Osvita.ua Середня освіта Сучасна освіта Математичні науки та формування екологічних уявлень

Математичні науки та формування екологічних уявлень

Якщо філософія та мистецтво досить рано відреагували на зміни духовної орієнтації суспільства та змогли передбачити негативні наслідки сциєнтизму, то шлях природничих наук до усвідомлення недоліків раціоналізму та його недостатності для побудови адекватної картини світу став значно довшим

Успіхи точних наук - астрономії, механіки, фізики й зокрема хімії, які користувались математичним апаратом та експериментальним методом пізнання, були зорієнтовані на кількісний підхід при дослідженні природи, на її «анатоміювання» - приховали від очей багатьох дослідників реальний світ, з усім його якісним розмаїттям і в той же час непорушною цілісністю. Змінність світу з плином часу, його еволюціонування також довгий час залишались без належної уваги представників точного природознавства. В умовах засилля механістичного світогляду, фізикалізму екологічні уявлення досить важко торували собі дорогу. Навіть зараз може виникнути питання, як точні науки можуть сприяти розвитку екологічних ідей. Адже між світом абстрактних рівнянь, сил, атомів, полів тощо немає нічого спільного з функціонуванням живих систем і біосфери в цілому. Безумовно, ні в кого не виникають сумніви у справедливості фізичних і хімічних законів для живих істот і біосфери, але останні мають ще і свої власні закони. Отже, слід зробити невелике пояснення.

Точне природознавство мало значний успіх не тільки завдяки здатності застосовувати на практиці результати своїх теоретичних пошуків. Насамперед точна наука з циркулем і лінійкою доводила велич світу як Божественного творіння. Наука Нового часу і замислювалася значною мірою як ілюстрація світової гармонії, порядку, Божественного розуму. Але про це поступово забули й навіть використовували науку як теоретичну базу для атеїзму. За часів Ньютона сформувався цілісний світогляд, який засобами механіки та математики доводив гармонійну побудову Всесвіту, який функціонує як добре налагоджений годинник. І втручатись у такий годинник було б не варто, бо в ньому все тісно пов'язано: і планети, й зірки, й живі організми. Отже, точна наука давала не тільки пояснення окремих природних явищ, а створювала цілісну наукову систему світу, хоча й механістичну. Але вона також прискорила розвиток техніки, тобто збільшила могутність людини та її здатність втручання у природу. Реальний світ виявився значно складнішим, ніж годинник, а окремі науки, з притаманним їм аналітичним методом, розчленували його на окремі шматки, і зараз виникла потреба в новому синтезі. Чи буде цей новий синтез істинним та остаточним - сказати важко, бо для науки основне - невпинний пошук нового, але головне зовсім інше: ніколи не можна забувати про цілісність світу.

Одним з найбільших світоглядних досягнень сучасної фізики є так званий антропний принцип, або принцип доцільності. Доцільність завжди була незбагненною загадкою живого світу, і самий той факт, що про неї заговорили фізики, указує на глибинну взаємопов'язаність усіх природних явищ.

Головна ідея антропного принципу полягає в тому, що фундаментальні властивості Всесвіту та значення головних фізичних констант, які визначають характер гравітаційної, електромагнітної, сильної та слабкої ядерної взаємодії, й навіть форма фізичних закономірностей тісно пов'язані зі структурою Всесвіту в усіх масштабах - від елементарних частинок до галактик, і завдяки цьому можливі умови, за яких виникають складні форми організації матерії і, урешті-решт, Життя і Людина. «Живі організми мають надзвичайно тонку організацію, і їх існування, мабуть, критично залежить від єдино можливого гармонійного поєднання взаємодії, яке характерне для нашого Всесвіту». Таким чином, антропний принцип указує на взаємозв'язок усіх рівнів організації матерії, з одного боку, і на дуже вузьку щілину умов, за яких можливе виникнення та існування всього живого і які виникають у Всесвіті завдяки саме таким, а не іншим величинам чотирьох фізичних констант. З іншого боку, фізика демонструє не просто наявність закономірностей у природі, а вказує на її дуже складну організацію й доцільність. А це такі поняття, без яких немає ні біології, ні екології. Мимохідь можна відзначити, що природа немовби попереджає, що є такі сфери, втручання в які неприпустиме, бо це загрожує Всесвіту. Природа європейської науки така, що їй мало просто досліджувати, описувати, систематизувати, класифікувати явища чи предмети досліджень. Людина за допомогою науки, знань прагне змінити саму природу. Хімік не просто вивчає хімічну будову речовини - він проводить хімічні реакції, тобто змінює хімічну природу об'єкта дослідження; біолог не просто вивчає генетику - він прагне засобами генної інженерії змінити природу об'єкта дослідження; фізик не просто досліджує будову атома та його ядра - він проводить ядерні реакції... Не виключено, що можна буде змінювати і природу (величину) фізичних констант. Але поки що технічна могутність створювала чимало екологічних проблем. Втручання в більш глибокі верстви організації матерії також може обернутись трагедією більшою, ніж екологічна.

Велике значення для формування екологічних уявлень має молода наука синергетика, яка ще сама досить далека від завершення. Її розвиток пов'язують значною мірою з іменем нобелівського лауреата, бельгійського вченого І. Пригожина. Витоки синергетики беруть свій початок із трьох наук: фізичної кінетики, нерівноважної термодинаміки та теорії катастроф. Вона вивчає закономірності виникнення, існування, еволюції та руйнації систем різної природи, чи то ансамблі молекул, чи мурашник, чи людське суспільство, які обмінюються енергією та речовиною з навколишнім середовищем і за рахунок цього зберігають свою стабільність і структуру, хоча перебувають у стані, далекому від рівноваги. Такі системи існують на всіх рівнях організації матерії. Не є винятком і біосфера, хоча це надто складна для дослідження й побудови її моделей система. А тому тут на допомогу синергетиці приходять математика, кібернетика, теорія систем. Математика дає надійний апарат для побудови моделей і розрахунків, кібернетика узагальнює принципи управління і вводить такі поняття, як позитивний і негативний зворотний зв'язок, гомеостаз, а теорія систем допомагає побудувати модель біосфери, для чого потрібне виділення елементів, підсистем, установлення між ними зв'язків, виділення ієрархічних рівнів тощо. Тож розглянемо внесок цих наук більш докладно.

