Окружающий мир 2 класс живая и неживая природа схема: Неживая и живая природа стр. 24

Содержание

Неживая и живая природа стр. 24

1) Вспомни, что относится к природе. Что необходимо растениям и животным для жизни?

К природе мы относим всё то, что нас окружает, но при этом не создано руками человека.

Растениям и животным для жизни нужна вода, солнечное тепло, воздух, пища.

2) Рассмотри фотографии на с. 24 — 25. На какие две группы можно разделить объекты природы, изображённые на них? Предложи разные варианты и подумай, по каким признакам можно разделить эти объекты. Как ты разделишь их по признакам «неживое» и «живое»?

Объекты природы на фотографиях можно разделить на живое и неживое. Так, дерево и человек являются живыми. Они растут, питаются, дышат. А солнце и камень являются неживыми, им не требуется воздух для дыхания, они не нуждаются в пище, они не пьют воду, и не изменяются со временем.

3) Приведи свои примеры объектов неживой и живой природы. Заполни таблицу в рабочей тетради.

Примеры объектов живой природы: бабочка, стрекоза, муравей, кошка, собака, рыба, птица, трава, цветок.

Примеры объектов неживой природы: ручей, озеро, звезда, луна, земля, гора, холм, атмосфера.

4) Может ли живая природа существовать без неживой? Рассмотри иллюстрации и дай обоснованный ответ, чем живые существа отличаются от объектов неживой природы.

Живая природа не может существовать без неживой. Ведь все объекты живой природы живут на Земле, а наша планета объект неживой природы. Растения нуждаются в поливе водой, объектом неживой природы. Им нужен солнечный свет для роста, а это тоже объект неживой природы. Дельфины живут в воде, а вода объект неживой природы. Точно так же в воде нуждаются животные, да и без солнечного тепла им не выжить.

Объекты живой природы отличаются от объектов неживой природы тем, что дышат, пьют, едят, нуждаются в тепле, растут и двигаются.

5) Объясни схему. Как ты думаешь, что обозначают стрелки на этой схеме?

Слева на схеме мы видим объекты неживой природы, без которых невозможно существование живой природы, правая часть схемы. Эту взаимосвязь показывают стрелки. Солнечное тепло нужно всем животным и растениям. А также они не могут обойтись без воды и воздуха, ведь они едят и дышат.

Домашнее задание

1) Что относится к живой?

К живой природе относится те объекты природы, которые дышат, растут, едят, развиваются.

2) Чем живые существа отличаются от предметов неживой природы?

Объекты неживой природы не изменяются длительное время, им не нужны пища и воздух, не нужно солнечное тепло.

3) Как связаны между собой неживая и живая природа?

Живая природа может существовать только используя объекты неживой природы. Эти объекты обеспечивают живую природу пищей, водой, воздухом, теплом, дают ей кров.

Неживая и живая природа. Учебник, с. 24 – 25

Неживая и живая природа

Ответы к стр. 24 – 25

Задания

1. Вспомни, что относится к природе.

Природа – это то, что нас окружает, но не создано человеком. Солнце, воздух, вода, растения, животные – всё это объекты природы.

2. Что необходимо растениям и животным для жизни?

Животные – живые существа. Они растут, развиваются, приносят потомство. Животные питаются, передвигаются, строят жилища. Животным необходимы для жизни пища, воздух, вода, тепло и свет. Растение – живое. Оно растёт, развивается, приносит потомство. Каждое растение когда-нибудь умирает. Но многие растения живут очень долго. Растениям необходимы для жизни вода, воздух, свет и тепло.

Рассмотри фотографии на с. 24 – 25. На какие две группы можно разделить объекты природы, изображённые на них?

Все объекты природы можно разделить на две большие группы: живую и неживую природу.

С помощью фишек разного цвета обозначь, что относится к неживой, а что – к живой природе.

Солнце, камень (полезные ископаемые), облако, сосульки – это НЕЖИВАЯ ПРИРОДА.
Дерево, человек, бабочка, медведь – ЖИВАЯ ПРИРОДА.

С помощью книги “Энциклопедия путешествий. Страны мира” приведи примеры объектов неживой и живой природы разных стран.

Венгрия:

Живая природа	Неживая природа
дуб, бук, ясень, бурый медведь, кабан, олень, рысь, бобёр, дрофа, форель, судак, щука	река, равнина, пещера

Австрия:

Живая природа	Неживая природа
дуб, граб, бук, лиственница, сосна, ель, серна, олень, сурок, корова, эдельвейс, бабочки	гора, водопад, озеро.

Греция:

Живая природа

Неживая природа

кипарис, мандариновое дерево, лимонное дерево, апельсиновое дерево, дерево инжира, оливы, олеандр, бугенвиллея, перепела, куропатки, коршуны, орлы, соколы, совы, чайки, цикада, ящерица, геккон, черепаха, богомолы, светлячки, пчёлы, кабан, олень, шакал, горная коза кри-кри, бабочка-медведица, дельфины, тюлени

море, горы, река, вулкан, ущелье, воздух, вода, природные ресурсы,уголь, руда, мрамор

Объединённые Арабские Эмираты:

Живая природа

Неживая природа

саранча, финиковая пальма, зайцы, тушканчики, шакалы, гиены, газели, змеи, скорпионы, дельфины, морские черепахи, креветки, омары, осьминоги, кальмары, устрицы, мидии, верблюды, белый орикс, песчаная газель, розовые фламинго, зелёная морская черепаха, сокол, собака салюки

море, солнце, нефть, песок

Аргентина:

Живая природа	Неживая природа
пингвины, капибара, гуанако, ягуар, гигантский муравьед, тукан, колибри, носуха	воздух, ветер, солнце, горы, река, лёд, озеро, полезные ископаемые

Подумайте, чем живые существа отличаются от объектов неживой природы.

ЖИВАЯ ПРИРОДА: растёт, питается, дышит, умирает, приносит потомство.

Окружающий мир. 2 класс. Ответы

Презентация окружающий мир 2 класс

Слайд №2
	2 1 3 4 5 6 7 Тронь, только тронь – Отдёрнешь ладонь: Обжигает трава, Как огонь. Ответ Летом бежит, А зимой стоит. Хвост пушистый, Мех золотистый, В лесу живёт, В деревне кур крадёт. Непоседа пёстрая, Птица длиннохвостая, Птица говорливая, Самая болтливая. Ну-ка, кто из вас ответит: Не огонь, а больно жжёт, Не фонарь, а ярко светит, И не пекарь, а печёт? В этом белом сундучище Мы храним на полках пищу. На дворе стоит жарища, В сундучище – холодища. Что же это за девица? Не швея не мастерица, Ничего сама не шьёт, А в иголках круглый год.
Слайд №3
	Посмотри, мой милый друг, Что находится вокруг? Небо светло-голубое, Солнце светит золотое, Ветер листьями играет, Тучка в небе проплывает. Поле, речка и трава, Горы, воздух и листва, Птицы, звери и леса, Гром, туманы и роса. Человек и время года – Это всё вокруг …. ПРИРОДА
Слайд №4
	Найди лишний объект
Слайд №5
	Раздели объекты на 2 группы
Слайд №6
	Живая природа Неживая природа
Слайд №7
	Живая природа Неживая природа солнце звёзды воздух вода камни почва осадки горы облака растения грибы рыбы птицы насекомые звери бактерии человек
Слайд №8
	Назовите признаки живых существ дышат питаются растут приносят потомство умирают
Слайд №9
	Объясни схему
Слайд №10
	Прочитай 1-ый абзац на с. 16 учебника и закончи предложение. Природные явления – это все изменения, происходящие в природе. Какие явления могут происходить с этими предметами? Явления природы – это …
Слайд №11
	Очень многие явления природы связаны со сменой времён года (сезонов), поэтому они называются сезонными Какие времена года (сезоны)показаны на рисунках? Приведите примеры сезонных явлений в природе.
Слайд №12
	Источники: http://zaadonay.ru/_inyie_vozdeystviya/travyi_otgonyayuschie_ emonov_zveroboy_polyin_krapiva_chertopoloh/msg1062/ http://www.freelancers.net/users/Antracit/comments/214941/ http://ffclub.ru/topic/139926/jump_40/ http://forum.od.ua/showthread.php?p=13073482 http://www.kid.ru/forum/txt/index.php/t42745-700.html http://www.univermag.obninsk.ru/category/?sort=min&category5 http://green-forestry.ru/index.php?page=17&lang= http://fotki. yandex.ru/users/gar388/view/127498/?page=4 http://www.karaoke.ru/user/Dashynu http://www.podmoskove.ru/153_news.html http://krohis.bestpersons.ru/feed/post112669/ http://forum.say7.info/topic16984.html
Слайд №13
	Вы скачали эту презентацию на сайте — viki.rdf.ru Панова Оксана Владимировна учитель начальных классов МАОУ «Гимназия № 4» г. Великого Новгорода

Конспект урока по окружающему миру «Живая и неживая природа» , 2 класс УМК «Школа России»

НЕЖИВАЯ И ЖИВАЯ ПРИРОДА

Цели:познакомить с целями и задачами нового раздела, формировать знания о живой и неживой природе, на конкретных примерах раскрыть связи между неживой и живой природой.

Планируемые результаты : учащиеся осознают ценность природы, научаться различать объекты живой и неживой природы

Оборудование: жёлтые и зелёные фишки, картинки с изображением животных, растений и предметов неживой природы, карточки для схемы.

Ходурока

Организационный момент

Актуализация знаний

Тест(выдается на отдельных листочках)

Укажите, что сделано руками человека.

А)облако, б)космический корабль, в)стол, г) трава, д)воробей, е)солнце

2. Укажите, что не сделано руками человека.

А)река, б)кит, в)парта, г) вода, д)небо, е)дом

3.Какое утверждение верно?

А) Природой называется все то , что окружает человека, б) Природой называется все то, что сделано руками человека, в) Природой называется все то, что окружает человека и не сделано его руками.

4. Укажите объекты природы

А)шкаф, б)глина, в) стекло, г)обувь, д)воздух, е) магнитофон, ж)телефон, з)сыр, и) троллейбус, к) песок речной, л) песок сахарный.

Самоопределение к деятельности.

Отгадайте загадки. (Учитель записывает отгадки на доске)

Не по рыбам, а сети расставляет.(Паук)

У родителей и деток вся одежда из монеток. (Рыба)

Ходит, спесь надуваючи. (Индюк)

По синему морю белые гуси плывут. (Облака)

И тонок, и долог, а сядет- в траве не видать. (Дождь)

Сам алый, сахарный, кафтан зеленый, бархатный. (Арбуз)

Прочитайте первые буквы отгадок. Какое слово получилось ? (Природа)

(На доске написана тема урока «Неживая и живая природа».) Заданияучащимся:

Прочитайте название темы.

О чём вы узнаете на уроке?

Подойдите к окну и внимательно рассмотрите всё, что из него просматривается.

Расскажите, что вы видите. (Растения, животных, людей, транспорт, солнце, облака и т. д.)

Работа по теме урока

Беседа.

-На какие две группы можно разделить всё увиденное? (Живое и неживое.)

-Почему одни предметы вы относите к живой природе, а другие — к неживой?

Дети имеют первоначальные знания о живой и неживой природе, но могут возникнуть осложнения с доказательством. Основные признаки тел живой природы — питание, дыхание, размножение, рост, смерть. Только при наличии всех этих факторов тело можно отнести к живой природе. На протяжении изучения всего курса следует напоминать детям, что человек -часть природы, поэтому обязан заботиться о ней, чтобы иметь хорошие условия существования.

Работа по учебнику

Прочитайте текст.

