзорной» так же бессмысленно, как объявить человеку, у которого болит зуб, что его ощущение «иллюзорно». Зуб может быть
совершенно здоров, а ощущение боли — быть результатом раздражения определенного участка мозга, однако от этого оно не становится «иллюзорным».
Квантовая механика разрушила детерминизм. Прежде всего, оказалось
ложным представление об элементарных частицах как о маленьких тельцах,
движущихся по определенным траекториям, а, следовательно, рухнула и вся
механистическая картина мира — такая понятная, привычная и, казалось бы,
совершенно несомненная. Физики XX в. уже не могут ясно и убедительно, как
это умели физики XIX в., рассказать людям, что на самом деле представляет
собой мир, в котором они живут. Но детерминизм рухнул не только как часть
273
механистической концепции, но и как часть любой картины мира. В принципе
можно было бы представить себе такое полное описание (картину) мира, которое включает лишь реально наблюдаемые явления, но дает однозначные предсказания всех явлений, которые когда-либо будут наблюдаться. Теперь мы знаем, что это невозможно. Мы знаем, что существуют ситуации, в которых принципиально невозможно предсказать, какое из множества мыслимых явлений
осуществляется в действительности. Более того, эти ситуации являются согласно квантовой механике не исключением, а общим правилом; строго детерминированные исходы являются как раз исключением из правила. Квантовомеханическое описание действительности — существенно вероятностное описание, а однозначные предсказания оно включает лишь как предельный случай.
В качестве примера рассмотрим опыт с дифракцией электронов, изображенный на рис. 13.1. Условия опыта полностью определены, когда заданы все
геометрические параметры установки и начальный импульс электронов, испускаемых пушкой. Все электроны, вылетающие из пушки и попадающие на экран,
находятся в равных условиях и описываются одной волновой функцией. Между
тем они поглощаются (дают вспышки) в разных точках экрана, и заранее предсказать, в какой точке даст электрон вспышку, невозможно; нельзя даже предсказать, отклонится ли он на нашем рисунке вверх или вниз, можно указать
только вероятность попадания в различные участки экрана.
Позволительно, однако, задать вопрос: почему мы уверены, что если квантовая механика не может предсказать точку попадания электрона, то и никакая
будущая теория не сможет сделать этого?
На этот вопрос мы дадим не один, а целых два ответа; вопрос вполне заслуживает такого внимания.
Первый ответ можно назвать формальным. Он таков. Квантовая механика
основана на том принципе, что описание с помощью волновой функции является максимально полным описанием состояний квантовой частицы. Этот принцип в виде вытекающего из него соотношения неопределенностей подтвержден
огромным числом экспериментов, интерпретация которых содержит понятия
только низкого уровня, непосредственно связанные с наблюдаемыми величинами. Выводы квантовой механики, включающие более сложные математические расчеты, подтверждены еще большим числом экспериментов. И нет решительно никаких указаний на то, что мы должны усомниться в этом принципе.
Но он равнозначен невозможности предсказаний точного исхода опыта.
Например, чтобы указать точку на экране, куда попадает электрон, надо знать о
нем больше, чем дает волновая функция.
Второй ответ мы начнем с того, что попытаемся понять, почему нам никак
не хочется согласиться с невозможностью предсказания точки, куда попадет
электрон. Столетия развития физики приучили людей к мысли, что движение
неодушевленных тел регулируется исключительно внешними по отношению к
ним причинами и что путем достаточно тонкого исследования эти причины
274
можно всегда обнаружить, подсмотреть их. Это убеждение было вполне оправдано, пока считалось возможным подсматривать за системой, не влияя на нее,
что имело место в опытах над макроскопическими телами. Представьте себе,
что на рис. 13.1 рассеиваются не электроны, а пушечные ядра и что вы изучаете
их движение. Вы видите, что в одном случае ядро отклоняется вверх, а в другом
— вниз, и вы не желаете верить, что это происходит само по себе, а убеждены,
что различие в поведении ядер объясняется какой-то реальной причиной. Вы
снимаете полет ядра на кинопленку или предпринимаете еще какие-то действия
и, в конце концов, находите такие явления A1 и A2, связанные с полетом ядра,
что при наличии A1 ядро отклоняется вверх, а при наличии A2 — вниз. И вы говорите, что A1 — причина отклонения ядра вверх, а A2 — причина отклонения
вниз. Возможно, что ваша камера окажется несовершенной или вам просто
надоест исследование и вы не найдете искомой причины. Но вы все-таки останетесь в убеждении, что на самом деле причина существует, т. е. если бы вы
получше посмотрели, то явления A1 и A2 были бы обнаружены.
Как же обстоит дело в опыте с электронами? Вы снова видите, что электрон в одних случаях отклоняется вверх, в других — вниз и в поисках причины
пытаетесь проследить за его движением, подсмотреть за ним. Но тут оказывается, что вы не можете подсмотреть за электроном, не влияя на его судьбу самым катастрофическим образом. Чтобы «увидеть» электрон, надо направить на
него поток света. Но свет взаимодействует с веществом порциями, квантами,
которые подчиняются тому же самому соотношению неопределенностей, что и
электроны, и другие частицы. Поэтому с помощью света, а также с помощью
любых других средств исследования выйти за пределы соотношения неопределенностей не удается. Пытаясь уточнить координату электронов с помощью
фотонов, мы либо сообщаем ему такой большой и неопределенный импульс,
который портит весь эксперимент, либо измеряем координату так грубо, что не
узнаем о ней ничего нового. Таким образом, явлений A1 и A2, т. е. причин, по
которым электрон в одних случаях отклоняется вверх, а в других случаях вниз,
не существует в действительности. А утверждение, что «на самом деле» какаято причина есть, теряет всякий научный смысл.
Итак, существуют явления, у которых причин нет, точнее, существует ряд
возможностей, из которых одна осуществляется без всякой причины. Это не
значит, что принцип причинности вообще следует отбросить: в том же опыте
если отключить электронную пушку, то вспышки на экране вообще исчезнут и
причиной их исчезновения будет отключение пушки. Но это значит, что его
надо существенно ограничить по сравнению с тем, как он понимался в классической механике и как он до сих пор понимается обыденным сознанием. У некоторых явлений причин нет, их надо принимать просто как нечто данное. Таков уж мир, в котором мы живем.
Второй ответ на вопрос о причинах нашей уверенности в существовании
непредсказуемых явлений состоит в том, что с помощью соотношения неопределенностей мы уясняем себе не только массу новых фактов, но и природу того
275
перелома в отношении причинности и предсказуемости, который происходит
при вторжении в микромир. Мы видим, что вера в абсолютную причинность
проистекала из молчаливого предположения о наличии бесконечно тонких
средств исследования, «подсматривания» за объектом. Но, дойдя до элементарных частиц, физики обнаружили, что существует минимальный квант действия,
измеряемый постоянной Планка, и это создает порочный круг при попытках
детализировать сверх меры описание одной частицы с помощью другой. И абсолютная причинность рухнула, а вместе с ней и детерминизм. С общефилософской точки зрения представляется вполне естественным, что если не существует бесконечной делимости материи, то не существует и бесконечной детальности описания, так что крушение детерминизма представляется более
естественным, чем если бы он сохранился.
13.9. «СУМАСШЕДШИЕ» ТЕОРИИ И МЕТАНАУКА [6]
Успехи квантовой механики, о которых мы говорили выше, относятся
главным образом к описанию нерелятивистских частиц, т. е. частиц, движущихся со скоростями, много меньшими, чем скорость света, так что эффектами,
связанными с теорией относительности (релятивистскими эффектами), можно
пренебречь. Именно нерелятивистскую квантовую механику мы имели в виду,
когда говорили о ее полноте и логической стройности. Нерелятивистская квантовая механика достаточна для описания явлений атомного уровня, но физика
элементарных частиц высоких энергий требует создания теории, совмещающей
идеи квантовой механики и теории относительности. До сих пор на этом пути
достигнуты лишь частичные успехи; единой и последовательной теории элементарных частиц, объясняющей огромный материал, накопленный экспериментаторами, не существует. Попытки построить новую теорию путем непринципиальных исправлений старой теории не приводят к значительным результатам. Создание удовлетворительной теории элементарных частиц упирается в
чрезвычайную своеобразность этой области явлений, происходящих как бы в
совсем ином мире и требующих для своего описания совершенно необычных
понятий, в самой основе расходящихся с привычной нам понятной схемой.
В конце 50-х годов Гейзенберг предложил новую теорию элементарных
частиц, ознакомившись с которой Бор сказал, что она вряд ли окажется верной,
потому что она «недостаточно сумасшедшая». Теория действительно не получила признания, а меткое замечание Бора стало известно всем физикам и даже
попало в популярную литературу. Словечко «сумасшедшая» естественным образом ассоциировалось с эпитетом «странный», применяемым к миру элементарных частиц. Но означает ли «сумасшедшая» только «странная», «необычная»? Пожалуй, если бы Бор сказал «недостаточно необычная», афоризма не
получилось бы. Слово «сумасшедшая» вносит оттенок «шальная», «взявшаяся
неизвестно откуда» и блестяще характеризует нынешнюю ситуацию в теории
элементарных частиц, когда всеми признается необходимость глубокой перестройки теории, но, как к ней приступить, неизвестно.
276
Возникает вопрос: неужели «странность» мира элементарных частиц, неприменимость к нему нашей интуиции, выработанной в макромире, обрекает
нас отныне и навечно на блуждание в темноте?
Вдумаемся в природу возникших трудностей. Принцип создания формализованных языковых моделей действительности не пострадал при переходе к
изучению микромира. Но если колесики этих моделей — физические понятия
— брались в своей основе из нашего повседневного макроскопического опыта
и лишь уточнялись путем формализации, то для нового «странного» мира нужны новые «странные» понятия, которые взять неоткуда и которые придется,
следовательно, изготовлять заново, да еще и соединить их должным образом в
целостную схему. На первом этапе исследования микромира одно из таких колесиков — волновая функция нерелятивистской квантовой механики — было
изготовлено сравнительно легко, опираясь на уже существовавший математический аппарат, служивший для описания макроскопических явлений (механика материальной точки, механика сплошных сред, теория матриц). Физикам
просто повезло: они нашли прообразы необходимого им колесика в двух (совершенно различных) колесиках макроскопической физики и составили из них
«кентавра» — квантовое понятие волны-частицы.
Однако нельзя все время рассчитывать на везение. Чем глубже мы проникаем в микромир, тем сильнее отличаются необходимые понятия-конструкты
от привычных понятий макроскопического опыта и тем меньше вероятность
соорудить их с ходу, без всяких инструментов, без всякой теории. Следовательно, мы должны подвергнуть научному анализу саму задачу построения
научных понятий и теорий, т. е. совершить очередной метасистемный переход.
Чтобы квалифицированно построить определенную физическую теорию, нам
нужна общая теория построения физических теорий (метатеория), в свете которой прояснится путь решения нашей конкретной задачи. Сравнение наглядных
моделей старой физики с лошадью, а абстрактных знаковых моделей с паровозом, можно развить следующим образом. Лошади предоставлены в наше распоряжение природой. Они растут и размножаются сами по себе, и чтобы использовать их, не нужно знать их внутреннее устройство. Но паровоз мы должны
построить сами. Для этого мы должны понять принципы его устройства и физические законы, лежащие в их основе, а также иметь какие-то инструменты
для работы. Пытаясь построить теорию «странного» мира, не имея метатеории
физических теорий, мы уподобляемся человеку, который задумал построить
паровоз голыми руками или построить самолет, не имея представления о законах аэродинамики.
Итак, созрел очередной метасистемный переход. Физика требует... хочется
сказать «метафизики», но, к счастью для нашей терминологии, нужная нам метатеория является таковой по отношению к любой естественнонаучной теории,
имеющей высокую степень формализации, поэтому ее правильнее назвать метанаукой. Этот термин обладает тем недостатком, что создает впечатление,
будто метанаука есть нечто, принципиально лежащее вне науки, в то время как
277
в действительности новый уровень иерархии, создаваемый этим метасистемным переходом, надо, конечно, включить и в общее тело науки, расширяя тем
самым это тело. Ситуация здесь такая же, как с термином метаматематика; ведь
метаматематика — это тоже часть математики. Но поскольку термин «метаматематика» был все-таки принят, можно считать приемлемым и термин «метанаука». Впрочем, поскольку важнейшая часть метанаучного исследования — исследование понятий теории, можно предложить также термин концептология.