Як відомо, науки у вивченні природи просуваються від простого до складного, від вивчення структури об'єкта до дослідження його в розвитку, у динаміці. Так було і з екологією. Математичні методи застосовували для дослідження не всієї біосфери, а спочатку побудували модель окремої складової частини - популяції. Першу таку теорію розробив італійський учений Віто Вольтерра в 1926 р. «Праця Вольтерра, за оцінкою фахівців, це, безумовно, теорія біологічних спільнот, побудована саме як математична теорія. Із цієї книжки почалася сучасна математична екологія». «Вольтеррівські моделі використовуються для дослідження нових проблем в екології (проблем стабільності біологічних спільнот, перетину екологічних ніш, формування трофічних рівнів тощо) - проблем, яких просто не було у 30-ті роки і які виникли завдяки розвитку всієї екології в цілому». На кілька місяців Вольтерра випередив А. Лотка, а тому в науку увійшло рівняння Лотка-Вольтерра, яке описує взаємовідносини між двома видами в системі типу «хижак-жертва», «паразит-хазяїн», «споживач-корм», тобто класичну систему типу «кролі-лисиці». Ця модель, до речі, справно спрацьовує і у фізиці, і в хімії, що й зацікавило синергетиків.

У першій половині XX століття сформувалась наука про організацію складних систем, їх будову, розвиток, управління ними. Вона дещо нагадує синергетику, та й виникають вони майже паралельно, одночасно. Але синергетика акцентує свою увагу на термодинамічному аспекті, ця ж наука концентрується навколо проблем управління, структури, інформації та зв'язку. Найбільший внесок у її формування зробили видатний російський мислитель, революціонер, учений О. Богданов, який у 1913-1928 роки видав книгу «Всеобщая организационная наука, или Тектология», австрійський теоретик біології Людвіг фон Берталанфі як один з основоположників загальної теорії систем і геніальний американський учений Н. Вінер, який у 1948 р. видав книгу «Кібернетика, або Управління та зв'язок між твариною та машиною». Кожна система, незалежно від її природи, у процесі функціонування має певний механізм, який забезпечує її цілісність, отже, різним системам притаманні певні закономірності в управлінні. Як пише відомий американський еколог Ю. Одум, «екосистема - це надорганізмений рівень організації, а не суперорганізм; не схожа вона і на промисловий комплекс (наприклад, АЕС). І все ж таки в неї є одна спільна з цими системами риса: кібернетична поведінка». Управління неможливе без постійного порівняння реальних параметрів системи з наперед заданими й без відповідних дій, спрямованих на повернення системи у стан із заданими параметрами. Велике значення для управління має механізм зворотного зв'язку, тобто зворотної дії системи на орган управління. Коли результат керованого процесу підсилює цей процес - кажуть про позитивний зворотний зв'язок, а коли послаблює його - то про негативний зворотний зв'язок. Механічні пристрої, які мають зворотний зв'язок, називають сервомеханізмами, а для живих організмів використовують термін «гомеостатичний механізм». Гомеостаз походить від грецьких слів homois - подібний та stasis - стан. У біологію його запровадив американський фізіолог У. Кеннон у 1929 р., а в кібернетику - Р. Ешбі. Він створив пристрій під назвою «гомеостат», який після виведення зі стану рівноваги сам швидко повертається до нього й підтримує його далі. Такий пристрій дав змогу «висловити припущення про те, що процес такої підтримки стану рівноваги є моделлю процесів гомеостазису - автоматичної підтримки в живих організмах на постійному рівні важливих для їх існування величин, таких, наприклад, як у людини тиск крові чи температура тіла». Значну роль модель гомеостата відіграла при формуванні поглядів на механізм гомеостазису біосфери, тобто для розвитку екології. Хоча управління в екосистемі дещо відрізняється від механізму дії в механічних системах та організмі. Як пише Ю. Одум, «у теплокровних тварин регуляція температури тіла здійснюється спеціальним центром мозку. Але у великих екосистемах унаслідок взаємодії кругообігів речовини та потоків енергії, а також сигналів зворотного зв'язку від субсистем виникає саморегулюючий гомеостат без регуляції іззовні або «постійної точки».

Автор схильний розглядати поняття гомеостазис як фундаментальне поняття науки ХХ століття. Польський мислитель С. Лем поширює це поняття навіть на культуру, яку розглядає як механізм соціального гомеостазису.

Таким чином, завдяки розвитку кібернетики та загальної теорії систем сформувалось уявлення про біосферу як кібернетичну систему з позитивними та негативними зворотними зв'язками й «розмитим» керуючим пристроєм, тобто без чітко виділеного органа управління.

Автор: Є. Смотрицький

Освіта.ua
05.12.2008


Коментарі
Аватар
Залишилось 2000 символів. «Правила» коментування
Ім’я: Заповніть, або авторизуйтесь
Код:
Код
Немає коментарів

Щоб отримувати всі публікації
від сайту «Osvita.ua»
у Facebook — натисніть «Подобається»

Osvita.ua

Дякую,
не показуйте мені це!