Заданияучащимся.

Что относим к живой и неживой природе?

Рассмотрите фотографии

Что из нарисованного относится к неживой природе, накройте жёлтыми фишками.

Что относится к живой природе, накройте зелёными фишками (взаимопроверка).

Физкультминутка

Игра «Живое — неживое»

Класс делится на две группы. Одна группа учеников назначается ответственной за тела живой природы, другая — за тела неживой природы. Учитель показывает картинку. Встаёт та половина класса, к какой группе относится данный предмет. Показ картинок можно⁴сменить загадками.

Что видно только ночью? (Звёзды, луна.)

Один пастух тысячи овец пасёт. (Месяц, звёзды. )

Летом греет, зимой холодит. (Солнце.)

Без рук, без ног, а бежит. (Вода.)

Дышит, растёт, а ходить не может. (Растение.)

В лесу на одной ножке выросла лепёшка.(Гриб.)

Под мостиком виляет хвостиком. (Рыба.)

На шесте дворец, во дворце певец. (Скворец.)

Ползун ползёт, иглы везёт. (Ёж.)

Связь неживой и живой природы.

Составление схемы взаимосвязи неживой и живой природы.

На столе учителя лежат карточки — составные части схемы: неживая природа, вода, воздух, солнце, живая природа, животные, растения, человек.

Беседа.

Что необходимо растениям и животным для жизни?

К какой природе относят эти компоненты?

На что оказывают влияние солнце, воздух и вода? (На живую природу.)

Что относят к живой природе? (Животные, растения, человек.)

Так в процессе беседы на доске появляется схема, но её части пока не соединены.

Посмотрите, какая схема у нас получилась.

Всё понятно на схеме? (Нет связи между частями.)

Как бы вы расставили стрелки, чтобы показать связь и взаимовлияние неживой и живой природы?

— Подумайте и расскажите, что произойдёт с представителями живой природы, если исчезнет солнце (вода, воздух).

Выполнение задания в рабочей тетради

№1 и 3 на с.7

Рефлексия

Учащиеся отвечают на вопросы учебника в рамке. Взаимопроверка.

Подведение итогов урока

О чем мы говорили сегодня на уроке?

Что нового узнали?

Домашнее задание: Рабочая тетрадь: №2,5 на с.7-8.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/87088-konspekt-uroka-po-okruzhajuschemu-miru-zhivaj

Тест.» Природа и рукотворный мир. Неживая и живая природа.2 класс

Окружающий мир 2 класс

Тест.

Тема №16 Природа и рукотворный мир. Неживая и живая природа.
1вариант
1. Природа это то…
а) что нас окружает, но не создано человеком; б) что мы видим вокруг нас;
в) что создано людьми.
2. Рукотворный мир это то…
а) солнце, воздух, вода; б) что создано людьми; в) что нас окружает.
3. Что относится к неживой природе?
а) грибы; б) солнце, вода; в) человек.
4. Что относится к живой природе?
а) грибы, человек; б) солнце; в) звезды.
5.Что необходимо для жизни растениям и животным?
а) еда; б) вода; в) солнце, воздух, вода.

2 вариант
1.Что является источником света?
а) небо; б) солнце; в) воздух.
2. Рукотворный мир это то…
а) что создано людьми; б) солнце, воздух, вода; в) что нас окружает.
3. Что относится к неживой природе?
а) солнце; б) человек; в) грибы.
4. Что относится к живой природе?
а) солнце; б) звезды; в) грибы, человек.
5. Природа это то…
а) что создано людьми; б) что нас окружает, но не создано человеком;
в) что мы видим вокруг нас.

Т №16
В 1 1) а; 2) б; 3) б; 4) а; 5) в.
В 2 1) б; 2) а; 3) а; 4) в; 5) б.

ГДЗ Страница 17-19. Неживая и живая природа Рабочая тетрадь окружающий мир Плешаков 2 класс 1 часть
1. Подчеркни карандашами разного цвета (по своему выбору) объекты неживой и живой природы.
Солнце, ель, лягушка, воздух, карась, ландыш, гранит, кактус, созвездие, облако, подосиновик, комар, льдина, сосулька, роза, вода.
В рамке расшифруй условные обозначения, то есть покажи, каким цветом обозначены объекты неживой природы, а каким — живые существа.
Неживая природа    Живая природа
2. Вырежи из Приложения картинки и расположи их в соответствующих рамках. Попроси соседа по парте проверить твою работу. После проверки наклей картинки.
3. Исправь ошибки в утверждениях Сережи (зачеркни лишнее слово). Проверь себя с помощью учебника.
1) Солнце, звёзды, воздух, вода, камни, растения — это неживая природа.
2) Растения, грибы, животные, человек, звёзды — это живая природа.
4. Заполни таблицу (напиши не менее трёх примеров в каждом столбце). Старайся не повторять примеры из задания 2.
Объекты неживой природы     Объекты живой природы
Месяц                                           Животные
Град                                              Рыбы
Камни                                           Птицы
Песок                                            Растения
5. Наш удивительный Попугай — любитель загадок. Вот какие загадки он тебе предложил. Отгадай их и впиши отгадки в схему. Объясни схему (устно). Расскажи с её помощью о значении Солнца для жизни на Земле.
Взойдет Егор на бугор –
Выше леса, выше гор.
С бугра спускается –
За травой скрывается
(Солнце)
То, от чего тает лед – тепло
Не стукнет, не брякнет, а в окно войдет – свет
6. Обсудите, какими способами можно показать связи между неживой и живой природой. Какой из этих способов самый наглядный? Почему? В верхней рамке выполните рисунок, показывающий пример связи между объектами неживой и живой природы (или наклейте фотографию). В нижней рамке покажите эту же связь с помощью схемы.