Основную задачу метанауки можно сформулировать так. Дана некая совокупность или некий генератор фактов. Каким образом построить теорию, эффективно описывающую эти факты и делающую правильные предсказания?
Если мы хотим, чтобы метанаука вышла за рамки общих рассуждений, то
надо строить ее как полноценную математическую теорию, а для этого ее объект — естественнонаучная теория — должен предстать в формализованном
(пускай упрощенном — такова цена формализации) виде, подвластном математике. Представленная в таком виде научная теория есть формализованная языковая модель, механизм которой составляет иерархическая система понятий —
точка зрения, которую мы приводили на протяжении всей книги. С этой точки
зрения создание математической метанауки представляется очередным и естественным метасистемным переходом, совершая который мы делаем предметом
изучения формализованные языки в целом, причем не только в отношении их
синтаксиса, но также — и главным образом — с точки зрения семантики, с точки зрения их приложения к описанию действительности. К этому шагу нас подводит весь путь развития физико-математической науки.
Впрочем, до сих пор мы в своих рассуждениях исходили из потребностей
физики. А как обстоит дело с точки зрения чистой математики?
Если физики-теоретики знают, что им нужно, но сделать могут немного, то
«чистых» математиков можно, скорее, упрекнуть в том, что они сделать могут
много, но не знают, что им нужно. Нет спору, многие чисто математические работы нужны для придания связности и стройности всему зданию математики, и
смешно было бы требовать от каждой работы немедленных «практических»
приложений. Но все-таки математика создается для познания действительности, а не с эстетическими или спортивными целями, подобно шахматам, и даже
самые высокие ее этажи нужны, в конечном счете, лишь постольку, поскольку
они способствуют достижению этой цели.
Вероятно, рост здания математики ввысь нужен всегда и представляет собой безусловную ценность. Но математика разрастается также и вширь, и все
труднее становится определить, что не нужно, а что нужно, и если нужно, то в
какой степени. Математическая техника развита сейчас настолько, что сконструировать в рамках аксиоматического метода несколько новых математических объектов и исследовать их свойства стало чуть ли не таким же обыкновенным, хотя и не всегда легким делом, как для древнеегипетских писцов произвести вычисления над дробями. Но, кто знает, понадобятся ли эти объекты? Воз278
никает потребность в теории приложения математики, а это по существу и есть
метанаука. Следовательно, развитие метанауки — это направляющая и организующая задача по отношению к более конкретным математическим задачам.
До создания эффективной метанауки пока еще далеко. Сейчас трудно
представить даже ее общие контуры. Чтобы они прояснились, необходимо выполнить еще много подготовительных работ. Физики должны овладеть «бурбакизмом», прочувствовать игру математических структур, которая приводит к
возникновению богатых аксиоматических теорий, пригодных для детального
описания реальности. Они должны вместе с математиками научиться раскладывать знаковые модели на отдельные кирпичики, чтобы складывать из них
нужные им блоки. И, конечно, необходимо развитие техники проведения формальных выкладок над произвольными символьными выражениями (а не только числами) с помощью электронных вычислительных машин. Подобно тому,
как переход от арифметики к алгебре происходит только после полного освоения техники арифметических вычислений, так и переход к теории создания
произвольных символьных систем требует высокой техники действий над символьными выражениями, требует практического снятия проблемы выполнения
громоздких формальных выкладок. Внесут ли новые методы вклад в разрешение тех конкретных трудностей, которые стоят сейчас перед теорией элементарных частиц, или же они будут раньше разрешены ручными, «дедовскими»
методами, неизвестно, да это, в конце концов, и не важно, ибо, несомненно, появятся новые трудности. Так или иначе, вопрос о создании метанауки стоит на
повестке дня. Рано или поздно он должен быть решен, и тогда люди получат
новое оружие для покорения самых странных фантастических миров.
1.Bacon F. Novum Organum, Great books of the western world. Encyclopedia
Britannica, 1955. Aphorism 95. P. 126.
2.Bacon F. Ор. cit. Aphorism 117. Р. 131.
3.Cм. сборник: Эйнштейн А. Физика и реальность. М.: Наука, 1965. Следующие ниже цитаты взяты также из этого сборника.
4.Frank P. Philosophy of science. Englewood Cliffs (New Jersey): PrenticeHall, 1957.
5.Лаплас П. Опыт философии теории вероятностей. М., 1908. С. 9.
6.Этот раздел написан по мотивам статьи автора под таким же названием,
опубликованной в журнале «Вопросы философии», 1968. N5.
279
21 ВЕК – РОЖДЕНИЕ МЕГАНАУКИ
Крушанов А.А., д.ф.н., профессор, ведущий н.с. Института философии
РАН
КРУШАНОВ А.А. Megasciense: новые рубежи наукогенеза.
СОВРЕМЕННАЯ КАРТИНА МИРА. ФОРМИРОВАНИЕ НОВОЙ
ПАРАДИГМЫ. Сборник статей. М., 2001,с. 23 – 69
СТРАННОЕ СЕМЕЙСТВО ДИСЦИПЛИН
Первым «звонком», возвестившим о начале «мегаперемен» в науке, стало
рождение кибернетики, в свое время поразившей всех своими необыкновенно
широкими возможностями. Ее официальное рождение как науки об универсальных закономерностях управления датируется 1948г. и связано с выходом в
свет книги Н.Винера «Кибернетика»[1]. К этому моменту распространились
комплексные виды деятельности, в условиях которых были вынуждены работать совместно специалисты самой разной профессиональной принадлежности,
что было абсолютно новым делом. Трудности, которые им пришлось преодолевать, хорошо характеризует следующий комментарий «отца» новой науки: «...
В настоящее время лишь немногие ученые могут назвать себя математиками,
или физиками, или биологами, не прибавляя к этому дальнейшего ограничения.
Ученый становится теперь топологом, или акустиком, или специалистом по
жесткокрылым. Он набит жаргоном своей специальной дисциплины и знает
всю литературу по ней и все ее подразделы. Но всякий вопрос, сколько-нибудь
выходящий за эти узкие пределы, такой ученый чаще всего будет рассматривать как нечто, относящееся к коллеге, который работает через три комнаты
дальше по коридору. Более того, всякий интерес со своей стороны к подобному
вопросу он будет считать совершенно непозволительным нарушением чужой
тайны [1,с.44].
Появление кибернетики означало решительный разрыв с жесткой традицией узкоспециализированной организации исследовательской работы. Произошедший перелом был, прежде всего, обусловлен потребностями производства,
которое требовало все более интенсивного внедрения уже не отдельных агрегатов и машин, но их сложных системных сочетаний. В результате подобного рода перемен активизировалась работа комплексных коллективов. Все это в конце
концов создало условия для выхода исследователей на те проблемы, которыми
занимались их «соседи». Результат был поражающим воображение: оказалось,
что в разных областях знания и деятельности можно обнаружить наличие необычного и существенного сходства.
Подобная новизна познавательной ситуации весьма своеобразно проявилась в размышлениях над тем, как определить кибернетику, ее предмет. Выяснилось, что в этой связи возникает некое очень специфическое затруднение. С
одной стороны, вопрос выглядит достаточно простым. Кибернетика привлекла
280
к себе широкое внимание своим интересом к процессам управления и феномену
информации, что уже определяло ее специфику по отношению к множеству
традиционных дисциплин. Так, имея в виду именно это обстоятельство,
Н.Винер отмечал, что если XVII столетие и начало XVIII столетия – век часов,
а конец XVIII и все XIX столетие – век паровых машин, то настоящее время
есть век связи и управления. В электротехнике существует разделение на области, называемые в Германии техникой сильных токов и техникой слабых токов,
а в США и Англии – энергетикой и техникой связи. Это и есть та граница, которая отделяет прошедший век от того, в котором мы сейчас живем»[2,с.90]. О
том же в афористичной манере говорили и другие исследователи, утверждая,
например, что непрерывный рост сложности и мощности технических агрегатов выявил с полной очевидностью, что задачи регулирования и управления
этими мощностями образуют самостоятельную область изучения, которая не
менее сложна, важна и содержательна, чем сама энергетика, подлежащая
управлению. Проблема "всадника" стала преобладать над проблемой "коня".
С другой стороны, важной особенностью кибернетики стала широкая приложимость тех кибернетических понятий и моделей, которые подтвердили
свою эффективность в процессе последовательного изучения технических и
биологических объектов, а затем и социальных систем. Иначе говоря, новая
наука выступила в качестве своеобразного строителя, наводящего мосты между
островами специального знания.
Таким образом, кибернетика выросла из развития двух в значительной
степени разноплановых исходных идей. Кратко их можно представить следующим образом:
1.Идея выделения процессов управления и сопутствующих им сетей связи
как нового специфического предмета науки.
2.Идея существования междисциплинарных закономерностей. Иными словами, в данном случае речь идет об убежденности в том, что возможно обнаружение принципиального сходства между процессами управления, которые происходят в самых разных объектах вне зависимости от их физической природы.
Причем, Винер не просто заметил внешнее сходство между животными и машинами. Если бы это было так, он не сделал бы ничего по-настоящему нового,
так как линия преемственности такого рода аналогий прослеживается далеко
назад через тех, кто уподоблял психику телефонной станции, до Ламетри... и,
конечно, далее до Декарта... Винер показал, что как животные, так и машины
могут быть включены в новый и более обширный класс вещей. Было с удивлением констатировано, что кибернетика вообще не относится ни к одной из существующих конкретных наук, изучающих строго определенные формы движения материи. Неясности с положением кибернетики в структуре науки и со
способом выражения ее статуса смутили исследователей и даже вызвали жаркие споры по поводу того, не является ли она новой философией. Однако постепенно страсти поутихли, кибернетика увязла в собственной дифференциации и узкой специализации, так что ее необычно обширная исходная приложимость ушла «в тень» и перестала быть общезначимой проблемой.
281
И все же рождение кибернетики, судя по всему, ознаменовало появление
новой важной и устойчивой тенденции, которая продолжает набирать силы и
сегодня. Об этом совершенно отчетливо свидетельствует тот факт, что процесс
кристаллизации в массиве научного знания дисциплин, отличающихся столь
необычным универсальным статусом, не ограничился только кибернетикой и
получил явное и неявное продолжение. Прежде всего, объединительное движение, начатое кибернетикой, было подхвачено энтузиастами системных исследований («общей теории систем», «системологии»). Предпосылки для развития
нового взгляда на мир начали активно формироваться, конечно же, раньше, и
еще XIX век был, безусловно, веком механики и термодинамики. В это время
исследователи были активно вовлечены в изучение проблем сохранения и исчезновения энергии, а также в выявление все новых «кирпичиков», из которых
слагаются природные объекты, в том числе и живые организмы. И такие кирпичики постоянно обнаруживались: органы, ткани, клетки...
К началу XX столетия становится все более понятно, что простое представление о природе зачастую не находит научного подтверждения. Так,
Х.Дришем были проведены опыты с зародышами морских ежей. Эти зародыши
можно было разделить на несколько частей, и из каждой такой части вырастала
нормальная взрослая особь. Иначе говоря, определяющей оказывалась не вся
совокупность «кирпичиков» организма, но что-то иное, что содержало в себе
предпосылки организма в целом. Естественно, тут же вспомнились и случаи регенерации (воссоздания) органов: например, отрастание у краба новой клешни
вместо потерянной. Рост числа подобного рода данных не мог не порождать
сомнений в адекватности привычных установок и допущений. Постепенно, но
неуклонно утверждалась мысль о том, что некоторые образования (подобные
организмам) отличаются от простых совокупностей исходных объектов (элементов) и обладают какими-то дополнительными свойствами. Факты подобного рода, а также общие успехи биологических исследований привели к заметному росту интереса к проблемам организации живого и к особенностям существования организмов как целостностей.
