Об уровнях организации материи

Материалистическое понимание процессов развития было обусловлено бурным процветанием естественных наук. В 70-х годах прошлого века, когда Ф. Энгельс работал над "Диалектикой природы", многое еще представлялось неясным, хотя уже было достаточно данных о том, что в процессе развития материи каждая последующая ее форма возникает из предшествующей, что переходы от одной формы к другой совершаются эволюционно, или в виде скачков, в результате которых рождаются более сложные структуры и с иным качеством.

Закономерности высших уровней развития материи так или иначе включают в себя закономерности низших уровней, но отнюдь не сводятся к ним. Поэтому оказалось несостоятельным объяснение всех форм развития (движения) механическими явлениями, а всех закономерностей - физическими или физико-химическими. Многие вопросы остаются нерешенными и сейчас. Так, до сих пор идут дискуссии о геологической форме движения материи (идея Б.М. Кедрова) и кибернетической [22]. Еще не дана достаточно полная характеристика отдельных форм развития. Не совсем ясно, как быть с группой материальных систем, изучаемых астрономией.

Весьма актуальна проблема, связанная с уровнями организации материи (ее систем). Эта проблема -находится в зачаточном состоянии", как пишет И, Д. Андреев, -ибо пока не разработаны единые, достаточно удовлетворительные принципы классификации и критерии построения таких систем" [23].

"Уровень" есть такая абстрактная мера, с помощью которой можно учитывать изменения, происходящие в организации систем (в связи с их эволюцией) относительно какой-то точки отсчета (например, максимальной энтропии), и сравнивать системы между собой (например, по линии качественного изменения их структуры за определенный период). При этом возникает вопрос о количественной оценке уровней организации; как определить меру упорядоченности реальных систем, чтобы, сравнивая различные уровни их организации, проследить динамику процесса развития и целом? Введение количественной меры организации систем - практическая необходимость, ибо фактором различия между системами является уровень их организации.

Количество информации, необходимой для перехода из одного уровня организации в другой (следующий, качественно более высокий), может быть определено как разность энтропий:

DJ_n(t-i) = H_n-1(t,i) - H_n (t,i),

где

H_n-1(t,i) =SP_n-1(t,i)logP_n-1(t,i) - энтропия состояния объекта на уровне n-1,

H_n(t,i) =SP_n(t,i)logP_n(t,i) - энтропия состояния объекта на уровне n.

Сложность указанных вычислений на современном этапе заставляет искать качественные критерии уровня организации. Так, Л. Пекарек предлагает использовать для определения "организационной высоты" неорганических структур их чувствительность к внешним воздействиям и память, т.е. способность удержать некоторое состояние, возникшее в результате воздействия [2]. Соответственно этому в живой природе и обществе критерием органнзованности системы может служить уровень отражательной способности.

Исходя из сказанного и учитывая известные работы [24], можно обосновать следующую иерархию уровней организации материи (см. рис.40):

Рис. 40. Гипотетическая траектория "пути вверх" как кривая переходного процесса от энтропии до уровней наивысшей организации.

1-й - уровень статических структур, или так называемый уровень оснований. Это "география и анатомия" Вселенной - элементы, вещества, планеты и т.д., образующие класс естественно возникших структур неорганической природы. Данному уровню систем характерна первичная ("элементарная") форма отражения, когда информация не выделяется из общего содержания взаимодействия. Однако изменения и развитие на этом уровне уже происходят, о чем, например, свидетельствует эволюция минералов на Земле,

2-й - уровень простых динамических систем с детерминированным движением (Солнечная система, часовой механизм и т.д.);

3-й - уровень авторегуляции систем (уровень "термостата"), являющейся "началом" механизма управления. Передача и анализ информации - существенная функциональная особенность систем на этом уровне;

4-й - уровень самоорганизующихся структур, или "открытых систем". Данный уровень, на котором формируется опережающее отражение и живое начинает отличаться от неживого, может быть назван уровнем клетки. Открытие клетки Ф. Энгельс назвал одним из трех великих открытий, которые гигантскими шагами двинули познание взаимных связей процессов, совершающихся в природе. "Все есть клетка, - писал он Марксу, - клетка есть гегелевское в-себе-бытие и в своем развитии проходит именно гегелевский процесс, пока из нее, наконец, не развивается "идея", данный завершенный организм";

5-й - уровень растений, как переходная ступень от неживого к живому;

6-й - уровень животных. Характерно появление элементов психики и коммуникативности;

7-й - уровень человека с высшей формой отражения (сознания, мышления). Характерны интенсификация информационных процессов, познание окружающего мира и целенаправленная деятельность;

8-й - уровень общественных институтов, т.е. человеческого общества, этапы самоорганизации которого - общественно-экономические формации.