Неживая и живая природа. (2 класс)
1. УРОК ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА во 2 классе «НЕЖИВАЯ И ЖИВАЯ ПРИРОДА»
Учитель:
Иргалиева Ирина Лаврентьевна
Посмотри, мой милый друг,
Что находится вокруг?
Небо светло-голубое,
Солнце светит золотое,
Ветер листьями играет,
Тучка в небе проплывает.
Поле, речка и трава,
Горы, воздух и листва,
Птицы, звери и леса,
Гром, туманы и роса.
Человек и время года –
Это все вокруг…
(природа)
КАКАЯ ПОГОДА БЫВАЕТ
ЛЕТОМ?
4. ЧТО ТАКОЕ ПРИРОДА?
5. НЕЖИВАЯ ПРИРОДА
СОЛНЦЕ
ЗВЕЗДЫ
ВОЗДУХ
ВОДА
КАМНИ
6. ЖИВАЯ ПРИРОДА
РАСТЕНИЯ
ГРИБЫ
ЖИВОТНЫЕ
ЧЕЛОВЕК
8. ПРИРОДА
НЕЖИВАЯ
ЖИВАЯ
9. ПРОВЕРЬ СЕБЯ
6
1
7
4
3
2
5
1. Тронь, только тронь –
Отдерешь ладонь:
Обжигает трава,
Как огонь.
10. ПРОВЕРЬ СЕБЯ
6
К
7
Р
4
А
П
И
В
А
3
2
5
2. Летом бежит,
А зимой стоит.
11. ПРОВЕРЬ СЕБЯ
6
К
7
Р
4
А
3
П
Р
И
Е
В
К
А
А
5
3. Хвост пушистый,
Мех золотистый,
В лесу живет,
В деревне кур крадет.
12. ПРОВЕРЬ СЕБЯ
6
К
7
Р
4
А
Л
П
Р
И
И
Е
С
В
К
А
А
А
5
4. Непоседа пестрая,
Птица длиннохвостая,
Птица говорливая,
Самая болтливая.
13. ПРОВЕРЬ СЕБЯ
6
К
Р
С
А
Л
О
П
Р
И
Р
И
Е
С
О
В
К
А
К
А
А
А
7
5
5. Ну-ка, кто из вас ответит:
Не огонь, а больно жжет,
Не фонарь, а ярко светит,
Не пекарь, а печет?
14. ПРОВЕРЬ СЕБЯ
6
К
7
Р
С
А
Л
О
С
П
Р
И
Р
О
И
Е
С
О
Л
В
К
А
К
Н
А
А
А
Ц
Е
6. В этом белом ,сундучище
Мы храним на полках пищу.
На дворе стоит жарища,
В сундучище — холодища.
15. ПРОВЕРЬ СЕБЯ
Х
К
О
Р
С
А
7
Л
Л
О
С
О
П
Р
И
Р
О
Д
И
Е
С
О
Л
И
В
К
А
К
Н
Л
А
А
А
Ц
Ь
Е
Н
И
К
7. Что же это за девица?
Не швея. Не мастерица
Ничего сама не шьет,
А в иголках круглый год.
16. ПРОВЕРЬ СЕБЯ
Х
К
Р
С
А
О
Е
Л
Л
Л
О
С
О
К
А
П
Р
И
Р
О
Д
И
Е
С
О
Л
И
В
К
А
К
Н
Л
А
А
А
Ц
Ь
Е
Н
И
К
17. Объясни схему. Что обозначают стрелки на этой схеме?
Приведите примеры, что относится к неживой, а
что — к живой природе.
2. Объясните, как связаны между собой неживая и
живая природа.
1.
Благодарю за
работу!
Вы
молодцы!
Живое и неодушевленное: граница информации
Информация как класс эквивалентности
Шеннон использовал эмпирический подход к информации. Он исследовал, как информацию можно измерить и обработать, но не пытался дать ей определение. В самом начале своей работы он утверждал, что семантика не имеет отношения к коммуникационной инженерии: коммуникационная система, предназначенная для предоставления ее адресату сообщения, исходящего из некоторого источника, не может быть спроектирована для конкретного сообщения.Вместо этого он должен предшествовать любому возможному сообщению (Shannon 1948). Посланнику не нужно знать значение сообщения, которое он несет, только для того, чтобы передать его. Этот основной постулат никогда не подвергался сомнению в развитии науки о коммуникационной инженерии, уходящей корнями в работу Шеннона, именуемую теорией информации . Напротив, четкое отделение информации от семантики в ретроспективе представляется очень плодотворной методологической позицией.
В рамках этой схемы мы попытались дать определение информации, которая может быть полезна в биологии (Battail 2008b, c).В основном мы рассматриваем информацию как , что передается как . Сначала мы рассматриваем последовательность символов, то есть различимых элементов, взятых из данного конечного множества, называемого алфавитом. Такая последовательность физически записана, т.е. каждый из ее символов представлен отдельным состоянием некоторого физического объекта, устройства или системы. Физическая система, на которой начертаны ее символы, и размер алфавита, т. Е. Число состояний, которые эта система может принимать, произвольны.Например, последовательность букв
$$ \ mbox {i ~ n ~ f ~ o ~ r ~ m ~ a ~ t ~ i ~ o ~ n} $$
использует 26-буквенный латинский алфавит и последовательность
$$ 110100111011101100110110111111100101101101110000111101001 $$
$$ 10100111011111101110 $$
использует двоичный алфавит {0,1}, самый простой из возможных, потому что, чтобы быть разными, символов алфавита должно быть не менее двух. В системе электросвязи информация в двоичной форме, например, будет представлена последовательностью напряжений, каждое из которых связано с двоичным символом b , его полярность с в зависимости от него в соответствии с с = (- 1) ^б; тогда положительное (отрицательное) напряжение представляет собой символ 0 (1).
Вписанной последовательности не хватает общности, поскольку она зависит от физической поддержки, используемой для представления ее символов, и от размера алфавита. Что касается выбора алфавита, например, две вышеупомянутые последовательности фактически эквивалентны, поскольку вторая является результатом преобразования букв первой в двоичную форму в соответствии с « Американским стандартным кодом для обмена информацией » (ASCII), который в настоящее время используется в компьютерной памяти: каждая буква первой последовательности заменена определенным семизначным «словом».
Что еще более важно, данная последовательность может быть преобразована в другие последовательности с помощью кодирования процессов, чтобы наделить их полезными свойствами. Преобразования кодирования должны быть обратимыми, то есть должны обеспечивать возможность точного возврата к исходной последовательности посредством надлежащего «декодирования» кодированных последовательностей. Если мы рассмотрим процессы кодирования в том же алфавите, что и исходный, закодированные последовательности могут быть короче оригинала (исходное кодирование) или длиннее его (канальное кодирование).Уменьшение длины последовательности полезно для уменьшения размера памяти, необходимой для ее записи. Увеличение его длины является неизбежным следствием канального кодирования, которое направлено на защиту исходного сообщения от ошибок, которые могут повлиять на его символы.
Учитывая некоторую последовательность, бесконечно много эквивалентных ей последовательностей, таким образом, является результатом ее возможного кодирования, изменения размера алфавита и опоры, на которой физически вписаны ее символы. Все последовательности, эквивалентные в этом отношении данной последовательности, составляют класс эквивалентности , который будет обозначаться как и информация . (Рассмотрение такого класса является стандартным средством для создания математического объекта.) Таким образом, определенная как класс эквивалентности, информация является самостоятельной сущностью, независимо от значения, которое может быть с ней связано, что является вопросом семантики.
Информация представлена любой последовательностью в пределах своего класса эквивалентности. В качестве предпочтительного представителя информации целесообразно рассматривать самую короткую среди всех последовательностей ее класса эквивалентности, записанную с использованием простейшего возможного алфавита, т.е.е., бинарный. Эта двоичная последовательность минимальной длины будет называться информационным сообщением , связанным с данной информацией. Можно считать, что его длина k количественно измеряет данную информацию, независимо от длины ее первоначального представителя. Для данной последовательности нет явных средств для определения ее информационного сообщения. Средства для получения эквивалентных последовательностей короче заданной существуют, но нет систематического способа убедиться, что найдена самая короткая. Тогда доступна только верхняя граница количества информации, которую несет последовательность. Информационное сообщение — это всего лишь двоичное представление некоторого натурального числа, с которым каждая информация однозначно связана. Натуральное число — это номинальное число в смысле Барбьери (Barbieri 2004, 2008c). Барбьери справедливо отмечает, что понятие номинальной сущности чуждо физике, где числа обычно являются результатом измерения некоторых величин с обязательно конечной точностью. Напротив, геном любого живого существа представлен информационным сообщением, следовательно, натуральным числом, которое является уникальной сущностью.
Рассмотрение информационного сообщения, связанного с информацией, может пролить некоторый свет на связь информации с семантикой. С этой целью мы можем рассматривать информационное сообщение как представление пути в двоичном дереве. Каждый из символов сообщения, или бит (сокращение от «двоичная цифра»), можно интерпретировать как ответ на вопрос «да» или «нет». Информационное сообщение длиной k однозначно представляет один из 2 ^k путей двоичного дерева, следовательно, определяет один из 2 ^k семантических экземпляров, состоящих из ответов на k дихотомических вопросов (подумайте например, определение вида как пути в его филетическом дереве).Хотя это может показаться рудиментарным видом семантики, k может быть очень большим, поэтому информационное сообщение такой длины определяет один из очень многих семантических экземпляров. Мы ссылаемся на Battail (2008b) для получения более подробной информации.
Информация об измерениях
Длина k информационного сообщения, связанного с информацией, является ее естественной количественной мерой. Однако этого недостаточно для решения проблемы измерения информации, поскольку для этого требуется, чтобы информационное сообщение было доступно.Так обстоит дело в технике, когда кодирование канала намеренно преобразует информационное сообщение длиной k в более длинное слово для защиты от ошибок символа, но этот случай появляется как исключение, поскольку во многих случаях информационное сообщение, связанное с данная последовательность явно не известна. Его частое отсутствие доступности приводит к тому, что измерение информации основывается на других основаниях.
Шеннон представил количество информации, предоставляемой событием, как измерение того, насколько неожиданным является это событие.Количество информации h ( x ), связанное с событием x , происходящим с вероятностью p , определяется как
$$ h (x) = \ log_2 (1 / p) = — \ log_2 (p). $
(1)
Выражается в двоичных единицах, потому что в этом определении используются логарифмы с основанием 2. Мы называем определенную таким образом информационную единицу shannon (в отличие от Shannon, который использовал аббревиатуру bit ; мы используем исключительно «бит» для обозначения двоичной цифры, независимо от количества информации, которое она может нести).Логарифмическая функция была выбрана в определении (1) так, что если два независимых событий x ₁ и x ₂ встречаются с вероятностями p ₁ и п. ₂, соответственно, информация, полученная при их совместном возникновении, событие, имеющее в качестве вероятности продукт п. ₁ п ₂ их индивидуальных вероятностей, это сумма количеств информации, отдельно связанных с x ₁ и x ₂.
Более важной и полезной величиной является среднее количество информации, связанное с конечной случайной величиной X , то есть переменной, которая, возможно, принимает q значений x _и, i = 1, 2, …, q , именуемое реализациями , x _и с вероятностью p _и.{i = q} p_i \ log_2 (p_i), $$
(3)
обозначается энтропией ^{Сноска 3} из X . Его максимум достигается, когда все события { x _и} имеют такую же вероятность, которая равна 1/ q из-за уравнения. 2. Таким образом, максимальная энтропия, связанная с q возможных событий:
$$ H _ {\ max} (X) = — \ sum (1 / q) \ log_2 (1 / q) = \ log_2 (q).$
(4)
Эти определения согласуются с уже предложенной информационной мерой, а именно с длиной k информационного сообщения, связанного с информацией, рассматриваемой как класс эквивалентности. Фундаментальная теорема кодирования источников, один из важнейших результатов теории информации, соединяет эти два определения. Источник, генерирующий сообщения, моделируется в теории информации Шеннона как случайная величина X . _с где событие x _и — это выбор i -го символа в алфавите размером q .Пусть H ( X _s) обозначают энтропию источника в двоичных единицах (шеннонах) на символ. Тогда основная теорема кодирования источника гласит, что сообщение длины n может быть обратимо преобразовано в двоичное сообщение средней длины \ (\ bar {\ ell} = n H (X _ {{\ rm s}}) \ log_2 (q) \). Если n очень велико, фактическая длина с высокой вероятностью близка к своему среднему значению, поэтому мы можем идентифицировать \ (\ bar {\ ell} \) с длиной k информационного сообщения, связанного с исходной последовательностью длина n , поскольку никакая более короткая последовательность не эквивалентна ей.
Обращение к вероятностям необходимо в технике связи по двум основным причинам: во-первых, сообщения, которые должны быть переданы, должны рассматриваться как случайные, поскольку сообщение, которое будет отправлено, заранее неизвестно; во-вторых, наличие шума означает, что прием является вероятностной операцией. Однако это не означает, что концепция информации полностью зависит от вероятностей. Когда мы представили выше информацию как класс эквивалентных последовательностей, никакие вероятности не нужно было приписывать последовательностям.Что касается связывания количества информации с данной последовательностью, алгоритмическая теория информации измеряет ее как длину, называемую алгоритмической сложностью , самой короткой программы, которая инструктирует универсальный компьютер генерировать эту последовательность (Chaitin 2005). Это определение уходит корнями в информатику, где шум обычно игнорируется. Это представляет большой теоретический интерес, потому что он не полагается на вероятности, но алгоритмическая сложность, как правило, не поддается вычислению, что ограничивает ее практическую полезность.Хотя вероятностное определение количества информации и алгоритмическое определение полностью различаются, можно показать, что они дают почти одинаковые результаты в тех случаях, когда оба имеют значение, по крайней мере, применительно к достаточно длинным последовательностям.
Информационная энтропия против физической