Все больший вес начала приобретать организмическая парадигма, т.е. сопоставление изучаемых объектов не с механическими конгломератами или
термодинамическими системами (как это было прежде), но с организмами. Как
известно, это новое отношение к изучаемым объектам обрело даже свое специальное название – «органицизм». Однако новый подход принимался лишь немногими исследователями: мешали узкая специализация, доминирование эмпиризма и механицизма, существование в некоторых случаях мощного идеологического прессинга. О роли последнего напоминает, например, сложная судьба
«всеобщей организационной науки» (тектологии) А.Богданова, появившейся в
России, как известно, в очень неблагоприятное для распространения и усвоения
новых идей, предельно политизированное и смутное время (1913-1917 гг.). С
профессиональной зашоренностью коллег пришлось всерьез столкнуться и австрийскому биологу Л. фон Берталанфи, который в 30-е гг. XX в. пытался пропагандировать свои системные идеи на различного рода научных форумах. Как
он с грустью вспоминал позже, «с момента своего возникновения теория си282
стем сразу же натолкнулась на критику, которая видела в ней фантастическую и
весьма самонадеянную концепцию. Некоторые утверждали, что общая теория
систем тривиальна, поскольку так называемые изоморфизмы суть лишь трюизмы, говорящие, что математику можно применять к любым вещам, и поэтому
теория систем имеет значение не большее, чем "открытие", что 2 + 2 = 4, одинаково справедливое и для яблок, и для долларов, и для галактик. Другие считали ее ошибочной из-за поверхностных аналогий вроде известного сравнения
общества с "организмом", которое скрывает действительные различия и в силу
этого приводит к неверным и даже морально нежелательным выводам» [4, с.37–
38].
Взрыв интереса к кибернетике способствовал тому, что специалисты из
разных областей знания стали все чаще и охотнее обращать внимание на работу
своих коллег, чьи профессиональные склонности и интересы были иными. В
результате было замечено, что идея несводимости целого к свойствам частей,
возникшая в биологии, вызрела и в других областях познавательной деятельности, а следовательно, появилась основа для начала большой совместной работы
исследователей разного профиля. Именно на этой волне в 1954 г. создается
«Общество общей теории систем», а в конце 60-х – начале 70-х гг. в области
системных исследований наблюдается настоящий бум.
Как и в случае с кибернетикой, основу системных исследований составили
две исходные теоретические установки:
Идея системности, в соответствии с которой подчеркивается, что совокупность
тесно взаимосвязанных объектов обладает дополнительными свойствами, не
наблюдаемыми у той же совокупности объектов в случае их чисто механического соединения. Иначе говоря, эти дополнительные особенности не являются
просто суммой свойств отдельных объектов. Лаконично эту мысль системщики
поясняли очень просто: для систем справедливо соотношение 2 + 2=5. Обычная
же арифметика годится только для механических агрегатов.
Итак, вслед за появлением кибернетики развернулись мощные системные
исследования, ориентированные на изучение системных свойств, встречаемых
у объектов различной физической природы. В свое время эта поисковая работа
параллельно и широким фронтом велась различными авторитетными центрами
и исследователями; в результате ученые, имея в виду одно и то же, стали использовать разные термины: «системные исследования», «общая теория систем» (ОТС), «системология».
Развитие системных исследований привело к формированию мощного
массива знания о свойствах систем и их разновидностей, к выработке разнообразного понятийно-терминологического аппарата, многое из чего вошло в ядро
основных конструктов современной познавательной деятельности. Подобные
процессы стали совершенно естественными, т.е. не привлекающими к себе специального внимания. То же произошло и с системными исследованиями в целом. Они уже пережили свой «звездный час», вызвав в свое время необыкновенный ажиотаж и приобретя огромную популярность. Однако, к настоящему
времени, сделав много полезного, но растратив исходный эвристический заряд,
283
они отошли «в тень», уступив место очередному масштабному фавориту – синергетике.
Потребность в лучшем понимании процессов самоорганизации (а именно
этим интересна синергетика [5–7]), хотя и в виде разрозненных специализированных попыток изучения нового типа явлений, стала отчетливо проявляться в
научном сообществе еще в 60-е гг. XX в. Стремление к широкой интеграции
усилий исследователей, собственно, и породившее синергетику в ее классическом, исходном понимании, возникло в 80-е гг. Параллельно росло ее общественное признание. За последнее десятилетие синергетика добилась впечатляющих успехов, и многими стала рассматриваться как едва ли не самая модная и
многообещающая научная дисциплина. И это обстоятельство явно нельзя считать случайным.
Симптоматично, что сразу у нескольких исследователей-естественников
практически независимо друг от друга появились важные работы, в которых
рассматривался, по сути дела, один и тот же вопрос о том, как в однородной по
составу массе вдруг появляются четкие и характерные структуры.
На примере химических реакций этот процесс был исследован бельгийцем
И.Пригожиным, разработавшим специальную «неравновесную термодинамику». Исследование оказалось настолько новаторским, что автор получил за него
Нобелевскую премию. Подобного же рода превращения, наблюдаемые при
формировании высокоупорядоченного луча лазера, обобщил немецкий физик
Г.Хакен. Именно с его легкой руки в научном сообществе стал циркулировать
приглянувшийся термин «синергетика». Процесс порождения сложных молекул в однородной первичной смеси реконструировал немецкий исследователь
проблем молекулярной биологии М.Эйген (также нобелевский лауреат), разработавший модель того, как могла бы проходить эволюция молекулярных структур, обеспечившая в свое время появление жизни на Земле.
Классическим примером, иллюстрирующим суть процессов самоорганизации, является феномен возникновения так называемых «ячеек Бенара». Опыт
очень прост. В чашку с широким дном наливается тонкий слой масла. Под чашкой устанавливается нагреватель. При постепенном повышении температуры
обнаруживается, что в определенный момент в масле появляются шестигранные ячейки, напоминающие пчелиные соты. В этом опыте удивляет следующее.
Воздействие на масло было однородным, неспецифическим: просто постепенно
повышали температуру нагревателя. Масло также было однородным, и все его
молекулы обладали относительной свободой перемещения. Каким же образом
однородное воздействие, оказанное на однородную среду, привело к возникновению чего-то упорядоченного, отчетливо разделенного и явно нарушающего
прежде существовавшую монотонность? Явления, подобные описанному, и получили название процессов самоорганизации. Иначе говоря, самоорганизация –
это процесс, в результате которого неспецифическое воздействие порождает
специфическое следствие: в однородной среде возникает неоднородность, упорядоченность.
Подобно кибернетике и общей теории систем, в фундаменте синергетики
находятся две основные идеи:
284
1. Идея самоорганизации как самостоятельного феномена, заслуживающего специального научного изучения: мир синергетики – это процессы становления, возникновения порядка из хаоса, их взаимопереходов, образующих в причудливом сочетании регулярности и иррегулярности, предсказуемости и непредсказуемости тот неповторимый узор событий, который нас окружает, и частью которого мы сами являемся.
2. Идея универсальности закономерностей самоорганизации, т.е. признание существенного сходства их проявления в разноприродных объектах.
Поскольку синергетика – это быстро дифференцирующаяся ныне дисциплина, то имеет смысл контурно очертить ее базовую модель, которая в свое
время и приобрела общее признание. В центре внимания подобного рода исследований находятся так называемые «неравновесные системы» («активные среды»). Это такие объекты, которые характеризуются двумя важными признаками:
1. Они состоят из множества элементов, между которыми в ходе самоорганизации и складываются локальные взаимосвязи, упорядоченность (примером
этого является рождение «ячеек Бенара»). Именно поэтому процессы самоорганизации считаются «кооперативными» явлениями (т.е. коллективными, массовыми). Кстати сказать, греческое слово «синергетика» и означает «совместное
действие».
2. Неравновесные системы характеризуются и тем, что в них активно поступает свободная энергия, превышающая естественные энтропийные потери, в
результате чего в системе образуется избыток негэнтропийности. К неравновесным системам относятся самые разнообразные объекты, в том числе живые
организмы, массовые зрительские аудитории, физическая плазма, химические
растворы...
Основные свойства активных сред сегодня представляются следующим
образом. Под влиянием накапливающейся свободной энергии в неравновесной
системе происходят перемены. Постепенное изменение уровня ее негэнтропийности ведет к достижению активной средой особого состояния («точки бифуркации»), после чего процесс дальнейших изменений неравновесной системы
может развиваться по самым разным направлениям (как принято говорить, по
направлению к разным устойчивым состояниям – «аттракторам»). Выбор определенной траектории дальнейших изменений, следование которой приводит к
возникновению в однородной среде определенной упорядоченности – «диссипативной структуры» (т.е. живущей за счет активного рассеивания свободной
энергии), происходит в точке бифуркации в результате активного воздействия
относительно небольших, естественных, но случайных изменений среды
(«флуктуации»). Таким образом, цикл самоорганизации оказывается завершенным.
Процесс изменения запаса свободной энергии может возобновиться. Тогда,
как выясняется, вновь наступает ситуация неопределенности, непредсказуемости, т.е. «хаоса», вслед за чем в очередной раз возникают новые структуры, отличные от прежних. Синергетическая модель самоорганизации стимулирует
размышление, например, над следующими важными и интересными вопросами:
285
1. Любой активной среде присущи свои вполне определенные структуры,
которые она способна порождать в рамках процессов самоорганизации. Это
означает, что, скажем, из физической плазмы нельзя «выжать» того, что не соответствует присущим ей изначально потенциям. Иначе говоря, управление подобного рода объектами не может стать эффективным без глубокого изучения и
учета всех скрытых возможностей и имеющихся ограничений.
2. Для подобного рода процессов характерны так называемые «режимы с
обострением». Это такие переходы в качественно новое состояние, которые
начинаются очень медленно, незаметно и не привлекая к себе особого внимания, но в дальнейшем обретают буквально взрывной характер. Если эти возможности не изучать заблаговременно, то процесс вполне может перейти в режим с обострением и возникнет ситуация, когда размышлять будет уже просто
поздно. Сам процесс в таком случае будет протекать самопроизвольно и очень
быстро, что приведет к непредсказуемым последствиям. Сегодня особую озабоченность вызывают проблемы экологии: чем сильнее мы «давим» на среду,
тем сильнее она «прогибается». Синергетика обращает наше внимание и на то,
что последствия возможного «взрыва» могут стать самыми катастрофическими.
3. Нелинейность – это характерное свойство неравновесных систем, заключающееся в том, что в них нарушается действие принципа суперпозиции.
Как известно, в механике считалось, что небольшие изменения воздействий,
оказываемых на объект, вызывают столь же небольшие изменения в его поведении. В синергетике специальное внимание уделяется таким ситуациям, в которых это правило не реализуется. Оказывается, что природа очень богата подобными сюрпризами: при малых воздействиях могут происходить резкие, буквально катастрофические перемены. В соответствии с этими выводами, окружающий нас мир следует рассматривать как нелинейное образование.
4. Как выясняется, природные процессы самоорганизации способны чрезвычайно простым образом создавать очень сложные и распространенные
структуры, которые исследователи стали называть фрактальными или же просто фракталами. Новые представления ввел в науку сотрудник исследовательского центра корпорации IВМ Б.Мандельброт, выпустивший в 1983 г. книгу
«Фрактальная геометрия природы». Выделенные и построенные им математические объекты характеризовались необычным даже для математики свойством. Если, в соответствии с привычными представлениями, геометрические
образы (одномерные линии, двумерные поверхности и т.п.) обладают целочисленной размерностью, то для вновь вводимых в геометрию фигур оказывается
характерной дробная размерность, что позволяет весьма точно описывать ломаные линии, подобные тем, которые могут быть получены в результате воспроизведения контуров морского берега, изрезанного фьордами. Отсюда и термин «фрактал», в котором сквозит первичный смысл латинского слова fractus –
«ломать, разбивать».
