Системный подход к изучению материи

В XVI-XIX столетиях описание природы шло по пути изучения структурных уровней организации материи. Основу этой концепции составлял системный анализ изучаемых объектов и логически обоснованный подход к исследованиям.

Системный анализ знаменовал переход от решения хорошо структурированных проблем, когда четко был установлен состав элементов и их взаимосвязь, к слабо структурированным проблемам, когда состав элементов и их взаимосвязь были установлены частично, а причинно-следственная связь завуалирована неопределенностью, трудно переводимой на язык математики. Под структурой строения материи понимается расположение элементов в системах, обеспечивающих ее устойчивую связь и её целостность.

Концепция изучения структурных уровней организации материи получила свое максимальное развитие в 20-м столетии. По этой концепции все объекты живой и неживой природы можно представить в виде систем, расположенных в иерархической последовательности от элементарных частиц, представляющих первоначальный уровень организации материи, до более высоких уровней организации. В неживой материи иерархия систем прослеживается от атома до галактики и метагалактики, а в живой материи – от одноклеточного организма до многоклеточных организмов.

Михаил Васильевич Ломоносов был первым, кто обратил внимание на структурную организацию земных слоев. Им в 1763 г. была написана работа «О слоях земных».

Чарльз Лайэль в 1825 г. впервые описал некоторые геологические образования Англии и Шотландии. В этой работе он решительно выступил против господствовавшей в то время «теории катастроф». Он утверждал, что для объяснения явлений геологического прошлого Земли нет необходимости прибегать к силам и причинам иным, чем те, которые действуют на Земле и в настоящее время. Заслуга Лайэля заключалась в том, что он обобщил огромный фактический материал, накопившийся в науке к 30-м годам XIX века, и изложил его в виде стройной геологической концепции.

История развития системного анализа в биологии начинается с исследований по систематике животных и растений шведского естествоиспытателя Карла Линнея.

В 1739 г. Линней завершил огромный труд ботаников и зоологов первой половины XVIII века и разработал систему классификации растительного и животного мира. В основу классификации растений Линней положил число, величину и расположение тычинок и пестиков в цветке, а также признак одно-, дву- или многодомность растения, так как считал что органы размножения являются самыми существенными и постоянными частями растений. На основе этого принципа он разделил растения на 24 класса. Система классификации животного мира у Линнея заключалась в разделении всех животных на 6 классов: млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, черви и насекомые.

В 1838 г. Маттиас Якоб Шлейден – немецкий биолог, профессор Иенского универсистета, один из авторов клеточной теории, впервые сформулировал системный подход к изучению живых клеток.

Чарльз Дарвин в 1836 г. разработал теорию структурной эволюции вида путем наследственной изменчивости, естественного отбора и борьбы за существование.

В конце XIX века русский ученый Александр Петрович Карпинский, изучая закономерности геологического развития территории европейской части России, заложил основу учения о платформах, дополненную затем в трудах других русских ученых-геологов.

Было доказано, что платформы литосферы наряду с геосинклинальными областями, из которых они образуются, являются главными типами структур материков. Особенности развития платформ определяются многообразием явлений на протяжении всех эпох геологического развития Земли.

В 1869 г. Дмитрием Ивановичем Менделеевым был открыт периодический закон химических элементов. Это открытие явилось венцом системного анализа, как в живой, так и неживой природе. Д.И. Менделеев доказал, что все химические и физические свойства веществ определяются строением атома. Сходство элементов обнаруживается при одинаковом строении наружного слоя электронной оболочки атома. Внешняя оболочка атомов имеет несколько слоев. По мере увеличения заряда атомных ядер электроны начинают заполнять новые слои электронных оболочек. Они размещаются на новых энергетических уровнях в энергетической последовательности. От количества энергетических уровней зависит химический и физический состав данного элемента. Таким образом, все химические и физические свойства вещества определяются строением атома. Периодический закон Д.И. Менделеева является всеобщим законом природы.

Карл Францевич Рулье, профессор Московского университета, еще в 1852 г. задолго до разработки Ч. Дарвиным теории о происхождении видов писал: «Историческое развитие животных организмов приводит к усложнению их структурной организации путем нарастающей дифференциации функций и органов».

В социальной среде структуризация шла по линии развития общества от первобытнообщинного до капиталистического и социалистического в зависимости от характера развития производительных сил и производственных отношений. В общественных системах их целостность определяется общностью способа производства, территорией государства, языка, развитием торговли, системой коммуникации и обменом информацией, централизующей деятельностью государства, общностью исторических традиций, характером общественного сознания и единством целей развития.

В историко-научном аспекте формирование системности в развитии естественных наук осуществлялось по двум принципам, Первый принцип – синтез матрицы переменных, характеризующих данную систему. Второй принцип – изучение эволюции переменных данной системы во времени.

Форма структурной организации материи, её свойства и законы движения качественно меняются с изменением пространственно-временных масштабов при переходе от одного уровня иерархии к другому. Многие законы макроскопических явлений неприменимы в микромире, здесь наблюдаются такие свойства и законы взаимодействия частиц, которые не проявляются в непосредственно окружающем нас, чувственно воспринимаемом мире. Все это говорит о структурной неоднородности материи и её качественной неисчерпаемости.

Окружающий нас мир представляет собой бесконечное множество различных систем организации материи.

Рис. 4.3.1. Ячеистая структура Метагалактики, наблюдаемая со средних широт Земли (весна-лето).

Рис. 4.3.2. Ячеистая структура Метагалактики, наблюдаемая со средних широт Земли (осень-зима).

Критерием целостности живой материи является устойчивость внутренних систем, обеспечивающих жизненные функции организма: сердечно-сосудистой, пищеварительной, нервной, мышечной и других. Критерий целостности неживой системы выражается в следующем: «Система будет целостна в том случае, если внутренняя энергия связей между составляющими её элементами материи будет больше, чем суммарная кинетическая энергия извне». Примером системной целостности может быть метагалактика – крупнейшая структура во Вселенной. В каждой метагалактике насчитывается до 10 000 галактик. Диаметр метагалактики в среднем составляет 50 Мпк. Вселенной присуща иерархическая структурность: от ядер атомов до гигантских звездных скоплений.

Согласно современным представлением для метагалактики характерна ячеистая структура. Она напоминает «паутинную сетку». Моделью может служить кусок пемзы. В масштабах звезд или звездных скоплений вещество распределено неравномерно, но в масштабах сверхскоплений галактик – практически равномерно. В больших масштабах Вселенную можно считать однородной. В метагалактике пространство между галактиками заполнено чрезвычайно разряженным метагалактическим газом, пронизанным космическими лучами, который постоянно, благодаря вращению космических тел находится в непрерывном волновом движении.

На рисунках 4.3.1, 4.3.2 приводятся видимые созвездия в средних широтах Земли весной, летом, осенью и зимой. Объединение звезд в созвездия позволило произвести определенную систематизацию небесных светил для наиболее детального их изучения и дать им названия.