Источник парадигмы Шеннона генерирует информацию, выбирая один из M объектов, M ≥ 2, поэтому его результат может быть смоделирован как случайная величина, выбор m -го объект, являющийся его м -я реализация, встречающаяся с вероятностью p _м.Тогда среднее количество информации, производимой источником, является его энтропией (см. Уравнение 3, где M заменено на q в формуле). Если все символы выбраны с одинаковой вероятностью 1/ M , энтропия источника согласно формуле. 4, составляет H = log ₂ M shannons.
За семьдесят лет до того, как Шеннон основал теорию информации, Больцман выразил энтропию S физической системы, возможно, предполагающую одно из W различных состояний (или « комплексов »), согласно статистической физике, пропорциональной логарифму числа состояний:
, где k — постоянная (эта формула выгравирована на гробнице Больцмана в Вене).В разных обозначениях эта формула идентична энтропии Шеннона источника, в котором выбор равновероятен, а именно: 4. Именно эта формальная идентичность, как сообщается, побудила фон Неймана посоветовать Шеннону называть энтропию его статистической мерой информации.
Энтропия Больцмана измеряет неопределенность о состоянии макроскопической системы при отсутствии каких-либо средств для ее реального знания. Энтропия Шеннона, напротив, измеряет неопределенность до исходного результата, который ее разрешает.Таким образом, информация выглядит как измерение разрешенной неопределенности , тогда как энтропия Больцмана измеряет в основном неразрешенную неопределенность. Это замечание побудило Бриллюэна переименовать энтропию Шеннона в «негэнтропию» (отрицательную энтропию) как средство измерения того, сколько неопределенности было устранено несущим информацию событием (Brillouin 1956). Это предполагает, что информация может уменьшить физическую энтропию на величину, равную энтропии Шеннона.
Многие (включая меня) убеждены в этом аргументе, другие думают, что идентичность уравнений4 и 5 являются чисто формальными и не отражают никакой реальности. Например, Йоки изящно высмеивает цитируемое выше мнение, написав: «Жизнь не питается негэнтропией , как кошка лакает сливки» (Йоки 2005, стр. 32). В разделе «Операция жизни уменьшает физическую энтропию» ниже мы попытаемся более явным образом разъяснить взаимосвязь физической и информационной энтропии, показывая, что жизнь постоянно борется с физической энтропией с помощью информационных средств. Более того, предположение, что жизнь и только жизнь производит информацию, приводит к выводу, что жизнь процветает за счет физической энтропии.
Информация в биологическом контексте
В статье «Живое и неживое разделение» мы заявили, что информация может быть уничтожена, но также что ее можно копировать, а значит, и размножаться. Эти a priori свойств информации абстрактного и общего характера радикально отличают ее от материи и энергии. Мы также сделали акцент на необходимости, чтобы информация физически вписывалась в какую-либо опору.
Давайте теперь рассмотрим случай, представляющий биологический интерес, когда информационное сообщение связано с «рецептом», понимаемым как последовательность инструкций, которым необходимо следовать, чтобы сконструировать некоторый объект.Затем бит или блок битов в этом сообщении указывает шаг процесса построения, следовательно, его семантическое содержание полностью зависит от его местоположения в сообщении. Обратите внимание, что местоположение определяется только в одномерном объекте , таком как последовательность, поэтому рецепт не может быть перенесен на объект, имеющий более одного измерения. Если объект, который позволяет изготавливать по рецепту, имеет более одного измерения, он не может сам действовать как рецепт. Однако поскольку он полностью указан в рецепте, он содержит, по крайней мере, тот же объем информации, что и сам рецепт.Информация, которую несет изготовленный объект, будет называться структурным , или аристотелевским, в отличие от символической информации , переносимой последовательностью, связанной с рецептом.
В биологии ДНК — важнейшая информационная поддержка. Символами его алфавита являются молекулы, а именно четыре нуклеиновых основания A , T , G и C . ДНК демонстрирует выдающуюся способность к точному копированию. Основной механизм копирования состоит из расщепления дополнительных цепей двойной спирали (что требует мало энергии, потому что их сцепление водородными связями является слабым) и восстановления дополнительных цепей каждой из них, используемых в качестве шаблона.Чрезвычайно эффективные механизмы «корректуры» ^{Сноска 4} в конечном итоге приводят к почти идеально точной копии.
ДНК действует точно как рецепт, поскольку ген определяет построение белка, а весь геном — фенотипа. Таким образом, ген или геном несут символическую информацию, тогда как белок или фенотип несут структурную информацию, заимствованную из символической информации гена или генома. Таким образом, свойства аннигиляции и размножения специфичны для символической информации, переносимой ДНК.Структурная информация может быть уничтожена только тогда, когда ее опора, то есть изготовленный объект, разрушена или повреждена, а не просто заменой старой информации какой-то новой; и, в отличие от символической информации, ее нельзя ни скопировать, ни дать указание на создание идентичного ей объекта. Фон Нейман действительно показал, что воспроизведение любого объекта требует, чтобы он содержал свое собственное символическое описание (von Neumann, 1966), следовательно, двойственность генома / фенотипа необходима как у живых существ (Pattee, 2007), так и в искусственных самовоспроизводящихся системах (Mange et al. al.2004 г.).
Мы уже ввели понятие потенциальной информации для обозначения информации, которую несет любое происходящее событие. Такое событие предоставляет полезную информацию только тогда, когда оно приводит к записи некоторой последовательности дискретных символов, то есть в символической информации в указанном выше смысле. На следующем рисунке показана взаимосвязь потенциальной, символической и структурной информации. Нельзя копировать ни потенциальную, ни структурную информацию. Преобразование потенциальной информации в символическую включает запись; преобразование символической информации в структурную требует семантики (рис.2).
Рис. 2
Необратимость передачи информации (или расширенная центральная догма). Можно копировать только символьную информацию, на что указывает двойная стрелка . Стрелка слева означает запись и пересекает границу между неодушевленным и живым мирами. Стрелка справа подразумевает семантику
Мы уже заметили, что особенность символической информации, которую несет, например, ДНК, состоит в том, что ее поддерживает одномерное .Таким образом, любой символ в информационном сообщении занимает в нем четко определенное место. Это свойство теряется в пространствах более высокой размерности, и оказывается, что оно необходимо для присвоения семантики посредством дерева, которое представляет информационное сообщение, как упоминалось выше. В более общем плане отношение порядка необходимо для выражения синтаксических правил, которые сами по себе необходимы для любого описания или спецификации. Белок — это трехмерный объект, и фенотип можно рассматривать как имеющий четыре измерения, если мы включим время в качестве релевантного измерения помимо пространственных (чтобы учесть развитие объекта; тогда необратимость времени другая причина невозможности копирования структурной информации).Невозможность копирования белков можно рассматривать как фактическое содержание «центральной догмы молекулярной генетики». По той же причине подобная невозможность существует на уровне фенотипа, что значительно расширяет ее охват.
Живые существа характеризуются процессами самоподдержания и самоконструирования, преобразующими символическую информацию своего генома в структурную информацию их фенотипа. Как ни парадоксально, это динамическое поведение в основном приводит к поддержанию зрелых фенотипов в их нынешнем состоянии, точно так же, как Красная Королева Льюиса Кэрролла должна бежать, чтобы оставаться там, где она есть.Процесс увеличения физической энтропии имеет тенденцию постоянно растворять структуры, и жизнь постоянно пытается противодействовать этому процессу. Хотя с нашей точки зрения разумно связывать созданные человеком машины с живым миром, дошедшим до нас по-прежнему не хватает свойства самоподдержания, которым обладают настоящие живые существа. Эти машины имеют дело только с информацией, поступающей извне, но не могут обрабатывать внутреннюю информацию из-за отсутствия рефлексивной функции. Машины будущего, несомненно, будут наделены способностью к самообслуживанию.
1: Живое и неживое — природа животных и человека
ВВЕДЕНИЕ
Моя цель в этой книге — показать живой мир и особенно животный мир как часть, но отличную от неодушевленного мира, и особенно рассмотреть животный мир, особенно в том смысле, что он, кажется, приближается к человеческому миру по поведению и возможностям. Затем я предлагаю рассматривать человека, во-первых, как часть животного мира, а во-вторых, как в некоторых отношениях уникально отличающуюся от животных, и обсудить природу и степень этой уникальности.Я слишком хорошо осведомлен о масштабности этого предприятия, включающего вторжения во многие отрасли науки, как физические, так и биологические. И, как будто этого было недостаточно, я должен предпринять серьезные набеги на территории различных отраслей психологии, философии, лингвистики и других искусств, и не в последнюю очередь теологии! Хотя части этой книги неизбежно должны быть сложными, я выбрал простое название « Природа животных и природа человека». В этом заголовке я использую слово «природа» в его обычном повседневном значении как обозначение качеств чего-либо, которые делают его тем, чем оно является, и это подразумевает, что мы пытаемся раскрыть сущностный качественный характер или характер существ, о которых мы говорим.
Вначале следует задать два ключевых вопроса, которые постоянно обсуждаются учеными и ответы на которые очень далеки от однозначных: существует ли реальный непреодолимый разрыв между (1) живым и неживым и (2) ) между человеком и остальным живым миром?
Просто потому, что отношения или отсутствие отношений между животными и людьми являются центральными для всей моей темы, я, выбирая примеры поведения животных, которые я обсуждаю, часто выбирал более сложный, «высший» или то, что кажется более «умным». экземпляры.Но мне не хочется создавать впечатление, будто весь животный мир подобен этому; и поэтому важно начать с аспекта предмета в целом, который является более техническим и сложным, чем большинство других, — это отношения между живым и неодушевленным между подходами физика-химика и инженера, с одной стороны, и биолога-натуралиста. и психолог с другой.
Всякий раз, когда мы обсуждаем науки и особенно то, как преподавать их, даже когда мы просто думаем о них, большинство из нас склонны помещать их в своем сознании в линейную последовательность.Математика и физика находятся наверху, а остальные расположены вниз по ступеням лестницы, по которой они поднимаются по мере того, как становятся более точными. Так называемые описательные науки находятся внизу лестницы, возможно, даже не стоя на ней вообще, но все еще ожидая первого удачного броска, как в игре в кости (Pantin 1968). Фактически, небольшая мысль показывает, что такое линейное расположение определенно неверно. Достаточно рассмотреть астрономию, геологию и биофизику, чтобы увидеть это. Деления, которые мы делаем, на самом деле произвольны, и разделение между физической наукой и биологической наукой сначала кажется просто практическим.Очевидно, что науки образуют многомерную сеть — некоторые из них сложны, некоторые из них, по-видимому, намного проще, некоторые из них очень точны, а некоторые точны, некоторые с большим количеством беспорядка по краям.
Отношения между науками
Сто лет назад было принято делить науки на наблюдательные и экспериментальные (Pantin op. Cit.). Когда мы просто замечаем и фиксируем явления, которые происходят вокруг нас в ходе обычного естественного движения, нас говорят, что мы «наблюдаем». Когда мы изменяем ход природы посредством вмешательства нашей воли и манипулятивных способностей, производя новые или необычные комбинации явлений, мы, как говорят, «экспериментируем».Сэр Джон Гершель предположил, что эти два режима лучше называть пассивным и активным наблюдением. Очевидно, что в обоих случаях сделаны наблюдения; Следовательно, эксперимент — это просто наблюдение плюс контролируемое изменение условий. Конечно, существуют «естественные эксперименты», такие как возникновение затмений или появление сверхновых звезд; и даже сегодня астроном должен дождаться подходящего времени или путешествия в подходящее место, чтобы найти условия, наиболее подходящие для того, чтобы сделать более твердые выводы.В середине девятнадцатого века часто говорилось, что геологи должны только наблюдать, а не теоретизировать — в ответ на этот аргумент Чарльз Дарвин заметил, что с таким же успехом человек может пойти в гравийную яму, посчитать гальку и описать их цвета. Он даже зашел так далеко, что сказал, и сегодня мы все должны с ним согласиться, что даже для того, чтобы быть хорошим наблюдателем, нужно быть активным теоретиком.