Главным для фракталов в универсальном научном плане оказалось то, что
при внешне очень сложном виде они, по сути дела, чрезвычайно просты, так
как представляют собой множество взаимосвязанных элементов, одинаковых
по структуре, но отличающихся друг от друга, главным образом, своими разме286
рами. О таких фигурах часто говорят, что они обладают «масштабным подобием» или «масштабной инвариантностью». Это означает, что если увеличить
масштаб фрактала, чтобы обнаружились самые мелкие его детали, то последние
будут иметь такую же конфигурацию, что и самые крупные элементы, содержащиеся в структуре фрактала. Данная особенность хорошо прослеживается
при сопоставлении географических карт разного масштаба, на которых представлены контуры одной и той же береговой линии. Если на крупномасштабной
карте она имеет ломаный характер, то и на маломасштабной карте, отражающей лишь отдельный участок берега, обнаружится точно такая же по характеру
изломанность. Такое свойство фрактальных структур крайне заинтересовало
специалистов по компьютерному хранению информации, поскольку благодаря
знанию природы этих структур появляется возможность компактивизации
чрезвычайно больших объемов информации, которые в случае необходимости
легко восстанавливаются с помощью применения очень простого по своей сути
алгоритма.
В настоящее время синергетика – это динамично развивающаяся область
науки, с которой связываются большие ожидания. Однако похоже на то, что
вскоре может прийти мода на иного рода исследования столь же масштабного
характера.
КАНДИДАТЫ НА СТАТУС УНИВЕРСАЛЬНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Кибернетика, системология и синергетика – это универсальные дисциплины, которые уже получили заслуженное признание. Любопытно, что их последовательное возникновение носит характер пульсирующего процесса:
– рождение кибернетики, взрыв энтузиазма, методичная работа, спад интереса...
– рождение системологии, взрыв энтузиазма, методичная работа, спад интереса...
– рождение синергетики, взрыв энтузиазма, методичная работа...
Таким образом, наука в своем бытовании предстает в виде сложного образования, существование которого носит на удивление прерывистый характер, в
чем, конечно же, обнаруживается влияние научной моды. И все же, прежде всего, в самом факте возникновения названных дисциплин хотелось бы выделить
главное, заключающееся в том, что тенденция к выработке общезначимых,
универсальных систем знания, обозначившаяся во второй половине XX в., не
исчезает; она не только сохраняется, но и постоянно обогащается благодаря
выдвижению все новых идей в рамках исследований, проводимых в данном
направлении. Понимание того, что мы имеем дело с совершенно особым видом
научной познавательной деятельности, позволяет заметить, что в один ряд с
кибернетикой, системологией и синергетикой встают очередные претенденты
на право стать законодателями научной моды. Причем для них также характерна универсальная приложимость формируемых ими конструктов.
Есть все основания предполагать, что прежде всего может выкристаллизоваться обобщенная наука о закономерностях периодических движений. Для
удобства рождающуюся науку можно было бы обозначить как ритмологию (с
287
учетом того, что уже существует, скажем, «биоритмология»). К периодическим
движениям, сходство проявления которых в разноприродных объектах и могло
бы составить предмет ритмологии, принято относить колебания, волны и циклы. Обычно при этом подразумевают, что колебания (ритмы) – это повторения
одного и того же состояния (или события) через равные промежутки времени;
под волной понимают распространение колебаний в пространстве; в свою очередь, цикл – это колебательный процесс, в котором начало очередного колебания всякий раз несколько сдвигается относительно исходного состояния.
Начальные научные сведения о периодических движениях активно накапливались в ходе изучения колебаний маятника, а также световых и акустических явлений (звука). Позже добавились данные об электрических колебаниях и
колебаниях в жидкостях, а первые обобщающие труды были посвящены именно таким колебательным процессам и появились в конце XIX в. Соответственно, до середины нашего столетия всякий академический труд с названием
«Теория колебаний» содержал сведения лишь о периодических движениях в
чисто физических и технических системах. Между тем уже в первой трети XX
в. появились специальные работы о колебательных процессах в объектах нефизической природы. Так, большой интерес вызывают труды А.Л.Чижевского [8],
показавшего еще в те далекие времена, что деятельность человека и общества
подвержена циклическим изменениям, причем эти перемены вполне отчетливо
коррелируют с периодическими (прежде всего 11 -летними) изменениями в активности Солнца. Статистические данные весьма определенно свидетельствовали, что активизация нашего светила ведет к всплескам социальной энергии, к
инициированию войн, массовых выступлений, творческих порывов и прорывов,
мощных политических сдвигов...
Второе интересное направление в развитии нефизических представлений о
ритмических процессах связано с именем Н.Д.Кондратьева[9]. Он обнаружил,
что развитию экономики присущи отчетливые циклические явления. Они обусловлены тем, что технические и технологические новации, двигающие производство вперед, внедряются не непосредственно после своего появления, а
лишь по мере созревания подходящих условий. Если резервы прежнего производства исчерпаны и его эффективность и приносимая им прибыль падают, то
включается инновационный механизм. Вслед за этим начинается рост производства, оживление экономической деятельности и падение интереса к новым
инвестициям. Система начинает функционировать по инерции, расходуя заложенный в ней потенциал и постепенно утрачивая динамизм. Все опять приходят к осознанию важности нововведений, но уже на новом уровне экономического и технологического развития. Возникает ситуация готовности к началу
нового этапа циклического процесса.
Таким образом, de facto в научно-исследовательской деятельности XX в.
постепенно стало намечаться новое, фактически универсальное по характерной
для него ориентации направление, связанное с изучением различного рода ритмических явлений в самых разных по своей физической природе объектах. В
колебательных явлениях особый интерес вызвал феномен резонанса. Резонанс –
это резкое возрастание энергии колебаний при совпадении частоты воздействия
288
на колебательную систему с частотой собственных свободных колебаний данной системы. Как сказал бы теперь синергетик, каждая система имеет специфический аттрактор – частоту наиболее естественных для нее колебаний. Так вот,
если воздействовать на объект с такой частотой, то он начнет очень сильно колебаться даже при малых внешних усилиях. В то же время даже сильные воздействия, частота которых не совпадает с естественными ритмами, могут не
оказать на объект никакого воздействия. Замените рок-группу симфоническим
оркестром, и вы увидите, что поклонники энергичной и подчеркнуто ритмизированной музыки потеряют интерес к исполняемому произведению. Разрешите
роте солдат строевым шагом пройти по мосту, и он может обрушиться. Все эти
явления обладают резонансной природой.
К настоящему времени изучение периодических процессов в объектах различной физической природы приобрело весьма интенсивный и результативный
характер. Все это создает благоприятную основу для понимания того, что вся
жизнь Вселенной пронизана ритмами. Таким образом, пока еще разрозненные
исследования[10–12] отдельных периодических процессов постепенно набирают все более мощный объединительный потенциал, что позволяет вполне уверенно говорить о том, что вскоре может появиться реальная ритмология как
наука об универсальных закономерностях ритмических процессов.
Следующий кандидат на признание его в качестве универсальной подсистемы науки – симметрийные исследования. Поскольку они находятся лишь на
пути к оформлению в новую универсальную дисциплину, то для них еще не
выработано никакого общего, собирательного термина. Для удобства, было бы
естественным ввести понятие «симметриологии» как науки об универсальных
закономерностях симметрийной организации объектов. И хотя до сих пор такой
целостной науки не существует, судя по всему, исследования подобного рода
обнаруживают уже знакомую нам динамику, которая очень напоминает ту, что
была характерна для периода формирования и кибернетики, и системологии, и
синергетики. Поэтому представляется, что было бы целесообразно найти соответствующее имя, которое могло бы консолидировать автономные усилия, прилагаемые в этом направлении в настоящее время, и облегчить тем самым процесс рождения новой научной дисциплины.
Главное понятие формирующейся отрасли научного знания – симметрия
(от греческого symmetria – «соразмерность»), под которой подразумевается сохраняемость, повторяемость, «инвариантность» каких-либо особенностей
структуры изучаемого объекта при проведении с ним определенных преобразований, «трансформаций».
Если давать более академичное определение, то симметрия – это структурная инвариантность относительно заданных трансформаций объекта. Причем,
как теперь стало понятно, набор элементарных типовых трансформаций весьма
невелик. К ним, прежде всего, относят повороты, переносы и отражения[13].
Так, смотрясь в зеркало, мы получаем симметричное отображение, т.е. образ, в
котором сохранено много общего с оригиналом. По принципам симметрии построены многочисленные орнаменты и узоры. Роскошные и разнообразные
узоры симметрии характерны для живой природы: животных и растений. В ис289
кусстве свойство симметрии настолько значимо, что традиционно изучается с
помощью такого специального понятия, как «гармония». Словом, симметрия
чрезвычайно характерна для объектов самой разной природы, и поэтому оказывается универсальным аспектом всего существующего.
Симметрия с таким постоянством сопровождает нас в современной жизни,
что мы нередко вообще не замечаем ее. Яйцо к завтраку, стулья, машина, на которой едешь на работу, дорожные знаки, здания или фасады домов – наш быт
переполнен симметричными объектами».
Очень важно, что симметрийные особенности объектов напрямую связаны
с их самыми разными существенными свойствами, и это очень четко обнаруживается, например, при рассмотрении кристаллов. Кроме того, чрезвычайно
показательно, что с помощью родственной теоретической основы в последние
десятилетия XX в. удалось достичь успехов в систематизации элементарных
частиц. Словом симметрия стоит того, чтобы ею заниматься всерьез и масштабно. Не случайно, что на этот вызов легко отреагировала математика, заблаговременно подготовившая специальную «теорию групп», способную точными
средствами моделировать и анализировать встречающуюся реальную симметрию объектов[14].
Для формирующейся симметриологии крайне любопытны случаи нарушения симметрии. В самом деле, почему в нашей Вселенной существуют атомы
только с положительно заряженным ядром и отрицательной оболочкой? Почему в состав живых организмов входят аминокислоты лишь с так называемой
левой закруткой, хотя в неорганическом мире присутствуют и их антиподы?
Почему мы не любим жесткую, очень правильную симметрию и считаем ее не
очень естественной? Загляните в Пушкинский музей. Вы увидите там удивительные порталы: они вроде бы симметричны, но если приглядеться, то это не
совсем так. Мы, как и природа в целом, стремимся к симметрии и в то же время
избегаем ее прямолинейных проявлений. Почему?
К настоящему времени появились довольно многочисленные публикации,
в которых целенаправленно рассматриваются свойства симметрии у очень разных по своей природе объектов. Правда, пока все еще доминирует своеобразное
разделение труда, при котором одна часть исследователей интересуется, главным образом, симметрией неживой и живой природы, а другая часть – «гармоничными» аспектами жизни, деятельности и творчества человека. Тем не менее
уже есть исследования, ориентированные на создание общезначимых симметрийных представлений. Такую разновидность познавательной деятельности в
силу ее панорамного характера прежде относили, например, к области общей
теории систем. Теперь она, видимо, может быть включена в сферу синергетики.
Но вполне возможно и другое развитие событий, когда симметрийные исследования все же просто самоопределятся в автономную область научного познания, обладающую универсальными возможностями.
В связи с обсуждаемым вопросом нельзя не упомянуть и о возможности
появления общепризнанного универсального учения об экстремумах, которое,
похоже, может оформиться в ближайшее время. Порой же данный вид исследовательских работ относят к рождающейся универсальной дисциплине – «экс290
тремологии». Понятие экстремума в данном случае призвано зафиксировать то
достаточно известное обстоятельство, что всякое изменение в природе входе
своего протекания обнаруживает тенденцию к обеспечению минимального или
максимального значения некоторой величины. Появление этой тенденции далеко не случайно, поскольку наличие соответствующего свойства уже давно заинтересовало и философов, и естествоиспытателей, подобно Эйлеру отмечавших, что повсюду природа действует согласно принципу максимума или минимума. Свойство экстремальности обычно относят к системам, в которых вызываемое движение канализируется и происходит не по любой из возможных траекторий, но лишь по той, которая характеризуется именно экстремальным значением некоторого параметра. Экстремальным при этом может быть или максимальное, или минимальное значение параметра, что зависит от специфики
системы. Скажем, если ставится задача экономии ресурсов, то реализуется она
посредством процесса, обнаруживающего тенденцию к минимизации, а,
например, при стремлении к быстрейшему передвижению проблема состоит в
максимизации скорости перемещения системы. Интерес вызывает то обстоятельство, что описание движений в ходе изучения их экстремальных свойств
предполагает добавление в обычные модели движущихся объектов своеобразного «ценностного» параметра, фиксирующего, что «лучше» и что «хуже» для
пребывающих в процессе изменения объектов. Такой параметр призван обеспечивать отбор из всех траекторий движения той из них, которая, с точки зрения
данного параметра-критерия, выглядит более предпочтительной, экстремальной. Иными словами, подобного рода модели являются некоторым более общим, чем обычные, типом моделей движения, полнее учитывающим существенные черты нашего мира. Сегодня уже вполне понятно, что экстремальность присуща объектам самой различной природы. Так, сточки зрения современной науки, неорганические системы, как и вся неживая природа, характеризуются принципом наименьшего действия, провозглашающим, что любое движение производится минимальным из возможных в данном случае воздействий.