Следующим, 9-м уровнем может стать уровень общения с. внеземными цивилизациями (метасистема цивилизаций) или распространения разумной жизни во Вселенной, зародившейся на нашей планете при условии, если богатейшие флора и фауна, человечество одиноки в пустом безжизненном Космосе. При наличии других цивилизаций, поскольку "коммуникативный возраст и уровень организации их может быть выше" [25], такое общение может стать бировским "внешним дополнением", которое позволит еще более повысить уровень организации земной цивилизации. На рис. 40 перечисленные нами уровни расположены по возрастанию сложности и отражательной способности. Каждый из данных "интегративных" уровней организации - это качественный скачок в процессе поступательного, восходящего движения материи. Примечательно, что эти уровни остаются (продолжают функционировать) на всех этапах развития, являясь тем "положительным", что "сохраняется" и что обусловливает тенденцию к дальнейшему возрастанию организованности, к появлению информационных структур более высокой степени упорядоченности и устойчивости.

"В современной теории эволюции, в частности в теории стабилизирующего отбора, убедительно показаны факторы и механизмы, ведущие к возникновению и поддержанию устойчивости и исторической изменяемости органических форм, вследствие чего и сама эволюция приобретает характер не только направленного, но и довольно устойчивого движения" [26]. Стабилизация и устойчивое (независимое) развитие признаков организма является следствиям формирования в онтогенезе корреляционных механизмов, удерживающих развитие признака в строго определенных рамках.

Говоря о восходящем движении материи, следует подчеркнуть необратимость и принципиальную возможность бесконечного эволюционного самосовершенствования (структурного и функционального упорядочения) устойчивых форм на базе авторегуляции. Если взять живую природу, то, согласно негэнтропийной теории И.А. Аршавского, организм в процессе развития создает негэнтропию в виде все более дифференцирующихся и упорядочивающихся структур и к самому ответственному периоду индивидуального развития - генетически информативному (или детородному) приходит наиболее структурно упорядоченным, с максимально возможной для него степенью неравновесности, без чего невозможна была бы полноценная реализация видовой миссии. Исследования, проведенные И.А. Аршавским, показывают, что в геноме зиготы закодирована безграничность жизни. Ни старость, ни тем более смерть в геноме не закодированы. Старческие изменения в организме и в ДНК возникают вторично, в конце детородного периода (см. рис. 39). Автор указывает на применимость своей негэнтропийной теории индивидуального развития как для животных, так и для растений [271.

Представляет интерес, как осуществлялся подъем к верхним уровням организации, какова "траектория" этого подъема. Если бы можно было определить значения DI_n для каждого уровня и выяснить значения временных интервалов t-i появления различных уровней, то это позволило бы выявить динамику "процесса самоорганизации уровней организации", т.е. построить большую модель поступательного развития материи от простого к сложному. Пока, на современном уровне знаний, можно лишь предложить гипотетическую спираль, огибающая которой показывает траекторию пути вверх в виде кривой переходного процесса от максимальной энтропии к информационным структурам наивысшей сложности и упорядоченности (см. рис. 40).

В информационном аспекте уровни организации материи позволяют понять связь живой и неживой природы через концепцию открытых систем. Согласно этой концепции, стоящие ниже по уровню организации, информационные структуры являются питательной средой ("поставщиками информации") для структур более высокого порядка. Поясним это на конкретном материале.

Каждые процесс, явления, событие в природе связаны преимущественно с ростом энтропии в той части мира, где это происходит. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию и, таким образом, имеет тенденцию приближаться к опасному состоянию, которое представляет собой смерть.

Как же живой организм избегает перехода к равновесию (энтропии)? Ответ поначалу казался простым: благодаря еде, питью, дыханию или (в случае растений) ассимиляции, т.е. за счет обмена веществ (метаболизма). Когда это утверждение признали неудовлетворительным, было выдвинуто другое - за счет притока энергии. Доказав несостоятельность (неполноту) обоих этих объяснений, Э. Шредингер пришел к выводу, что организм может сохранять свою упорядоченность "только путем постоянного извлечения из окружающей среды отрицательной энтропии", т.е. информации. "Отрицательная энтропия - вот то, чем организм питается" [28].