Но ученые-физики не желают заниматься каким-либо проектом, где они не могут, по крайней мере, в некоторой, а часто и в очень высокой степени, манипулировать условиями.Поступая так, они фактически абстрагируются от богатства и сложности природного мира и сосредотачивают свое внимание на его небольших частях — с впечатляющими результатами, которые мы все знаем сегодня. Карл Пантин (1968) сказал, что физика и химия смогли стать точными и зрелыми только потому, что из их изучения исключено огромное количество природных явлений. Таким образом, физику-классику или химику как таковому нет необходимости обращаться к биологии за данными; он фактически ограничивается определенными типами материала и ситуаций, с которыми могут иметь дело его методы и теории, и по этой причине Пантин фактически вслед за Клерком Максвеллом (в 1877 г.) называет такие науки «ограниченными».В отличие от биологии и геологии «неограниченны». Ученым, занимающимся этими последними областями, возможно, придется следовать анализу своих проблем в любой другой вид науки; тогда как физик может придерживаться своего последнего. Этот выбор или ограничение позволяет физику быстро прогрессировать с помощью математических моделей высокого интеллектуального качества. Еще раз процитирую Карла Пантина: «Очень умные люди отвечают на относительно простые вопросы экзаменационной работы по естествознанию. Несмотря на то, что эти проблемы были великолепны в интеллектуальном плане, проблемы, которые они представляют, легче, чем проблемы неограниченных наук, очевидным примером которых является биология.”
На первый взгляд может показаться, что тот факт, что такие науки, как геология, имеют дело с грубыми явлениями, является признаком незрелости. Аналогично с психологией. Действительно, в течение последних двадцати пяти лет психологи-экспериментаторы снова и снова заявляли, что причина, по которой их результаты не являются более удовлетворительными и твердыми, заключается в том, что их науке пока не хватает Исаака Ньютона. Поэтому, как они утверждают, их цель — сделать психологию такой же точной и точной, как физика.Но было бы ошибкой предполагать, что только микровыбросы, такие как поведение электронов и молекул, заслуживают внимания настоящего ученого. Действительно, астроном и геолог искренне согласятся с биологом в том, что можно многому научиться из изучения медленно действующих систем относительно большого размера; эти системы просто не могут быть исследованы с точностью и точностью, характерной для работы химика и физика. Тем не менее, это есть и, конечно же, должно быть целью всех отраслей науки сделать себя как можно более точными; и поэтому по мере того, как различные дисциплины, зрелая математика становится все более и более очевидной — даже в наши дни в таких явно нематематических предметах, как таксономическая ботаника.Постоянно создаются новые математические методы, чтобы ответить на вопросы, которые стали слишком сложными для старомодных методов наблюдения и описания. Это, конечно, так, как должно быть, и открывает еще один важный момент: поскольку математика на самом деле занимается изучением отношений, так и наука в очень большой степени занимается изучением отношений; и мы можем найти важные взаимосвязи, отображаемые во взаимодействии видов животных на одном уровне размера, в движении слоев и дрейфе континентов на другом уровне размера, а также в невообразимых расстояниях звездных вселенных.Это не значит, что эти науки просто становятся новыми разделами физики и химии! Напротив, по мере того, как они становятся более точными, они обнаруживают новые особенности и новые законы — особенности и законы, которые химик и физик сами по себе не в силах исследовать.
Знание «объективного» мира
Сказать, что наука исследует отношения, конечно, только один аспект истины. Слово наука раньше означало все знание; но из-за массового употребления он стал более или менее ограниченным знанием об объектах в мире природы — это задача естественных наук.Это подводит нас к следующему важному вопросу, а именно: какие «объекты» исследует ученый? Природа представляется нам в одном аспекте континуумом. Изучая этот континуум, мы распознаем комплексы явлений, которые сохраняют идентичность и демонстрируют высокую степень стабильности и устойчивости паттерна в отличие от примеров с менее связными чертами (Weiss 1969). На практике ученый, как и все остальные, принимает реальность описаний внешнего мира как в некотором смысле состоящего из «реальных» объектов.Мы все можем сбиться с толку при первом взгляде на совершенно новый объект или старый объект в незнакомой ситуации. Изогнутая палка в лесу может выглядеть как змея, поганка может выглядеть как восхитительно липкая булочка, и нам нужно очень внимательно посмотреть, прежде чем мы сможем решить, что именно мы видим на самом деле. На первый взгляд мы можем быть вполне уверены в своей идентификации только для того, чтобы, возможно, к нашему смущению обнаружить, насколько мы ошибались. Моя любимая собака, которая любила гоняться за кошками, не была подготовлена к тому факту, что соседка приобрела миниатюрного йоркширского терьера, который издали казался ей кошкой.Она гналась за ним, и ее смущение, когда он повернулся и залаял на нее, было забавным.
Как ученые, мы должны остерегаться следовать психологам предыдущего поколения и смотреть на чувственные данные как на субстанцию, «из которой мы строим восприятие». Скорее чувственные данные — это высокоинтеллектуальные абстракции, лишенные тех отношений, которые являются основой нашего убеждения в реальности. Но прежде всего ученый, что бы он ни говорил, всегда верит, что он исследует реальный мир, состоящий из «объектов», отношения которых он может изучать.Самая яркая черта повседневного мира предметов — это стойкий характер вещей в нем. Помимо ежедневных и сезонных циклических изменений, мир полон вещей, которые мы видим как объекты; некоторые из них, такие как холмы и океаны, постоянны в течение огромных периодов времени; другие, такие как снежинки и вспышки молний, и многие радиоактивные атомы и элементарные частицы могут иметь очень краткое, даже бесконечно малое существование. Таким образом, «реальный мир» состоит из объектов, которые продолжают (за исключением некоторых первичных физических частиц) медленно или быстро распадаться, и других объектов, демонстрирующих динамическое равновесие (как наша атмосфера), которое может существовать в течение огромного периода времени.И действительно, большинство объектов, которые мы как биологи изучаем , находятся в состоянии динамического равновесия . Ибо хотя и человек, и моллюск могут быть представлены нашим чувствам как непрерывная личность, в течение долгого времени ткани, из которых они состоят, большей частью находятся в состоянии постоянного изменения; Подобно реке, форма которой может оставаться практически постоянной, даже если вода постоянно меняется, они могут состоять из совершенно другого набора молекул по прошествии нескольких лет.Итак, наш выбор в отношении того, что мы называем «объектами», очевидно, зависит от наших чувств и от того факта, что эти чувства охватывают только определенный диапазон; наше восприятие фактически ограничено тем, что можно назвать нашим «сенсорным спектром». Мы видим свет только в определенном диапазоне длин волн. У пчел хорошее восприятие цвета, но оно соответствует совершенно разным отделам видимого спектра от нашего собственного и включает область чувствительности в ультрафиолете. Нам трудно представить, что пчела «видит», когда ее можно обучить по-разному реагировать на два белых листа, которые для нашего зрения идентичны, но один из которых отражает ультрафиолет, а другой — нет.Опять же своими невооруженными чувствами мы не воспринимаем вещи, которые слишком малы или слишком обширны или которые существуют слишком короткое время. Выносливость выносливого объекта следует измерять по шкале времени нашей собственной жизни и чувств. События, которые слишком маленькие, слишком большие, слишком быстрые или слишком медленные, не воспринимаются, и если наше внимание не привлекается к ним косвенными средствами, мы ничего о них не знаем.
Подход физика
Но хотя у нас должны быть объекты для изучения и «факты» о них, тем не менее во всех отраслях науки мы обнаруживаем, что в процессе анализа факты и объекты имеют тенденцию исчезать и становиться системами отношений.Это всегда было так и очень тревожно. Ученых порой двигало сильное ощущение реальности, ожидающей изучения природы, как приносящей им внятное сообщение, которое им нужно только расшифровать (Toulmin 1966). Однако в других случаях программа науки изменялась так быстро, что многие оставались почти в шоковом состоянии. Популярные и полупопулярные сочинения Эддингтона 1930-х годов сыграли большую роль в том, чтобы помочь обычному человеку понять, что происходит, поскольку безопасный материальный мир викторианских физиков, казалось, растворялся на его глазах.Это не новая проблема. Некоторые сожалеют об изменении, некоторые приветствуют его; и изменения, которые произошли в теоретической науке, действительно можно приветствовать, даже если они могут показаться противоречащими здравому смыслу, поскольку в целом они, несомненно, представляют собой огромный прогресс в нашем понимании самой природы природного мира. Но мы всегда испытываем некоторые муки по поводу исчезновения миров, которые мы знали, точно так же, как Ньютон и Галилей в их последние годы — чувство, которое было хорошо выражено Джоном Донном в 1611 году, написавшим
.
И новая философия вызывает все сомнения
Стихия огня совершенно потушена;
Солнце потеряно, и земля, и ничейный ум
Может указать ему, где его искать.
И люди открыто признаются, что этот мир потратил
Когда на планетах и в небесном своде
Они ищут так много нового; тогда посмотрите, что это
Развалился снова на его атомы.
«Все кончено, вся связь исчезла;
Все только поставки и все отношения. ¹
Еще со времен викторианской эпохи изменения в физике и астрономии казались на самом деле ужасающими и сбивающими с толку многих думающих людей.Многие из наших самых заветных убеждений остались незамеченными. Считалось, что атомы являются постоянными неизменными элементами природы. Теперь же, отнюдь не неизменными, они кажутся сотворенными разрушенными и преобразованными. Что действительно остается устойчивым, так это определенные абстрактные атрибуты частиц, из которых электрический заряд и волновые аспекты элементарных физических частиц являются наиболее известными. Эдмунд Уиттакер (1949) описал то, что он называет постулатов бессилия , но которые Броновски (1969) умно назвал законами невозможного , разрушение которых вызывает особую тревогу.Таким образом, большая часть механики может быть выведена из единственного утверждения, что вечное движение невозможно. Большая часть электромагнетизма следует из утверждения, что невозможно создать электрическое поле внутри полого проводника. Опять же, в специальной теории относительности невозможно обнаружить движение, если оно устойчиво, даже путем измерения скорости света. В общей теории относительности невозможно отличить гравитационное поле от поля, созданного собственным движением. В квантовой физике есть несколько законов невозможного, которые не совсем эквивалентны: принцип неопределенности один за другим состоит в том, что невозможно идентифицировать один и тот же электрон в последовательных наблюдениях. По сути, все квантовые принципы утверждают, что не существует устройств, с помощью которых мы можем полностью контролировать, какое состояние системы мы будем наблюдать дальше: Броновски переводит это в утверждение: «Невозможно гарантировать, что мы полностью скопируем заданный объект. ” И этот тревожный процесс изменений, кажется, ускоряется, и возникает вопрос: чем он закончится, если закончится! Как однажды сказал Дж. Б. С. Холдейн (незадолго до своей смерти): «Я лично подозреваю, что Вселенная не только страннее, чем мы предполагаем, но и еще более странной, чем мы можем предположить.”
Действительно, неизбежный вывод из квантовой теории, кажется, состоит в том, что природа фундаментально немеханическая. Некоторые эксперты заходят так далеко, что на основании своего знания квантовой теории и ее эффективности предполагают, что лучше (то есть более рационально) начать с индетерминизма в целом (Linney and Von Weizsäcker 1971). Фон Вайцзеккер предполагает, что вера в квантовую теорию подобна вере в то, что природа недетерминирована. Но, конечно, нельзя утверждать, что квантовая теория в ее нынешнем виде окончательна.Действительно, в настоящее время его резко критикуют философы и философски настроенные физики. Эта тенденция основана на убеждении, что такие идеи, как неопределенность соответствия дополнительности и неопределенность, всегда были неоправданными с философской точки зрения. Поэтому все такие физики выдвигают идею о том, что в квантовых теориях должны быть скрытые переменные, и поэтому они продолжают предаваться вполне уважаемым и допустимым рассуждениям о том, что необходимо помимо квантовой теории, чтобы обеспечить удовлетворительную философскую картину.Конечно, спекуляции необходимы в исследованиях, как и в любой области мысли, не закрепленной жесткими догмами. Физики-теоретики — исключительно способная и умная группа. На самом деле они служат примером изречения, что разумный человек — это тот, кто может одновременно удерживать в уме две противоречивые концепции. Проблема, однако, в том, что спекуляция, какой бы рациональной и показательной она ни казалась, не является альтернативой действующей теории, какой бы несовершенной она ни была. Надо сказать, что физики, придерживающиеся квантовой теории, считают, что она по-прежнему является незаменимым инструментом в исследованиях.То есть получается, что результаты можно выразить в числовом выражении. До сих пор спекуляции, направленные на уточнение или замену квантовой теории, не приводили к таким результатам, и пока они не появятся, они вряд ли одержат победу.