Иначе говоря, природа в своих изменениях отнюдь не расточительна. Подобная
«разборчивость», например, в полной мере присуща свету, «стремящемуся»
двигаться по экстремальной траектории, минимизирующей время движения в
среде. Пути наименьшего сопротивления «выбираются» и электрическим током. Во всех подобного рода случаях наукой признается, что другие варианты
движения теоретически возможны, но практически не реализуемы из-за влияния экстремизирующих движение условий.
Живая природа – это иной класс систем и движений, но анализ показывает,
что изменения на этом уровне также канализированы на основе экстремальных
принципов, обеспечивающих организму максимум шансов на выживание. Высокая эффективность биологических систем хорошо известна, что даже послужило толчком к формированию специальной области знания и деятельности –
«бионики», призванной на основе анализа структур организмов создавать аналогичные совершенные технические конструкции. Будучи реально наблюдаемым, отмеченное качество живых организмов привело к выдвижению в биологии23принципа оптимальной конструкции биосистем, означающего, что такие
291
системы приспособлены к обеспечению своих основных функций наилучшим
образом, позволяющим расходовать имеющиеся ресурсы очень экономно.
Не осталось в стороне от постановки вопросов подобного рода и социальное познание. Более того, выработан целый ряд специальных дисциплин («теория принятия решений», «исследование операций», «системный анализ»), позволяющих находить наилучшие управленческие решения в сложных ситуациях.
Приоритетность решений как раз и связывают с поиском максимума или минимума некоторой важной величины, характеризующей качество того или иного
действия. Если речь идет о прибыли, то ее стараются максимизировать, если о
потерях времени, то ищут пути их минимизации.
Для большей точности следует отметить, что изучение реальных объектов
и процессов выявляет, по крайней мере, одну распространенную, интересную и
существенную поправку к сказанному. Как оказывается, на самом деле зачастую реализуются состояния и структуры, обладающие не экстремальными, но
«удовлетворительными», достаточными для обеспечения нормального функционирования соответствующей системы характеристиками. Похоже, что тем самым дает о себе знать своеобразная «мудрость» объективных процессов, которые нацелены на то, чтобы при достижении объектами своего развитого вида
были бы учтены условия их существования в будущем. Это отражается и в философии управления, которая теперь обычно ориентирует на принятие не экстремальных, но более умеренных, «оптимальных», решений. Отсюда и новый
поворот в работе исследователей универсальности экстремальных соотношений, которые предпочитают говорить не об экстремологии, но об «оптимологии». Появились даже первые систематические исследования этой группы универсальных свойств. Наиболее последовательно в этом направлении работает
О.С.Разумовский, который определяет свою общую позицию следующим образом: «Оптимология – это общенаучная и трансдисциплинарная по отношению к
целому ряду современных наук и теорий область знания, дисциплина, которая
реально нацелена на описание и анализ наилучшего, худшего, наихудшего, а
также безразличного, нейтрального. Оптимология должна обобщить результаты
и содержание науки обо всем этом. У нее есть свой объект, есть предмет и свои
методы. Она предлагает свое, особое, оптимизационное мышление, особый
подход, обобщает хорошо развитые, например в экономической науке, методы
оптимизации, а также деструкции и индифферентизации. А это значит, что оптимология сопоставима по уровню общности с кибернетикой, информатикой,
синергетикой и другими науками»[15].
И все же до настоящего времени изучение экстремумов и особенностей их
проявления в процессах, обладающих различной физической природой, еще не
интегрировано в общепризнанное концептуальное целое. Исследователи разной
профессиональной принадлежности пока продолжают чаще всего работать автономно друг от друга, не объединяясь в единое движение по освоению нового
универсального феномена, но специализируясь в отдельных областях науки.
Однако, принимая во внимание тот факт, что уже выделился целый набор дисциплин широкой значимости, а также то обстоятельство, что в исследовании
экстремумов и оптимумов отчетливо проявляется постепенное возрастание
292
консолидирующей динамики, можно предположить, что со временем все имеющиеся данные, относящиеся к обсуждаемому вопросу, будут обязательно интегрированы в едином массиве знания. Во всяком случае уже имеются публикации[16], в которых изучение экстремальности и оптимальности рассматривается именно как задача, затрагивающая интересы одновременно самых разных
специальных областей науки, что можно рассматривать в качестве подтверждения высказанного предположения.
Наконец, нельзя не упомянуть и еще об одном направлении исследований,
которое, как и уже перечисленные, характеризуется обращением к поиску закономерностей, проявляющихся равным образом и в неживой природе, и в органическом мире, и в социальных системах, что выполняет роль ориентира для
исследовательских работ в области глобального эволюционизма. Глобальный
эволюционизм – это направление теоретических исследований, ориентированное на выявление единых сквозных закономерностей, которым подчиняется
становление и эволюционное развитие объектов всех известных ныне структурных уровней бытия. В данном случае исследователи решают задачу, которую можно охарактеризовать следующим образом: «...Различия между науками
преувеличены до такой степени, что они способны ввести в заблуждение широкую публику. В результате мы имеем сегодня многочисленные высокоспециализированные и проводимые независимо исследования эволюции конкретных
сущностей – таких, как звезды, бабочки, культуры или личности, но располагаем весьма немногими (если располагаем вообще) истинно универсальными
представлениями об эволюции как о фундаментальном процессе»[17].
Разумеется, изучение общего в процессах развития отнюдь не является совсем уж новым делом. Этим уже активно и достаточно плодотворно занималась
философия. Однако возникновение термина «глобальный эволюционизм» было
обусловлено открытием целого ряда реалий, которые не были известны прежней науке и прежним эволюционным исследованиям. Потребность в конституировании глобально-эволюционных разработок стала осознаваться к 80-м гг.
XX в. Об этом свидетельствовала целая совокупность накопленных фактов широкой значимости. Формирование синтетической теории эволюции, существенный рост знания о закономерностях социального развития и т.п. высветили со
временем явный дисбаланс этих достижений с общеэволюционным содержанием философии.
Возникновение кибернетики, развитие системных исследований, формирование других наддисциплинарных разработок отчетливо продемонстрировали,
что однородность и сходство разноприродных сфер бытия (неорганического
мира, органического мира и мира социальных систем) значительно выше, чем
это виделось прежде. В свою очередь, развитие неравновесной термодинамики
позволило снять барьер между прежними эволюционными антиподами – живой
и неживой природой – и включить их в единые концептуальные рамки, успешно задаваемые сегодня синергетикой.
Ухудшение экологической ситуации в последние десятилетия также заострило внимание на том, что человек и общество не могут рассматриваться совершенно автономно от природы, и поэтому адекватен лишь тот подход, кото293
рый органично вписывает человека в фундаментальные структуры и процессы
Вселенной, т.е. изначально предполагающий их совместное рассмотрение. Так,
в науке постепенно вызрело стремление к совершенствованию, к существенному расширению общеэволюционных представлений, к их развитию на основе
активного использования многочисленных сопутствующих наработок, накопленных к настоящему времени, что и обусловило появление новой формы теоретической деятельности, которая обладает своей спецификой, панорамным характером и может быть определена как исследования в области глобального
эволюционизма.
Новое исследовательское направление находится пока на стадии постепенного формирования, интегрируя усилия своих сторонников, а поэтому для обозначения относящихся к нему работ[18] используются разные термины («универсальный эволюционизм», «изучение самоорганизующейся Вселенной» и
др.). Развитие новой эволюционной парадигмы осуществляется в рамках двух
основных и постепенно сближающихся подходов. Один из них, синергетический, опирается на признанные модели самоорганизации, разработанные,
прежде всего, в науках о неживой природе, и экстраполирует их на другие области научного познания. Второй подход, собственно эволюционный, берет за
основу систему биологических представлений, учитывая высокий уровень их
проработанности и тот факт, что биология, с одной стороны, обнаруживает
свою естественную близость социальному знанию, ас другой стороны – знанию
о неживой природе, что облегчает трансляцию именно общебиологических
идей.
Канонической модели глобальной эволюции еще не существует. Однако
мои оценки показывают, что развитие исследований в области глобального
эволюционизма в дальнейшем может пойти за счет последовательной конкретизации следующих идей:
1. Историческое существование Вселенной – это не однонаправленное
движение в сторону усложнения или к «тепловой смерти», а взаимопереплетение эволюции двух противоположных типов. Интегральную историческую изменяемость Вселенной точнее выделять как «космогенез». Глобальный эволюционизм ориентирован на теоретическое воспроизведение прежде всего той составляющей космогенеза, которая выступает как процесс устойчивого и последовательного порождения все большего разнообразия Природы. Последняя характеризует «историческую эволюционную ветвь» космогенеза (в отличие от
дополняющей ее «термодинамической ветви»).
2. Исходными объектами глобально-эволюционного анализа являются
специфические природные системы с эволюционной самодетерминацией – суверенные «эволюционы». К примерам систем такого типа следует, прежде всего, отнести гидролитоатмосферу, биосферу, ноосферу. Именно подобного рода
объекты, похоже, являются основными природными образованиями, реализующими импульсы, стимулирующие прогрессивное развитие. Глобальная эволюция в таком случае выступает в виде последовательного порождения все новых эволюционов, единство структуры и динамики которых еще надлежит изучить.
294
3. Историческое движение эволюционов предстает как процесс «коэволюции», т.е. как процесс, происходящий в пределах некоторых более масштабных систем, задающих иерархию «ниш развития». Развитие эволюционов существенно предопределено ограничениями и особенностями освоенной области
Вселенной – соответствующей экологической ниши. Как об этом сегодня в
полной мере свидетельствуют экологические проблемы планетарного масштаба, успешная прогрессивная эволюция не может быть «эгоистичной» и напоминать действия «ковбоя», она обязана согласовывать свой ход с возможностями
своей ниши, с окружающими природными образованиями.
4. Материальные объекты обладают набором внутренне предпочтительных состояний, что в определенной мере «канализирует» возможные эволюционные процессы. Однако смена состояний вовлеченных в эволюцию систем
может происходить скачкообразно, причем непредсказуемо, что требует осознания серьезности фактора случайности в реальном осуществлении процесса
глобальной эволюции.
Оценивая состояние исследований в области глобального эволюционизма,
можно предположить, что они еще ждут своего звездного часа и находятся в
своеобразном режиме ожидания, то робко напоминая о себе научному сообществу, то уходя в тень более заметных сегодня дисциплин родственного плана.
Таким образом, со второй половины XX в. в науке происходит методичное
наведение мостов между прежде разрозненными областями знания. Причем
стихийно протекающий процесс не сводится к уже хорошо известному ныне
формированию пограничных дисциплин вроде физической химии, биохимии
или социологии. Нет, появившиеся недавно исследования обладают иной спецификой: все они исходят из отчетливого признания того, что в изучаемых разными фундаментальными науками объектах (или мирах, к которым они принадлежат) много общего, родственного, сходного и что их оказывается полезно
рассматривать совместно, в рамках некоей единой познавательной деятельности.
ЧТО ПРОИСХОДИТ С КАРТИНОЙ МИРА?