Живой организм не только "питается" отрицательной энтропией, но и воспроизводит ее в самом себе. В ряде современных исследований показано, что в системе живого, в его метаболическом цикле, как бы изначально заложены энтропийная и негэнтропийная тенденции, взаимодействие которых и определяет процесс развития. Если катаболическая фаза представляет собой типично энтропийный процесс, ведя систему к состоянию равновесия, то анаболическая фаза, вызванная активностью живой системы, не только возвращает последнюю в исходное состояние, как бы замыкая метаболическое кольцо (или цикл, что означало бы прекращение роста и развития организма), но и создает определенные (негэнтропийные) условия для избыточного восстановления живой системы и перехода ее на новый, более высокий уровень организации.

В избыточности и проявляется, по существу, специфичность нелинейности, характеризующей и поддерживающей автоколебательное, последовательное течение метаболических циклов в живой развивающейся системе. "Лишь отрицательно-энтропийное значение избыточности и делает систему - нелинейной, неравновесной и негэнтропийной", - отмечает И.А. Аршавский [27].

Благодаря негэнтропнйному характеру избыточного анаболизма живая система приобретает то, что принято называть памятью. В результате избыточного образования интернейронов, синаптических структур повышается уровень функциональной организации системы (адаптивная модификация), происходят дальнейшее упорядочение структуры, повышение ее надежности и живучести. Осуществляя энтропию, живые системы становятся негэнтропнйными.

Итак, в метаболизме белее существен не вещественный и не энергетический* , а информационный аспект, потому что организму удается ассимилировать упорядоченные структуры и освобождать себя от всей той энтропии, которую вынужден производить, пока он жив. Действительно, в каменном угле или нефти заключены значительные запасы энергии, но они не могут быть употреблены животным или человеком непосредственно в пищу из-за недостаточно высокого уровня упорядоченности структуры, т.е. из-за недостатка разнообразия в информационном смысле. Человек потребляет в пищу мясо и продукты жизнедеятельности растений. Питанием для многих животных являются другие животные (преимущественно низкоорганизованные виды) и растения. В процессе пищеварения вещества возвращаются природе в деградированном виде, но еще пригодны для использования на более низком уровне. Таким образом происходит "круговорот" уровней организации, вещества при относительной устойчивости самих уровней.

Следует отметить, что между этими уровнями нет резких разграничении: существуют растения, питающиеся как животные (например, насекомоядная росянка), и животные, питающиеся как растения. Так, корненожки, гидры, губки и кораллы, синтезирующие углеводы под воздействием солнечных лучей - растения это или животные? Другой пример - гигантский двухстворчатый моллюск коралловых рифов (тридакна), который, открывая свои створки солнечным лучам, утилизирует световую энергию и питается за счет своих симбионтов, потребляемых клетками-фагоцитами. В свою очередь, растения питаются как органическими, так и неорганическими веществами, а также солнечным светом, служащим для них "мощным источником отрицательной энтропии" [28].

Еще Дидро в трактате "Разговор Д'Аламбера с Дидро" указал на растения, как на переходное, связующее звено между живым и неживым: "Овощи питаются землей, а я питаюсь овощами" [29]. Дидро намечает единую материальную связь между всеми существами природы, причем разницу между низшими и высшими существами (веществами) природы Дидро видит лишь в различной степени организации материи.

Весьма образно обрисовал польский писатель-фантаст Ст. Лем роль растений в своей книге "Система технологий": "Живая природа, или биосфера, - это одновременно и взаимное сотрудничество, и взаимное пожирание... Везде в биосфере, особенно в мире животных, мы видим гигантские "пирамиды", на верхушке которых господствуют громадные хищники, пожирающие меньших животных, которые, в свою очередь, жрут тех, кто меньше, чем они. И только внизу, на самом дне биологического царства, действует вездесущий зеленый трансформатор, который превращает солнечную энергию в биохимическую и миллиардами своих невзрачных стебельков подпирает материки жизни" [30]. Таким образом, рассмотрение процессов организации в информационном аспекте, в частности круговорота природы через уровни организации и концепцию открытых систем, позволяет выявить взаимозависимость информационных структур разных уровней и неразрывную связь живой и неживой природы в процессах развития.