Одно из самых ярких различий между физикой и биологией возникает именно в этом контексте. Я думаю, можно сказать, что в биологии нет истинно биологических постулатов импотенции , кроме , что самозарождение невозможно.Любые другие постулаты бессилия, которые могут показаться частью биологии, в конечном итоге, я думаю, можно свести к физике, и они действительно исходят из этой дисциплины.
Но у всего этого есть и другая сторона. Есть предположения, без которых мы не можем обойтись, хотя кажется, что все растворяется. Одна из них заключается в том, что существует реального мира, который мы в некоторой степени воспринимаем нашими чувствами: то есть знание возможно. И (как указывает Броновски 1969) в области науки это означает, что это рационально. Но это не означает, что природа обязательно должна быть машиноподобной. И эта идея великой машины — одно из величайших заблуждений нашего времени, преследующее биологов сейчас, поскольку она преследовала мыслителей девятнадцатого века, когда Теннисон написал: «Звезды, которые она шепчет, бегут вслепую». Но давайте вернемся к биологии и, в частности, к идеям современной биологии, влияющим на взгляды человека на природу и его собственное место в ней.
Грозы и организмы по сравнению с
В 1944 году профессор Шредингер написал небольшую книгу под названием What Is Life ? Этот трактат объемом менее сотни небольших страниц, возможно, оказал большее влияние на недавние размышления по этой теме среди физиков и биологов, чем почти любое другое недавнее исследование.Шредингер указывает, что когда о материи говорят, что она жива, это потому, что она продолжает «что-то делать» — перемещаться, обмениваться материалом с окружающей средой и так далее. Более того, это происходит гораздо дольше, чем мы ожидаем, что неодушевленный предмет будет «продолжать движение» при аналогичных обстоятельствах. Система, которая не является живой, если изолирована или помещена в однородную среду, обычно очень быстро прекращает любое движение в результате различного рода трения. Температура становится однородной за счет теплопроводности, и после этого вся система превращается в мертвый инертный «комок материи».«Достигнуто постоянное состояние, в котором не происходит макроскопически наблюдаемых событий, состояние, которое физики называют термодинамическим равновесием или« максимальной энтропией ». Во время длительного существования организм кажется таким загадочным, потому что избегает быстрого перехода в инертное состояние равновесия; настолько, что с самых ранних стадий человеческого мышления утверждалось, что в организме действует какая-то особая нефизическая или сверхъестественная сила.
Пантин, обсуждая такие утверждения, указывает, что почти все, что Шредингер сказал о жизни, можно хотя бы в какой-то мере сказать о грозе.Гроза продолжает делать что-то движущееся, обмениваясь материалом с окружающей средой и так далее; и что на гораздо более длительный период, чем мы могли бы ожидать от неодушевленной системы сопоставимых размеров и сложности. Именно из-за того, что мы избегаем быстрого распада в инертную систему равновесия, гроза кажется такой необычной. Но параллели между живыми организмами и грозами, а также некоторыми другими метеорологическими явлениями примечательны. Верно, что грозы возникают самопроизвольно, и, поскольку они неспособны к половому воспроизводству, естественный отбор может воздействовать на них только путем отбора особей, а не воздействуя на весь вид.Как и живые организмы, они нуждаются в материи и энергии для своего поддержания. Это обеспечивается за счет потока холодного воздуха, выходящего поверх теплого влажного воздуха. Эта ситуация нестабильна, и в ряде мест возникают вертикальные токи вверх. После того, как они развиваются, они сохраняются, по крайней мере, некоторое время за счет выделения тепла, связанного с образованием дождя, когда теплый влажный воздух поднимается вверх. Каждый противоток «питается» теплым и влажным воздухом по соседству и, таким образом, конкурирует с соседями и может подавлять их.Фактически, шторм паразитирует на увеличении энтропии, которое может возникнуть в результате смешивания теплого влажного и холодного воздуха с образованием однородной массы. Более того, у самого шторма есть четко определенная анатомия того, что можно почти назвать функциональными частями. Две сопроводительные иллюстрации (рисунки 1 и 2) показывают это лучше, чем длинное подробное описание. Но хотя некоторые неживые системы, ярким примером которых является гроза, действительно демонстрируют то, что мы можем назвать «организменными признаками». Это свойство нигде не встречается в такой степени, как у живых организмов.
Woodger (1960) указал на важность того факта, что у живых существ есть части, которые находятся в отношении экзистенциальной зависимости друг от друга, например. конечности, органы пищеварения, системы кровообращения и мозг. И даже в отдельной клетке (рис. 3) мы находим органеллы, так сказать, микроорганизмы, все из которых, по-видимому, составляют некоторую существенную часть клеточного аппарата. Итак, мы можем спросить о структурах в живом организме так же, как мы можем спросить о структурах в созданной человеком машине, для чего это нужно? Часто мы можем дать довольно точные и правдоподобные ответы.Утверждалось, что я думаю убедительно, что мы не можем разумно задавать такой вопрос о естественных неживых системах. Несомненно, бессмысленно спрашивать о солнечной системе или ее частях, или туманности, или атомной структуре, или частях минерала: «Для чего это?» Любой ответ, который, как мы думаем, мы можем дать, — это ответ совершенно иного рода, чем тот, который мы можем дать в случае созданной человеком машины или частей живого организма. Другое отличие, конечно же, касается воспроизводства. Если мы сравним это в живых и неживых системах, мы обнаружим, что в неживых системах (например,грамм. грозы или вихревые кольца) генерируются новые примеры, но новые не в точности повторяют старые. Однако при воспроизводстве живых организмов воспроизводство, по сути, является повторением всех основных черт конструкции (Pantin 1968). Именно тот факт, что организация живых существ, больших или малых, определяется молекулярным и, следовательно, точно воспроизводимым шаблоном, который делает возможным биологическое воспроизводство. Таким образом, мы можем сказать: (а) то, что организмы делают , отличается от того, что происходит с камнями.(б) Части организмов функциональны и взаимосвязаны друг с другом, образуя систему, которая работает определенным образом или, по-видимому, предназначена для определенного направления деятельности. Другими словами, система является директивной или, если нам нравится использовать слово в очень широком и свободном смысле, «целенаправленная». (c) Материальные вещества организмов, с одной стороны, и неорганические материалы, с другой, в целом очень разные. И есть еще одно различие (d), которое кажется мне очень важным, а именно то, что организмы поглощают и хранят информацию, изменяют свое поведение в результате этой информации, и все, кроме самых низших форм животных (и, возможно, они тоже) имеют специальные органы для обнаружения, сортировки и организации этой информации, а именно органы чувств и специализированные части центральной нервной системы.Позже я еще вернусь к этому очень важному аспекту.
Во-первых, мы должны прояснить, как, конечно же, Майкл Полани (1967), что мы придерживаемся основного предположения, что все локальные структурные или физиологические организации и события внутри живого существа происходят в соответствии с локальным биохимическим детерминизмом. То есть нет никаких твердых доказательств против и огромное количество доказательств того, что «обычные» законы физики и химии выполняются в организме так же, как и в созданной человеком машине.Проблема в том, как объяснить стабильность и воспроизводство даже простейшего организма в пространстве и времени с точки зрения организации самой структуры.
Подход биолога
Это утверждение молекулярных биологов, с которым мы можем в целом согласиться, что они сделали очень большие шаги в направлении сведения проблемы организации живого существа (включая даже проблему его наследственных процессов) к физическим законам. Некоторые действительно заявили бы, что уже выполнили всю задачу.Мы вернемся к вопросу о наследственной организации позже. Здесь мы можем сказать, что то, что было сделано молекулярными биологами, — это разработка модели клетки, которая ведет себя очень похоже на классическую рукотворную машину или автомат, но та, в которой «секрет наследственности» находится в нормальном состоянии. химия нуклеиновых кислот и ферментов. Смысл этого состоит в том, что части, функционирующие как машина, можно описать как машину, даже если эти части могут быть одиночными молекулами; а машины понимаются в терминах элементарных физических законов.Это привлекательная аналогия, и мы все используем ее уже долгое время. Как было объяснено выше, мы неоднократно и успешно задаем вопрос «Для чего это?» при рассмотрении различных структур в живых организмах — столь же успешно и законно, как мы можем задать это для поршня, рычага или электрической цепи в любой машине, сконструированной человеком.
Природа организации, демонстрируемая живыми существами
Но с помощью этой полезной аналогии мы легко можем попасть в ловушку и упустить из виду два основных аспекта живых существ, которые очевидны для физика, но, как это ни странно, не замечаются биологом.Конечно, нельзя дать удовлетворительный ответ на вопрос «Как работает машина, созданная руками человека или живая машина?» говоря, что он подчиняется законам физики и химии. Как указывает Патти (1971), если мы спросим: «В чем секрет вычислительной машины?» Ни один физик не стал бы считать ответом то, что он уже прекрасно знает, что компьютер подчиняется всем законам механики и электричества. Если есть какая-либо проблема в организации компьютера, то это маловероятные ограничения, которые, так сказать, заставляют эти законы выполнять весьма специфические и директивные функции, которые, конечно, были встроены в машину опытом проектировщика.Так что, конечно, настоящая проблема жизни не в том, что все структуры и молекулы в клетке подчиняются известным законам физики и химии. Настоящая тайна заключается в происхождении крайне невероятных ограничений, которые заставляют эти законы выполнять определенные функции. Фактически это проблема иерархического управления. И любое утверждение о том, что жизнь свелась к физике и химии, должно в наши дни, чтобы оно было убедительным, сопровождаться описанием динамики, статистики и эксплуатационной надежности ферментов, в конечном счете, с точки зрения современных основ физики, а именно квантовой физики. механические концепции.Итак, у нас есть два вопроса: «Как это работает?» и «Как это возникает?» Фактически, второй вопрос имеет два аспекта: (а) как он возникает в развитии отдельного организма в процессе роста с момента оплодотворения яйца и (б) как само яйцо становится таким. ; то есть, как мы можем представить себе эволюцию как «спроектировавшую» клетку?
Идея иерархии
Это необходимая концепция иерархии в биологии, которая указывает на проблему.И проблема в одном из иерархических интерфейсов. В обычном языке иерархия — это организация людей с уровнями власти, обычно с одним уровнем, подчиненным следующему, находящимся выше, и управляющим над следующим, находящимся ниже. Замечательный отчет об этом см. В Koestler and Smythies (1969). Таким образом, любая общая теория биологии (которая должна включать понятие иерархии) должна, таким образом, объяснять происхождение и действие, надежность и устойчивость этих ограничений, которые заставляют материю выполнять согласованные функции в соответствии с иерархическим планом.Патти (1970 — 1971) говорит:
— это центральная проблема происхождения жизни, когда скопления материи, подчиняющиеся только элементарным физическим законам, впервые начали ограничивать индивидуальные молекулы функциональным коллективным поведением. Это центральная проблема развития, когда коллекции клеток контролируют рост или генетическую экспрессию отдельных клеток. Это центральная проблема биологической эволюции, в которой группы клеток образуют все более крупные организации, создавая иерархические ограничения для подгрупп.Это центральная проблема мозга, где, кажется, открываются неограниченные возможности для новых иерархических уровней описания. Все это проблемы иерархической организации. Теоретическая биология должна рассматривать эту проблему как фундаментальную, поскольку иерархический контроль является существенной и отличительной характеристикой жизни (1970, с. 120).
Далее он указывает, что более простого набора описаний на каждом уровне будет недостаточно. Биология должна включать теорию самих уровней.
Я сказал выше, что даже простейший биологический механизм в превосходной степени сложнее самых сложных машин, созданных человеком. Возможно, поучительно рассмотреть эту сложность, как она появляется, когда мы смотрим на человеческое тело и мозг. Профессор Пол Вайс (1969) выразил это очень резко, указав, что средняя клетка нашего тела содержит около 10 ⁵ макромолекул. Один только мозг содержит 10 ¹⁰ клеток, следовательно, около 10 ¹⁵ макромолекул.Чтобы представить себе эти цифры в перспективе, стоит вспомнить, что возраст галактики, в которой находится наша Солнечная система, оценивается в 10 ¹⁵ сек! Это означает, что у каждого из нас в мозгу примерно столько же клеток, сколько прошло секунд с тех пор, как наша часть космоса начала принимать свою нынешнюю форму. Пол Вайс говорит:
Можете ли вы на самом деле поверить, что такое астрономическое количество элементов, перетасованное вокруг, как мы продемонстрировали в нашем исследовании клеток, могло когда-либо гарантировать вам чувство идентичности и постоянство в жизни, если это постоянство не обеспечивается вышестоящим принципом интеграции ? Что ж, если бы вы могли, например, вызвать предопределенную вселенную с «микроточностью», следующее соображение должно развеять это представление.Каждая нервная клетка в головном мозге получает в среднем 10 ⁴ связей от других клеток мозга, и, кроме того, недавние исследования круговорота молекулярной популяции в данной нервной клетке показали, что, хотя сами клетки сохраняют свою индивидуальность, их макромолекулярный контингент остается неизменным. обновлялось около 10 ⁴ раз за время жизни. Короче говоря, каждая клетка нашего мозга на самом деле содержит и имеет дело с примерно 10 ⁹ макромолекул в течение своей жизни.Но и это еще не все. Сообщается, что мозг теряет в среднем 10 ³ клеток в день безвозвратно, а скорее случайным образом, так что популяция клеток мозга уничтожается в течение всей жизни примерно 10 ⁷ клеток, удаляющих 10 ¹¹, проводящих перекрестные связи. . И все же, несмотря на это непрерывное изменение деталей в этой огромной совокупности элементов, наши основные паттерны поведения, наши воспоминания, наше ощущение целостного существования как личности, сохраняют на протяжении всей их единой непрерывности паттернов (стр.13).
Это просто еще один способ постановки проблемы, которую Шредингер ставит в своей книге What Is Life ? Проблема в основном заключается в контрасте между степенью потенциальной свободы, с одной стороны, и настойчивостью, а с другой — неизменным характером функций таких систем. (Под «степенями свободы» мы подразумеваем просто количество переменных, необходимых для описания или предсказания происходящего. Таким образом, существует потенциальная свобода среди триллионов молекул, составляющих мозг или, если на то пошло, все тело.)
Считайте это нашей нервной системой и следуйте этим нашим мыслям, нашим идеям, нашим воспоминаниям. Шредингер был вынужден прийти к выводу, что, как он выразился, «Я… то есть каждый сознательный разум, который когда-либо говорил или чувствовал, что я… являюсь человеком, если таковой управляет« движением атомов »в соответствии с законами природы. ” Это ставит проблему граничных условий, которые необходимо поддерживать все время, как в простых, так и в сложных примерах биологических механизмов, как это казалось одному из самых способных физиков своего времени, который уделял особое внимание этим проблемам.Поланьи, как мы видели, предполагает, что все молекулы работают в соответствии с законами природы, но заключает, что, поскольку никто не объяснил иерархическую организацию этими законами, должны быть принципы организации, которые со временем будут обнаружены не сводимыми к законам физики. и химия. Многие другие были бы более осторожными. Таким образом, физик Патти (1970) заявляет, что он не удовлетворен утверждением, что физика объясняет, как жизнь работает , ни утверждением, что физика не может объяснить, как возникла жизнь . По его мнению (I), концепция автономной иерархии включает в себя наборы элементов, которые отвечают за создание своих собственных правил, в отличие от коллекций, разработанных внешним органом для иерархического поведения. Затем он (II) предполагает, конечно, что они являются частью физического мира и что все элементы подчиняются законам физики. Он ограничивает свое определение иерархического управления (III) теми правилами или ограничениями, которые возникают внутри такого набора элементов, но которые влияют на отдельные элементы коллекции. Наконец, и, возможно, наиболее важно, он указывает (IV), что коллективные ограничения, влияющие на отдельные элементы, всегда кажутся производящими некоторую интегрированную функцию коллекции. На обычном языке это означает, что такие иерархические ограничения производят определенные действия или «предназначены» для определенной цели.
Именно при рассмотрении третьего из четырех вышеупомянутых утверждений, касающихся классической механики, обнаруживаются наибольшие трудности. Классическая физика, по-видимому, не дает никакого объяснения, потому что для этого требуется «набор» частиц, который ограничивает отдельные частицы таким образом, который невозможно вывести из их индивидуального поведения.Однако было указано, что в квантовой механике понятие частицы изменяется, и фундаментальная идея непрерывного волнового описания движения порождает стационарное состояние или локальное не зависящее от времени собрание атомов и молекул. Таким образом, кажется вполне возможным, что иерархические структуры могут быть сведены к квантовой механике, хотя, как мы увидим позже, вся схема квантовой механики сейчас находится в таком замешательстве, что постороннему кажется далеко неясным, в какой степени они смогут помощь.Но даже если структурные иерархии можно в конечном итоге объяснить таким образом, нам все равно чего-то не хватает, когда мы подходим к биологическим системам. Сложности физической структуры редко, если вообще когда-либо, сами по себе обеспечивают какую-либо особенность, которая всерьез наводит на мысль биологам о том, что такие структуры в каком-то смысле живы. Как было сказано выше, то, что делают организмы, отличается от того, что происходит с камнями. Часть, отсутствующая в иерархиях небиологического мира, снова является функцией. Что такого исключительного в ферментах и что создает их иерархическое значение, так это простота их коллективной функции, которая является результатом их очень детальной сложности.Это суть того, что подразумевается под интегрированным поведением.
Самопрограммирование
Обычно мы довольны точкой зрения, что физическая система, по крайней мере, макрофизическая система может казаться полностью детерминированной; но попытка свести живые системы к такому, то есть формальному редукционизму , терпит неудачу отчасти потому, что количество возможных комбинаций или классификаций обычно намного больше, чем количество степеней свободы. И затем, как мы видели и как мы увидим более ясно позже, живые системы являются самопрограммируемыми ; это означает, что частицы, из которых они состоят, образуют внутреннее упрощение или самопредставление ; и эти системы саморепрезентации, предполагающие контроль над целым, во многих случаях кажутся совершенно сбивающими с толку, потому что они, кажется, возникают спонтанно.Это снова означает, что организм самопрограммируется. Эта концепция живых организмов, уникально отличающихся от неживых систем наличием внутренней саморепрезентации , поднимает вопрос глубочайшей важности. Как будет показано ниже в этой книге, трудно понять, есть ли и где в животном царстве необходимость постулировать «самосознание», «самосознание» или использовать фразу Эклза «переживающее я». Мы приходим к выводу, что по мере продвижения от человека вниз по серии животных, чем ниже мы опускаемся, тем менее полезным (как предсказывающим поведение животных и ведущим к пониманию животной природы) становится концепция.До тех пор, пока с низшими животными и с растениями полезность идеи не станет исчезающе мала. Но если правда, что все живые организмы обладают внутренней саморепрезентацией, разве это не означает, что семена самосознания присутствуют во всех живых существах — от вируса и бактерии и выше ?!
Другой физик-теоретик Уолтер М. Эльзассер (1966) подошел к некоторым из этих проблем оригинальным образом, рассматривая количество внутренних конфигураций, в которых сложная система может существовать в теории.Астрономы предполагают, что существующее конечное общее количество атомных ядер составляет порядка 10 ⁸⁰, но, как мы видели, предполагается, что время жизни нашей галактики не превышает 10 ¹⁸ сек. Эльзассер (1966) утверждает, что количество различимых событий, которые могут произойти в конечной вселенной, соответственно ограничено. При рассмотрении этих систем возрастающей сложности мы должны вскоре достичь точки, когда количество внутренних конфигураций, в которых может существовать система, будет значительно превышать количество реальных примеров любого данного класса, которые могут быть собраны в нашей вселенной.Отсюда следует, что если несоответствие между количеством возможных состояний и количеством возможных выборок достаточно велико, мы можем утверждать, не опасаясь противоречия, что нет двух членов класса, например. никакие два представителя вида животных или растений, даже две бактерии не могут и находиться в одном и том же внутреннем состоянии. Это заставляет Эльзассера предлагать другую характеристику живых организмов в отличие от неживых. Он говорит, что в физике классы вещей, например атомы протоны электроны и т. д.очень однородны. Это фундаментальное предположение, что все атомы гелия во Вселенной идентичны; хотя, когда мы подходим к более крупным скоплениям, каким бы полностью однородным он ни был, объекты должны быть не только химически эквивалентными, но и находиться в одном и том же квантовом состоянии. То есть для полной однородности все члены класса должны находиться в точке абсолютного нуля температурной шкалы, чтобы их молекулы находились в основном состоянии. Но дело в том, что в принципе у нас есть и мы можем работать с идеей однородных классов в физике.И через них можно оценить все фундаментальные вопросы теории. Этого никогда не может быть в биологии, даже в принципе, поскольку количество особей любого класса, существующих одновременно, слишком мало, чтобы статистические прогнозы имели какое-либо физическое значение. В результате получается, что хотя физика — это наука, имеющая дело с по существу однородными системами и классами, биология — это наука о неоднородных системах и классах. В физических терминах можно сказать, что организм должен быть системой, которая бесконечно вовлечена в создание регенерирующей или увеличивающейся неоднородности и, следовательно, феномена индивидуальности на всех уровнях своего функционирования.
Поланьи кажется настолько убежденным в невозможности физического объяснения этих биологических ограничений, что часто кажется, что он говорит как виталист. То есть он приближается к возвращению к исходной идее о внутреннем жизненном принципе, который управляет организмом каким-то образом, полностью независимым от его физической природы. Эльзассер не заходит так далеко и предполагает, что есть место для (и мы должны предположить существование) отдельных законов — биотонических законов, как он их называет, — которые совместимы с квантовыми законами, но не выводятся из них в принципе.Два других физика внимательно рассмотрели этот вопрос (Э. Х. Кернер в Waddington 1970 и Д. Бом в Bastin 1971). Бом действительно, кажется, находит не только место, но и внутри самой физики необходимость в «скрытых переменных», которые обычная схема квантовой теории исключила в принципе. Кернер, учитывая это, пока колеблется, придерживаться либо биотонического закона, либо неполноты квантового закона, поскольку он считает, что до сих пор нет четкого набора наблюдений, чтобы заставить его действовать.И мы не должны забывать, что квантово-механический расчет даже для одной конкретной бактериальной клетки был бы неверным для любой другой клетки, даже того же самого вида, — это ясно сказано Эльзассером в его выводах о неоднородности материала, с которым биолог имеет иметь дело. И, наконец, здесь необходимо снова сделать самое важное биологическое открытие последних лет, а именно открытие того, что жизненные процессы управляются программами. И не только руководствуясь программами и не только проявляя активность, но и каким-то необычным образом создавая свои собственные программы.Профессор Лонге-Хиггинс (в Waddington 1970) резюмирует это с биологической точки зрения, показывая, что это приводит к тому, что биологическая концепция программы отличается от чисто физической идеи программы; и теперь мы можем указать на настоящую программную ленту в сердце клетки, а именно на молекулу ДНК. Еще более примечательно то, что запрограммированная деятельность, которую мы находим в живой природе, не просто определяет то, как организм реагирует на окружающую среду; он фактически контролирует структуру организма и его репликацию, включая репликацию самих программ.Это то, что мы имеем в виду, когда еще раз говорим (утверждение, которое вряд ли можно повторять слишком часто), что life — это не просто запрограммированная деятельность, но самопрограммируемая деятельность.
Моно (1971) предположил, что сочетание процессов, которые должны были произойти, чтобы произвести жизнь из неодушевленной материи, настолько маловероятно, что это действительно могло быть уникальным событием (событием с нулевой вероятностью). Моно также справедливо указывает, что уникальность генетического кода могла быть результатом естественного отбора.Но даже если мы предположим это, остается необычная проблема, заключающаяся в том, что генетический код не имеет какой-либо биологической функции до тех пор, пока он не переведен, то есть пока он не приведет к синтезу белков, структура которых заложена кодом. Теперь Моно показывает, что механизм, с помощью которого клетка (или, по крайней мере, непримитивная клетка, которая является единственной известной нам) транслирует коды, «состоит как минимум из пятидесяти макромолекулярных компонентов, которые сами закодированы в ДНК». Таким образом, код не может быть переведен, кроме как с использованием определенных продуктов его перевода.Как комментирует сэр Карл Поппер (1972), «это представляет собой действительно загадочный круг: порочный круг, который кажется порочным для любой попытки сформировать модель или теорию происхождения генетического кода». Фактически, этот немыслимый прорыв молекулярной биологии, далекий от решения проблемы происхождения жизни, сделал, по мнению сэра Карла Поппера, большую загадку, чем это было раньше. Таким образом, мы можем столкнуться с возможностью того, что происхождение жизни, как и происхождение Вселенной, станет непреодолимым барьером для науки и блоком, который сопротивляется любым попыткам свести биологию к химии и физике.Сейчас кажется настолько трудным предположить, что эта Земля могла обеспечивать необходимые условия в течение достаточно долгого времени, чтобы позволить хотя бы разумную вероятность возникновения здесь жизни, что Крик и Оргел (1973) тщательно и серьезно рассматривали возможность того, что некоторые простые форма или формы жизни могли быть намеренно переданы на эту планету разумными существами с другой!