Чтобы стала понятна суть происходящих перемен, целесообразно первоначально очертить тот доминирующий образ мироздания, который был унаследован наукой XX в. от прежних времен и еще недавно жестко определял организацию и характер научного поиска, преподавания и использования научных
знаний. Во многом он влияет на познавательную деятельность и ныне, хотя уже
все менее навязчиво. Когда он был в силе, то в своем, так сказать, классическом
варианте представлял собой следующий набор общих утверждений:
1. Все изучаемые наукой объекты – это проявления общей субстанции,
свойства которой отражаются, реконструируются и изучаются философией.
Именно в силу существования субстанциальной общности в самых различных
объектах можно найти сходные свойства и качества, хотя таковых относительно немного, что выражается весьма ограниченным набором философских категорий.
295
2. Субстанция являет себя в виде объектов, относящихся, прежде всего,
к трем основным большим сферам реальности: к неорганическому миру, органическому миру и к миру социальных систем.
3. Основные сферы реальности возникли последовательно как порождения гигантского эволюционного процесса, стихийно создав характерную «лестницу бытия». Более поздно возникшие сферы бытия по сравнению с предшествующими обладают большей сложностью, а потому и дополнительными
свойствами. Соответственно, хрестоматийными стали выражения, вроде: развитие – это изменение от простого к сложному; человек – это венец, высшее достижение космической эволюции, с которым несопоставимы куда более примитивные объекты иной физической природы.
4. Объекты выделенных сфер бытия в силу их различия естественно
изучать автономно и в рамках отдельных, иерархически упорядоченных специальных наук (физики, химии, биологии, социологии). Изучение обнаруживаемой общности становится задачей философии и философов.
5. Массив научного знания, таким образом, естественно делится на две
части: собственно научную (специальные, частные, конкретные науки) и философскую.
Приведенная схема при всей своей простоте, а может быть, и благодаря
этой простоте, довольно длительное время определяла полезное разделение
труда в науке и в общем, видимо, выражала объективное положение вещей. Но
именно этот образ мира пришел в явное несоответствие с развивающимся
научным познанием XX века, когда неожиданно стали происходить описанные
выше удивительные вещи, входящие в противоречие с привычными представлениями, и появилось целое семейство новых наук трансдисциплинарного характера, иными словами, систем научного знания, ломающих границы, которые
разделяли традиционно признанные науки. Раньше подобное дозволялось лишь
философии. Но то, что было порождено Большой наукой за последние пятьдесят лет, теперь обрело некий необычный статус: не философский, но все же выводящий новые дисциплины за привычные рамки фундаментальных наук. Оценивая эти новации в целом, т.е. анализируя появление целого семейства рассмотренных выше новых универсальных наук, невольно наталкиваешься на несколько крайне любопытных и значимых вопросов, на которые важно найти ответы:
1. Поскольку, начиная с середины нашего столетия, в разноприродных
сферах бытия открываются все новые и новые существенно сходные между собой свойства и закономерности, возникает естественный вопрос: можно ли сделать этот процесс систематическим и более эффективным? К сожалению, фило296
софская идея субстанции лишь не запрещает ставить этот вопрос, но его решению не способствует.
2. Если к настоящему времени под эгидой разных наук уже выявлена
значительно большая, чем это предполагалось прежде, однородность объектов
и процессов, относящихся к различным структурным уровням Вселенной, то
кто может сегодня категоричным образом устанавливать пределы такой однородности? Кстати, идея субстанциального единства мира совсем не создает
препятствий для самых смелых экстраполяционных фантазий и даже поощряет
их.
3. Полезно задуматься и о том, как же должно быть устроено здание
Большой науки, чтобы в нем могло органично разместиться все то, что наработано новыми научными дисциплинами. Встречающееся порой простое указание
на то, что новый слой знания является «промежуточным» между философией и
специальнонаучным знанием, носит лишь чисто предварительный характер и,
естественно, не слишком операционально. Остановившись на этом, мы просто,
образно говоря, заметем мусор под коврик: предмет, вызывавший у нас беспокойство, до поры до времени непосредственно раздражать уже не будет, но, вообще-то говоря, не исчезнет совсем, как этого хотелось бы. Кроме того, определение новых панорамных дисциплин как «промежуточных» мешает увидеть,
что между категориальным строем философии, с одной стороны, и конструктами синергетики, ОТС и других трансдисциплинарных наук, с другой стороны,
имеется очень интересное родство: все они обладают универсальным статусом,
выделяющим их из множества традиционных специализированных наук и дисциплин. Так что лучше попытаться их проанализировать совместно, противопоставляя блокам более специальных наработок.
4. Что за странный новый комплекс знания стал формироваться в последние годы? Отличительной чертой этого кристаллизующегося целостного
массива является то, что он обладает общим теоретическим ядром, в принципе
приложимым к самым разным областям традиционного научного знания.
Раньше подобной обособленностью обладала лишь философия. Правда, была
еще математика, но она выполняла вспомогательную и несколько неопределенную роль. Теперь же достаточно неожиданно обнаруживается, что из ставшего
уже привычным философского онтологического базиса произрастает мощный
«куст» детализирующих его ответвлений, который состоит из современных
универсальных нефилософских дисциплин. В итоге сквозь мир вещей вдруг
начал проступать заметно обновленный, но вполне узнаваемый образ гегелевской «абсолютной идеи». В целом складывается впечатление, что во Вселенной
существует некая мощная и единая матрица, сходным образом обусловливающая существование и неорганических, и органических, и социальных объектов.
Но как тогда относиться к изучающему данную матрицу комплексу универсального знания и как им оперировать?
Такова совокупность вопросов, которая может и, на мой взгляд, должна
представлять интерес для любого исследователя, занимающегося общими проблемами методологии современного научного познания. Она приводит к мысли, что в некогда сложившейся и ставшей доминирующей в науке картине ми297
роздания что-то неладно, и, соответственно, возникает желание и появляется
необходимость поразмышлять над возможностью существования других подходов к толкованию имеющегося сегодня фактологического базиса. В основание же возможного подхода к рассмотрению возникшей интересной проблемы
может быть положена идея однородного мироздания.
Допустим, что «лестница бытия» (т.е. цепочка структурных уровней материального мира) вопреки общепринятому убеждению существенно однородна.
В таком случае могут и должны быть найдены различные свидетельства, подтверждающие это предположение. Естественным дополнением к выдвинутому
тезису является мысль о том, что если традиционные образы мира и науки сегодня уже не выглядят удовлетворительными, то следует провести их специальную «проверку на прочность»: в нем могут и должны быть найдены и другие слабости и спорные места, подтверждающие целесообразность поиска новой точки зрения. Оказывается, что избранный подход имеет достаточно очевидные следствия, которые могут быть обсуждены, дополнены и подвергнуты
критике, т.е. он продуктивен, и это говорит в его пользу. Причем продуктивность рассматриваемого представления о мироздании заключается не только в
том, что оно позволяет более органично и с большей полнотой учесть реалии
современной науки, но и в возможности увидеть серьезные неясности на, казалось бы, уже хорошо известном и проработанном исследователями «игровом
поле».
Обращаясь к идее однородной «лестницы бытия», прежде всего хотелось
бы подчеркнуть, что ее следует рассматривать, разумеется, |пока лишь как гипотезу. Такая постановка вопроса, конечно, предполагает необходимость
предъявления определенных аргументов в [пользу развиваемой точки зрения. В
то же время, как хорошо известно, признание идеи в качестве гипотетичной избавляет от необходимости ее немедленного согласования со всей суммарной
фактологией, которая в чем-то может даже противоречить выдвинутой идее или
же в силу недостатка накопленных данных ни подтверждать, ни опровергать ее.
Какое же знание и какие соображения можно было бы положить в основу рассмотрения заявленной идеи?
Основанием для подобного рода работы становится признание того обстоятельства, что в ходе развития науки последних десятилетий из ее состава постепенно вычленяется объемный массив универсального знания. Все его компоненты обладают единой отличительной особенностью: они не являются характеристиками свойств объектов лишь одного структурного уровня бытия, поскольку эти свойства обнаруживаются у объектов, обладающих разной природой. Таким (образом, обновленный и более точный образ мироздания, прежде
'всего, должен учитывать появление этого солидного массива очень нетипичного знания. Однако уже имеется возможность опереться не только на данную
важную предпосылку.
Обратим внимание на то, что теоретически разработанная конструкция,
называемая современной картиной мира, основывается на использовании определенного парадигмального основания, которое после выхода в свет работ
К.Вольфа обозначается как «эпигенетическая» модель развития. Эта модель
298
возникла в противовес распространенному преформистскому пониманию процессов онтогенеза и в отличие от него акцентировала внимание на появлении
нового в развитии, на возникновении из первичной аморфной субстанции все
более сложных образований. Именно данный парадигмальный образ был реализован при интеграции научного знания, что в конечном счете и рассматривается нами как привычная научная картина мира. Между тем сегодня становится
все более понятным, что это парадигмальное основание отнюдь не бесспорно.
Уже «к концу XIX века стало очевидно, что исходный материал всякого онтогенеза далеко не так прост и бесструктурен, как это принималось ранее»[19]. На
основе такого вывода возникло сомнение в надежности эпигенетической парадигмальной установки: «Современная палеонтология и современный трансформизм набрасывают перед нами картину «видимого эпигенеза»: жизнь на
земле развивалась большею частью прогрессивно, более совершенные формы
происходили от менее совершенных, высоко организованные от более простых
и т.д. Этот последовательный процесс повышения многообразия животного и
растительного царств можно было бы считать эпигенезом. Но есть ли какаялибо твердая уверенность в том, что уже самые первые обитатели земли не содержали в себе никаких "зачатков" и предрасположений к многообразию и
сложности организации их отдаленных потомков? ...Относительно природы
филогенеза – является ли он эпигенетическим или же преформированным процессом – мы в настоящее время лишены достаточной возможности прямого
решения вопроса»[20].
Открытие ДНК говорит о том, что первичная «простая» субстанция оказывается очень сложным образованием, причем есть весьма последовательное соответствие между ее структурами и структурами, которые обнаруживают себя в
ходе онтогенеза. Таким образом, размышляя о надежности современной научной картины мира, уже нельзя не думать о том, что ее парадигмальный базис
стал весьма уязвимым. Сегодня, создавая модель глобальной эволюции, полезно поразмышлять над тем, что, возможно, реконструируемые нами процессы
восхождения от простого к сложному носят локальный характер, т.е. происходят в пределах отдельных структурных уровней бытия. Что же касается основной структуры глобально-эволюционного процесса, то, видимо, она в целом является инвариантной, в основе своей однородной, повторяющейся, о чем, собственно, и свидетельствует появление кибернетики, синергетики, общей теории
систем и других дисциплин аналогичного класса.
В этой связи очень симптоматичным выглядит и упомянутое выше открытие фрактальных структур, которые теперь вполне могут претендовать на роль
парадигмального основания для обновленной научной картины мира. Как уже
говорилось, это открытие позволяет видеть, что самые разнообразные структуры, воспринимаемые нами на макроуровне как сложные, представляют собой
результат суммирования одинаковых по своему типу образований, которые отличаются друг от друга только масштабами. Иными словами, появление фрактальных моделей прямо свидетельствует, что эволюция прокладывает себе дорогу путем регулярного воспроизведения структур, набор которых уже создавался ею в ходе формирования более ранних по своему происхождению сфер
299
бытия. Общий характер происходящих в Большой науке перемен позволяет
предположить, что фрактальность, повторяемость одних и тех же закономерностей и свойств в объектах различных структурных уровней бытия в полной мере касается не только их морфологических, но и принципиальных динамических особенностей.
Плохо согласуется с устоявшимися мировоззренческими установками и
тот факт, что глубины микромира вместо приписываемых им традицией примитивизма и простоты со временем демонстрируют свое все более богатое внутреннее содержание. Во всяком случае за последние годы появилось много признаков того, что на мир естественно возникших объектов, которые относятся к
неорганической природе, необходимо смотреть, как на значительно более
сложное, чем это обычно представлялось, образование. Потому и становятся
все более привлекающими внимание высказывания вроде: «В начале века физики были очень близки к тому, чтобы свести структурные единицы вещества к
небольшому числу "элементарных частиц", таких, как электроны и протоны.
Теперь мы далеки от столь простого описания. Как бы ни сложилась в будущем
судьба теоретической физики, "элементарные" частицы обладают слишком
сложной структурой, для того чтобы утверждение о "простоте микроскопического" можно было принять всерьез»[21].
Об излишней упрощенности нашего взгляда на неорганический мир в последнее время все чаще говорят экологи. Как выясняется, окружающая нас среда «живет» по своим вполне определенным и сложным правилам, которые еще
предстоит изучить в полной мере и с которыми нельзя не считаться. Если еще
совершенно недавно господствовало убеждение, что природа – это лишь примитивный пассивный объект, являющийся просто средством достижения человеком своих целей, то в последние годы отмечается довольно радикальный поворот в умонастроении многих исследователей экологических проблем, вставших перед человечеством. Постепенно приобретает значимость подход, в рамках которого, например, отчетливо высказывается желание, «чтобы мы наделили правами леса, океаны, реки и другие так называемые "природные объекты" в
окружающей среде и, несомненно, саму окружающую среду как целое» 32. При
этом напоминается, что человечество постепенно наделяло правами тех, кто
прежде был их лишен: рабов, национальные меньшинства, женщин, детей.
Огромные возможности, скрытые в мире объектов неорганической природы, демонстрирует прогресс в развитии нанотехнологии. Создание больших интегральных схем показывает, что сложные информационные процессы, во многом считающиеся характерными именно для человеческой деятельности, могут
вполне успешно быть «загнаны» в микромир и воспроизведены там с использованием носителей все более малых размеров. Более того, в последние годы
встал вопрос о воссоздании в микромасштабах уже не отдельных процессов, но
целого мира микророботов. Таким образом, с помощью доступных нам, но пока
еще очень грубых средств мы уже можем создавать в микромире весьма сложные объекты. Естественно предположить, что с тем большим успехом сама
природа способна создавать на микроуровне еще более сложные образования,
поскольку она, располагая колоссальным запасом времени, могла пользоваться
300
куда более тонкими и разнообразными средствами. Словом, сама возможность
постановки вопроса[22] о прорыве в развитии нанотехнологии и сделанные
практические шаги в продвижении к его решению, думается, также свидетельствуют о том, что структурные уровни мироздания обладают существенной однородностью.
Очевидно, что для подтверждения перспективности и достаточной основательности предлагаемого взгляда на Вселенную необходимо ответить и на следующее вполне естественное замечание-вопрос: если мироздание однородно,
то, видимо, в неорганическом мире мы должны находить и жизнь, и чувственность, и сознание, словом, все то, что хорошо знакомо и легко фиксируемо при
изучении объектов высших структурных уровней материального мира? Подтверждается ли подобное предположение в процессе развития науки?
Думается, что в случае принятия идеи однородного мироздания постановка вопроса о наличии или отсутствии в неорганическом мире сознания, чувственности и жизни, действительно, выглядит вполне естественной, хотя и интригующей. Как я полагаю, сознающие, чувствующие и живые системы может
стихийно породить только такая субстанция, которая обладает соответствующими атрибутивными свойствами, точнее, их предпосылками. В этой связи
вспоминаются слова Тейяра де Шардена, верно подметившего, что «какой-либо
феномен, точно установленный хотя бы в одном месте, в силу фундаментального единства мира необходимо имеет повсеместные корни и всеобщее значение»[23].
Данное предположение, как уже говорилось, находит довольно неожиданное подтверждение в наше время в самом факте образования целого ряда универсальных дисциплин. В связи с этим действительно возникает надежда найти
в неорганическом мире истоки известных нам развитых форм сознания, жизни
и чувственности. Однако пока остается неясным не только то, где они локализованы и в каких формах существуют, но и существуют ли они вообще. Ведь до
сих пор систематическому изучению подвергается лишь достаточно ограниченная сеть уже ставших привычными для естествоиспытателей неорганических взаимодействий.
Принципиальная проблема состоит в том, что ответить на поставленный
вопрос невозможно без специального систематического изучения мира неорганики. Однако для этого требуется разработка специальных подходов к изучению природы, которые опирались бы на идеологию однородного мироздания. И
пока исследователи заражены иронией и скепсисом, трудно надеяться на получение ответов на такие, внешне очень простые, но нестандартно сформулированные вопросы, как: «Может быть, неживым мы называем просто то, в чем не
умеем видеть живое?»[24]. В самом деле, вспомним, что еще в прошлом столетии в человеке видели лишь тепловую машину. Или, например, при описании
поведения галактик, в том числе и нашей галактики, сегодня вполне удовлетворяются только астрофизическими средствами и моделями. Но в то же время для
нас вполне очевидно, что это неполное описание, так как по крайней мере наша
галактика не чисто физична – в ней, как известно, присутствуют и жизнь, и сознание. Разве допустимо категорически утверждать, что аналогичная картина
301
не может возникнуть в результате рассмотрения других «чисто физических»
объектов? Это обстоятельство осознается даже подчеркнуто консервативными
по отношению к обсуждаемому вопросу физиками, отмечающими, например,
что «мир как единый живой организм – идея, конечно, фантастическая, но не
более, чем основанные на строгой теории относительности гипотезы физиков о
том, что внутри каждого электрона спрятана новая вселенная, где, возможно,
существует жизнь и разум, как в нашей»[25].
Суммируя все сказанное, еще раз выделю главное. На мой взгляд, есть основания считать, что успехи в развитии научного познания привели к необходимости радикального преобразования сложившихся ранее мировоззренческих
установок и к развитию новой онтологии, учитывающей, что между основными, традиционно выделяемыми областями бытия резкой противопоставленности по свойствам нет. Мы привыкли воспринимать мир, созданный глобальной
эволюцией, в виде цветка, для которого характерна четкая иерархическая организация: его удерживает пассивный грунт, далее следуют наполненные жизнью
стебель и листья и, наконец, над всем возвышается самое удивительное – сам
трепетный цветок. Образ хорош, тем более, что он антропоцентричен. Однако
возможен вывод, к которому уже неоднократно приходили на протяжении всей
истории познания Мира: человек все же может оказаться не центром Вселенной. Появление массива универсального знания делает вполне допустимым
предположение, что более корректной и плодотворной окажется «архитектурная» метафора. Мир, на мой взгляд, более напоминает строящийся многоэтажный дом (т.е. именно миро-здание). По некоему генеральному плану все его
этажи должны быть конструктивно сходными, хотя, понятно, реальные жильцы
придают определенное своеобразие каждому «этажу» и каждой «квартире».
Готовые этажи дома заселены, т.е. наполнены жизнью, страстями, общением, но это, естественно, не очень заметно внешнему наблюдателю. Мы с вами
находимся на верхнем, пока все еще строящемся этаже. Нижние этажи в силу
их отдаленности от нас лишены четких контуров, они выглядят безжизненными
и примитивными. А вот наш строящийся этаж представляется нам кипучим, деятельным и неповторимым, в том числе и по своей структуре. Это и понятно.
Ведь строительная площадка занята не просто скучными стенами готовых этажей, а разнородными предметами: здесь торчат прутья арматуры, высятся кучи
строительного мусора и т.п. Потому вроде бы имеются все основания заявить,
что мы, конечно же, неповторимы. Однако замечу, что если архитектурная метафора корректна, то человечество имеет шанс вскоре прозреть: со временем
даже рядовые обитатели верхнего этажа поймут, что, не осознавая того, уже
строят или что все же лучше всего было бы построить то же самое, что уже было создано при строительстве нижних этажей. В этом состоит нечто «должное»,
канализирующее эффективную деятельность. Отсюда вытекает, что исследователям не грех заблаговременно вырабатывать некие ориентиры, дабы при строительстве коллективного дома своевременно предупреждать окружающих о
том, ЧТО такое хорошо и что такое плохо. Каким же образом может быть организована подобного типа познавательная деятельность в качестве систематизированного целого?
302
Появится ли Megascience?
Сегодня исследователю, для которого интересно и значимо отслеживание
глобальных тенденций в развитии современной Большой науки, оказывается
доступен ряд очень любопытных и весомых фактов, над которыми стоит поразмышлять:
1. Появилось много признаков того, что существенной однородностью
обладают объекты не только одного структурного уровня материального мира
или одной физической природы, но и объекты нескольких эволюционно связанных и образующих некую последовательность миров. Это и было зафиксировано выше с помощью введения представления о том, что «мироздание однородно».
2. К настоящему времени сформировалось целое семейство универсальных дисциплин, которые, дополняя и детализируя философские онтологические
представления, являют собой мощный комплекс однородного знания, применимого в отношении и неорганических, и органических, и социальных систем.
3. Появились «панорамные» универсальные дисциплины. Растет число
изданий, в которых представлены вполне академичные и систематизированные
попытки построения научной картины мира, учитывающей важнейшие достижения современного научного познания. Физики всерьез озабочены вопросом
создания «теории всего», которая в принципе была бы способна описать полное
многообразие явлений в пределах нашей Вселенной. Аналогичные по масштабу
исследования разворачиваются и, так сказать, с другой стороны. Как было замечено в этой связи одним из известных специалистов по МАКРОСОЦИОЛОГИИ
«до недавнего времени я гордился тем, что являюсь одним из немногих социальных исследователей, которые работает с очень продолжительной исторической перспективой. Такие социологи, как Манн и Коллинз, рассмотрели историческое развитие, охватив 5ООО лет всемирной истории; Кристофер ЧейзДанн, Томас Д.Холл и я рассмотрели по меньшей мере 10ООО лет. Я думал,
никто не сможет превзойти этот последний рубеж. Но скоро оказалось, что я не
прав. В 1996 г. были опубликованы две книги: "Динамическое общество" Грэма
Дональда Снукса и "Структура большой истории" Фредди Спира, которые нас
посрамили. Первая из этих книг охватывает последние четыре миллиарда лет
органической и социальной эволюции, а другая имеет подзаголовок "От Большого взрыва до сегодняшнего дня". Судя по тому, как космологи рассчитывают
возраст Вселенной, это около двадцати миллиардов лет»[26].
Все это указывает на то, что наряду с глобализацией жизни и деятельности
ныне стихийно происходит глобализация познания. Иначе говоря, узкоспециализированная работа с отдельными видами объектов все более активно дополняется интересом к взаимоотношениям классов объектов. При этом сами классы рассматриваются в абстрагированном виде, без особой внутренней структурированности. За счет этого работа на трансдисциплинарном уровне оказывается соразмерной по своему объему с работой обычного творчески работающего
исследователя.
303
4. Имеется довольно много различных и весьма детализированных попыток построения классификации наук. Обычно как-то не замечается, что по сути
дела при этом фактически создаются различные версии классификации объектов. Причем подчеркну, что таким образом, по существу, ведется работа по созданию систематики объектов нашей Вселенной.
Размышляя над описанной выше «экзотикой», я пришел к убеждению, что
на наших глазах происходит мощное, буквально «тектоническое», преобразование структуры науки. Похоже, что ныне на новом масштабном уровне реализуется процесс, аналогичный тому, что привел в XVIII–XIX вв. к самоопределению крупных систем знания, которые сегодня обычно называют основными
(фундаментальными) науками. Напомню, что в тот, отстоящий от нас на 200150 лет период рационально оформились биология, геология, химия, была провозглашена необходимость построения социологии. Этому предшествовали
накопление огромного материала и его методичная обработка, что и создало
основу для рождения новых обширных наук.
За прошедшее с той поры время познание продвинулось далеко вперед.
Очень похоже, что процесс наукогенеза, т.е. исторического порождения новых
наук, сейчас начинает реализовываться на очередном, более масштабном, чем
прежде, уровне. Фактически этот процесс предстает как постепенное стягивание отдельных «континентов знания» в единый «суперконтинент». С учетом
нетрадиционности формирующейся системы знания ее целесообразно зафиксировать специальным образом. Представляется оправданным, в соответствии с
масштабностью охватываемого круга явлений, присвоить выделяемой системе
(«ячейке») знания имя «Megasciense» (Мегасайенс). Именно подобная трактовка ситуации естественным образом сводит вместе как перечисленные выше, так
и до сих пор не принимаемые во внимание факты, и при этом провоцирует постановку новых перспективных вопросов.
Итак, получается, что если поныне в научном познании принято выделять
два иерархических уровня наук (частные и фундаментальные), то в следующем
веке их может дополнить еще один уровень – некая надстройка в виде «Megasciense». Ее можно определить следующим образом:
Megasciense – это область научной познавательной деятельности и система
(«ячейка») научного знания, ориентированная на изучение множества объектов,
обладающих универсальными характеристиками (вне зависимости от принадлежности объектов к тому или иному структурному уровню материального мира).
Megasciense представляет собой комплекс научного знания, состоящий из
двух основных подсистем: из массива универсального знания (теоретическое
ядро Megasciense) и массива специфицированного знания, описывающего реализацию универсальных свойств и закономерностей в объектах определенной
физической природы. Так, существует не только универсальный уровень синергетики: в связи со множеством особых вещных оболочек мы можем говорить о
синергетике химических реакций, о социальной синергетике и т.п. В развитом
случае все подобного рода блоки знания функционируют и развиваются в пре304
делах одной интегральной системы знания, о чем свидетельствует, например,
опыт биологии.
Для новой науки, формирование которой предполагается в будущем, окажется интересным, например, факт широкого распространения на разных
структурных уровнях объектов с ядром и оболочкой. Как распределены объекты с подобными свойствами? Почему в одних случаях имеются целые «поля»
подобных объектов (см., например, таблицу Д.И.Менделеева), а в других – таковых нет? Как меняется характер проявления универсальных свойств при переходе от одного структурного уровня к другому? Как выглядит глобальная
эволюция? Эти и многие другие вопросы можно будет изучать и обсуждать в
границах новой науки. Философия и наука в целом обеспечили, на мой взгляд,
хороший задел, который, я надеюсь, позволит быстро сформировать исследователей нового типа – «историков Мира».
Опыт работы в рамках «проекта Megascience» свидетельствует о том,что
большую пользу здесь может принести опора на определенный ряд когнитивных установок, которые являются чисто авторскими предпочтениями или эмпирическими обобщениями, что и следует учитывать при ознакомлении сними.
При нынешнем направлении обсуждаемого направления исследовательской работы, на мой взгляд, конструктивными являются следующие установки:
1. Гносеологический платонизм и реализм, т.е. признание того, что если
какие-либо теоретические структуры или структуры знания могут быть эффективно использованы, то это свидетельствует, что они содержат в себе, отображают, воспроизводят свойства самой реальности. Иначе говоря, данные структуры не являются лишь чистыми ухищрениями разума или исключительно языковыми играми, и поэтому изучение их свойств позволяет судить также и о
свойствах самой отражаемой ими реальности.(Я специально обращаю внимание
на эту установку, потому что в последние годы стали модными рассуждения о
релятивности абсолютно всего знания; принятие же этой точки зрения не позволяет судить определенно даже о тех вещах, изучением которых занимается
наука.)
2. Теоретический фундаментализм,т.е. признание того, что большое число
разнообразных явлений может быть объяснено с помощью ограниченного
набора простых принципов. Даже сам факт распространенности фрактальных
структур подтверждает, что в представленной установке нет ничего надуманного.
3. Монизм, т.е. признание того, что за всеми явлениями скрыто некое единое субстанциальное основание. Данное утверждение подтверждают все известные в настоящее время мощные интеграционные прорывы, в том числе и
расширение семейства универсального знания.
4. Развитый сциентизм, т.е. уверенность в том, что развивающаяся наука
способна самостоятельно и продуктивно исследовать любые области явлений
без привлечения теологии, эзотерики и других экзотических форм познавательного отношения к миру.
5. Ориентация на унификацию, упорядочение языка проистекает из анализа специфических состояний («ситуаций предстандарта»), в которые периоди305
чески попадает развивающееся знание (наука). В подобных ситуациях приходит
постепенное осознание того, что в формирующейся дисциплине возникает самое настоящее «вавилонское столпотворение». Чтобы нормально двигаться
дальше, научному сообществу приходится коллективно приводить в порядок
весь стихийно сложившийся понятийно-терминологический аппарат.
6. Комплексность продвижения означает, что выход на новый уровень интеграции знания в рамках Megascience возможен в случае одновременного решения целого ряда задач. Подобно тому, как для создания нового типа ракеты с
целью выведения ее на более отдаленную от земли орбиту необходимы соответствующие достижения изобретателей двигателей, баллистиков, управленцев
и других специалистов, так и для выхода за пределы уже известных наук явно
недостаточно использования только одного частного теоретического достижения.
7. Балансировка образа мира содержит определенный ответ на вопрос: допустимо ли говорить о сопоставлении, скажем, объектов неорганической природы, с одной стороны, и социальных систем с – другой, если обычно они представляются нам столь несоизмеримыми по своим свойствам и особенностям?
Это действительно серьезный вопрос, на который может быть дан следующий
ответ: увидеть общность в эволюционных процессах, происходящих в разных
по своей природе сферах бытия, мешает то обстоятельство, что наши представления, относящиеся к неорганичес–кому миру, все еще слишком упрощены,
примитизированы, а те, что связаны с миром социальным, пока излишне
усложняют природу социальных явлений. В самом деле, мы до сих пор не можем дать ответ на вопрос, что такое электрон. В то же время обращает на себя
внимание тот факт, что в социальной жизни, которая до сих пор не рассматривается как целостный феномен, происходит немало не зависящего от сознания
человека и отличающегося очевидной простотой: например, транспортные потоки в городе изучаются с помощью термодинамических моделей, а при описании экономических связей между населенными пунктами почему-то «вдруг»
используются гравитационные модели. И таких примеров можно привести много.
8. Использование принципа фоторобота, т.е. привлечение в ходе построения «мирового событийного поля» (охватывающего объекты неорганического,
органического и социального миров) и анализа его не только стандартных,
обычно учитываемых, теорий, но и альтернативных им. Суть этой установки
можно пояснить с помощью хорошо известного примера построения фоторобота человека. Как известно, в этом случае лицо составляется из отдельных элементов, или изображений-заготовок: характерных причесок, различных типов
глаз, носов и т.д. Однако подобный фоторобот первоначально не слишком похож на искомого человека, и придать ему большее сходство можно за счет использования отвергнутых в этом поиске деталей лица.
Так же обстоит дело и с построением картины («лика») мироздания.
Например, выясняется, что у геологов имеется несколько теорий динамики
Земли (сжатия, расширения, колебания поверхности), в биологии сосуществуют
дарвинизм и антидарвинизм, в астрофизике доминирует концепция «конденса306
ции» звезд, галактик, планет, а между тем В.А.Амбарцумян и его единомышленники выдвинули и обосновали прямо противоположную точку зрения. Словом, подобная мозаичность придает особую сложность сформулированной выше задаче выработки обобщенной картины мироздания. В то же время я стремился продемонстрировать, что существует целый набор конкретных установок, следование которым может сделать работу по выполнению этой задачи
вполне плодотворной и увлекательной.
Однако приглашение к участию в столь необычной по своему содержанию
работе непременно порождает вопрос о возможности получения результатов,
которые вызывали бы не только чисто теоретический интерес. По моим оценкам, надежды в первую очередь следует связывать со следующими ожидаемыми следствиями:
1. Главное видится в том, что в последние годы многие исследователи,
работая в разных сферах и под эгидой разных наук, занимаются, по существу,
единым делом: в результате разнообразных поисков происходит постоянная аккумуляция неких универсальных знаний. А это означает, что у нас появляется
возможность все большее количество на первый взгляд отличных друг от друга
объектов и явлений описывать с помощью единого и относительно ограниченного набора понятий, концепций и теорий. Следовательно, появляется шанс
существенно облегчить процессы познания и использования знания в силу того,
что осваивать придется не множество разрозненных наук, но некий единый
универсальный комплекс информации. Так, было время, когда осуществление
любой операции по делению чисел требовало чуть ли не героических усилий,
но затем были открыты простые общие правила, и это арифметическое действие стало типовым и общедоступным.
2. Универсальное знание можно будет с большой эффективностью «перекачивать» (т.е. передавать, транслировать) в менее развитые области науки,
что сделает изучение соответствующих объектов намного более результативным (ведь появятся очень полезные «подсказки») или хотя бы просто возможным. Например, нам очень трудно понять динамику социальных процессов, так
как история человечества по космическим меркам еще слишком кратка. Однако, выявив универсальные закономерности на основе изучения, скажем, биологических, химических, геологических объектов, мы получим ориентиры, позволяющие лучше понимать свойства социоприродного мира. Появляется возможность работать не вслепую, не ограничиваясь использованием метода проб и
ошибок, но с гораздо большей степенью эффективности. Кстати, как уже говорилось, можно ожидать, что в результате обретения социальной жизнью большей зрелости, в ней будут все отчетливее проявляться объективные универсальные закономерности.
3. Появляется принципиальная возможность преодолеть «кошмар уникальности» биосферы и ноосферы. Пока традиция такова, что эти два объекта с
сожалением выделяются как уникальные, существующие в «единственном экземпляре». Такая ситуация серьезно затрудняет изучение столь сложных, но
важных для нас систем. Вот и выходит, что биосфера и ноосфера малодоступны
для познания, так как ни экспериментировать с ними, ни выделять самое суще307
ственное в них мы не умеем. Если же развиваемый новый подход корректен, то
получается, что можно попытаться исследовать своеобразный ряд по-своему
родственных объектов: гидролитоатмосфера – биосфера – ноосфера. А это уже
проявление серийности, столь необходимой для научного познания.
Можно указать и на другие ожидаемые результаты. Однако главное уже
сказано: судя по имеющимся данным, в последние годы началось формирование нового, очень масштабного и интересного направления исследовательской
работы. Пока на этом направлении работают лишь исследователи-одиночки, но
если земная цивилизация продолжит свое восходящее движение (экономическое, научно-техническое, культурное и т.п.), их число непременно будет возрастать.
ЛИТЕРАТУРА
1. Винер Н. Кибернетика или управление и связь в животном и машине.
М., 1968.
2. Винер Н. Кибернетика. С.44
3. Винер Н. Кибернетика. С.90
4. Берталанфи, фон Л. Общая теория систем – обзор проблем и результатов
// Системные исследования. Ежегодник 1969. М., 1969. С.37–38.
5. Хакен Г. Синергетика. М.,1980.
6. Пригожин И., Стенгерс И.. Порядок из хаоса. М.,1986.
7. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации
сложных систем. М., 1994.
8. Чижевский А.Л. Физические факторы исторического процесса.
Калуга.1924.
9. Меньшиков С.М., Клименко Л.А. Длинные волны в экономике.
М., 1989.
10. Акляринский Б.С., Степанова С.И. По закону ритма. М.,1985.
11. Доскин В.А., Лаврентьева Н.А. Ритмы жизни. М., 1991.
12. Яковец Ю.В. Предвидение будущего: парадигма цикличности. М.,
1992.
13. Урманцев Ю.А. Симметрия природы и природа симметрии. М.,
1974.
14. Вейль Г. Симметрия. М., 1968.
15. Разумовский О.С. Оптимология. Концепция и становление. //
Полигнозис.1998.№4. С.3. Более полно взгляды этого автора представлены в
его книге с тем же названием.
16. Асеев В.А. Экстремальные принципы в естествознании и их философское содержание. Л., 1977.
17. Ласло Э. Основания трансдисциплинарной единой теории //
Вопросы философии. 1997. № 3. С. 82.
18. Моисеев Н.Н. Алгоритмы развития. М., 1987.
19. Новиков П.А. Теория эпигенеза в биологии. Историко-системати–
ческий обзор. М., 1927. С. 63.
308
20. Новиков П.А. Теория эпигенеза. С. 68.
21. Пригожин И. От существующего к возникающему. М., 1985. С.22.
22. Stix G. Waiting for breakthrough // Scientific American. April 1996
23. Тейар де Шарден П. Феномен человека. М., 1987. С. 56.
24. Налимов В.В. В поисках иных смыслов. М., 1993.С.112.
25. Барашенков В. Когда рвутся космические струны // Знание-сила. 1989.
№ 11.С. 35.
26. Сандерс Ст. Мегаистория и ее парадигмы // Время мира. Вып. 1. Историческая микросоциология в XX в. Н., 2000. С.69 – 70.
309