Концепции информации
Я уже использовал термины «коммуникация» и «информация» и буду использовать их чаще в дальнейшем.И уже мы видим, что запись и считывание информации являются фундаментальными идеями для концепции «жизни». Поэтому с точки зрения поведения очень важно четко понимать, что мы подразумеваем под общением. Здесь и в дальнейшем я попытаюсь использовать термин «коммуникация» только в смысле взаимодействия между организмами. Это отличается от использования коммуникации многими инженерами по коммуникациям, которые используют ее для обозначения передачи информации независимо от ее происхождения или назначения.Они с радостью будут говорить о скале или склоне холма как о взаимодействии с наблюдателем, если какой-то свет, отраженный от скалы, достигнет его глаз. Хуже того, как заметил Дональд Маккей, инженерное определение канала связи даже не требует причинной связи между двумя рассматриваемыми точками! При условии, что последовательность событий в A показывает некоторую степень корреляции с последовательностью в B, авторы готовы определить пропускную способность канала «между A и B» независимо от возможности того, что корреляция обусловлена третьей общей причиной, а не в конце концов. к любому взаимодействию.Таким образом, в их смысле связь между A и B может означать (а) корреляцию между событиями в A и B; (б) причинно-следственная связь между А и В; (c) передача информации между A и B независимо от присутствия отправителя или получателя и / или, наконец, (d) транзакция между организмами A и B.
MacKay (1972) приводит восхитительный пример. Если мы видим человека, идущего по улице с досками для сэндвичей, можем ли мы с полным основанием сказать, что он передает сообщение всем, кто видит доски для сэндвичей? Конечно нет! Мужчина может смотреть в землю и не видеть большинства людей, которые смотрят на доски.Некоторые люди могут быть иностранцами, которые не умеют читать доски, а сам человек не умеет читать! С другой стороны, большинство людей, когда они говорят (или если они подают сигнал азбукой Морзе), направляют свои сигналы какому-то известному или неизвестному человеку, ожидая, что связь будет установлена. Тогда кажется, что лучше всего ограничить термин «коммуникация» тем смыслом, в котором человек или животное A общается с человеком или животным B только тогда, когда действие A направлено на цель B.Когда я говорю «целенаправленный», я имею в виду, что они либо запрограммированы наследственностью или опытом, чтобы соответствовать восприятию Б, либо сознательно испускаться, чтобы воздействовать на В или людей того же класса или типа. Если этой связи между A и B не существует, тогда лучше просто сказать, что B воспринимает то или иное о A или этот «поток информации» от A к B.
Есть еще один критерий, относящийся к попытке дать определение живому организму, а именно то, что организм в первую очередь воспринимает.Говоря это, мы имеем в виду, что организм (каким бы простым и примитивным он ни был) в некотором смысле ищет информацию и имеет средства для организации и хранения своих восприятий. К этому выводу независимо друг от друга пришли многие исследователи, например, Агар (1943), исследователь с широкими зоологическими и философскими знаниями и имеющий особый опыт работы с зоологически низшими животными, а именно с беспозвоночными. Этого придерживался также Вудворт (1938), сравнительный психолог с широким кругозором и большим опытом, который был слишком хорошо информирован, чтобы считать крыс, как и многие его коллеги-психологи, «низшими животными».(См. Thorpe 1963.) Я не предлагаю в этом контексте обсуждать самые простые организмы, такие как вирусы и бактерии. Но когда мы переходим к простейшим, а затем к довольно высокому уровню беспозвоночных животных, очень поучительно рассмотреть возможности восприятия и то, в каком смысле происходит какое-либо общение.
Восприятие и обучение в организмах
Хранение информации должно происходить в той или иной форме у всех организмов, которые демонстрируют предсказуемое изменение поведения в результате воздействия условий окружающей среды, с которыми сталкивается человек, — при условии, конечно, что это изменение в поведении не является простой потерей информации. в результате травмы.Изменение поведения в результате индивидуального опыта очень близко подходит к наиболее общему определению обучения, которое было выдвинуто. Я сам, чтобы исключить эффект травмы, включил в свое первое определение заучивания слова «адаптивный»; и под этим я имел в виду приспособленность к условиям жизни организма в течение значительного периода времени. Однако этому можно возразить, поскольку он включает в себя изучение большей части гомеостатических или саморегулирующих реакций несенсорных систем, скажем, в результате прямого воздействия температуры, света, химических раздражителей, особенно гормонов и т. Д.на теле животного. Это не то, что обычно подразумевается под обучением, и чтобы избежать этой трудности, я теперь определяю обучение как « адаптивных изменений в поведении в результате индивидуального сенсорного опыта. ”. Это оставляет трудность в том, что у низших организмов, где нет точно идентифицированных особых органов чувств, трудно, а иногда и невозможно сказать, что является сенсорным, а что нет. Однако под чувственным восприятием я намерен подразумевать процесс координации и структурирования чувственного опыта некоторым систематическим образом, короче говоря, что в высшем организме мы должны называть перцептивным обучением — организацией того, что психологи называли «чистым чувством». данные »в систематизированную организованную единицу информации, на которой впоследствии может быть основано поведение.Это, конечно, своего рода процесс, который непрерывно продолжается во всех нас, поскольку мы создаем перцептивный мир с помощью наших глаз, ушей и других сенсорных систем. Позже я еще скажу об этом в отношении высших животных и человека. Но я думаю, что для насущной проблемы нашего понимания хранения и использования информации лучше всего подумать о том, как далеко животные могут учиться. Итак, в следующей главе мы начнем с самых примитивных животных, таких как простейшие морские анемоны и их родственники; затем переход к более высокому типу организмов, а именно к безобидному и необходимому плоскому червю, о котором в последнее время было пролито так много чернил как в профессиональных журналах, так и в газетах.
Теория когнитивного развития Пиаже
Теория когнитивного развития Пиаже — это всеобъемлющая теория о природе и развитии человеческого интеллекта. Пиаже считал, что детство играет жизненно важную и активную роль в развитии человека. ^[1] Идея Пиаже в первую очередь известна как теория стадии развития. Теория рассматривает природу самого знания и то, как люди постепенно приходят к его приобретению, конструированию и использованию.^[2] Для Пиаже когнитивное развитие было прогрессивной реорганизацией психических процессов в результате биологического созревания и опыта окружающей среды. Он считал, что дети формируют понимание окружающего мира, испытывают несоответствия между тем, что они уже знают, и тем, что они открывают в своей среде, а затем соответствующим образом корректируют свои идеи. ^[3] Более того, Пиаже утверждал, что когнитивное развитие находится в центре человеческого организма, а язык зависит от знаний и понимания, полученных в процессе когнитивного развития.^[4] Наибольшее внимание привлекли более ранние работы Piaget. Многих родителей поощряют создавать богатые, благоприятные условия для естественной склонности их детей к росту и обучению. Классные комнаты, ориентированные на ребенка, и «открытое образование» — это прямое применение взглядов Пиаже. ^[5] Несмотря на огромный успех, теория Пиаже имеет некоторые ограничения, которые сам Пиаже признавал: например, теория поддерживает четкие стадии, а не непрерывное развитие (декаляж). ^[6]
Характер интеллекта: оперативно-образный
Пиаже отметил, что реальность — это динамическая система непрерывных изменений и, как таковая, определяется со ссылкой на два условия, которые определяют динамические системы.В частности, он утверждал, что реальность включает в себя трансформации и состояния. ^[7] Преобразования относятся ко всем способам изменений, которым может подвергнуться вещь или человек. Состояния относятся к условиям или внешнему виду, в которых можно найти вещи или людей между преобразованиями. Например, могут быть изменения формы или формы (например, жидкости меняют форму, когда они переходят из одного сосуда в другой, и аналогично люди меняют свои характеристики по мере взросления), размера (например, серия монеты на столе могут быть размещены близко друг к другу или далеко друг от друга), или размещены или расположены в пространстве и времени (например,g., различные предметы или люди могут быть найдены в одном месте в одно время и в другом месте в другое время). Таким образом, утверждал Пиаже, если человеческий интеллект должен быть адаптивным, он должен иметь функции для представления как трансформирующих, так и статических аспектов реальности. ^[8] Он предположил, что оперативный интеллект отвечает за представление и манипулирование динамическими или трансформирующими аспектами реальности, а образный интеллект отвечает за представление статических аспектов реальности.^[9]
Оперативная разведка — активный аспект разведки. Он включает в себя все действия, явные или скрытые, предпринимаемые для отслеживания, восстановления или прогнозирования изменений объектов или лиц, представляющих интерес. ^[10] Образный интеллект — это более или менее статический аспект интеллекта, включающий все средства представления, используемые для запоминания состояний (то есть последовательных форм, форм или местоположений), которые возникают между преобразованиями.То есть он включает в себя восприятие, имитацию, мысленные образы, рисование и язык. ^[11] Следовательно, образные аспекты интеллекта получают свое значение из оперативных аспектов интеллекта, потому что состояния не могут существовать независимо от преобразований, которые их связывают. Пиаже утверждал, что образные или репрезентативные аспекты интеллекта подчинены его оперативным и динамическим аспектам, и, следовательно, это понимание по существу происходит из оперативного аспекта интеллекта.^[10]
В любое время оперативная разведка определяет, как понимается мир, и меняется, если понимание не удается. Пиаже заявил, что этот процесс понимания и изменения включает в себя две основные функции: ассимиляции и приспособление . ^[11] ^[12] ^[13] ^[14]
Ассимиляция и размещение
Изучая область образования, Пиаже сосредоточил внимание на двух процессах, которые он назвал ассимиляцией и приспособлением.Для Пиаже ассимиляция означала интеграцию внешних элементов в структуры жизней или окружающей среды, или те, которые мы могли бы получить через опыт. Ассимиляция — это то, как люди воспринимают новую информацию и адаптируются к ней. Это процесс приспособления новой информации к уже существующим когнитивным схемам. ^[15] Ассимиляция , при которой новый опыт интерпретируется заново, чтобы соответствовать старым идеям или ассимилироваться с ними. ^[16] Это происходит, когда люди сталкиваются с новой или незнакомой информацией и обращаются к ранее полученной информации, чтобы понять ее.Напротив, приспособление — это процесс получения новой информации в своей среде и изменения ранее существовавших схем, чтобы они соответствовали новой информации. Это происходит, когда существующая схема (знания) не работает, и ее необходимо изменить, чтобы иметь дело с новым объектом или ситуацией. ^[17] Приспособление необходимо, потому что это то, как люди будут продолжать интерпретировать новые концепции, схемы, структуры и многое другое. ^[18] Пиаже считал, что человеческий мозг был запрограммирован эволюцией на достижение равновесия, которое, по его мнению, в конечном итоге влияет на структуры посредством внутренних и внешних процессов посредством ассимиляции и аккомодации.^[15]
Пиаже понимал, что ассимиляция и приспособление не могут существовать друг без друга. ^[19] Это две стороны одной медали. Чтобы ассимилировать объект в существующую ментальную схему, сначала необходимо принять во внимание или приспособиться к особенностям этого объекта до определенной степени. Например, чтобы распознать (ассимилировать) яблоко как яблоко, нужно сначала сфокусироваться (приспособиться) к контуру этого объекта. Для этого нужно примерно определить размер объекта.Развитие увеличивает баланс или уравновешивание между этими двумя функциями. Находясь в равновесии друг с другом, ассимиляция и аккомодация порождают ментальные схемы оперативного интеллекта. Когда одна функция доминирует над другой, они создают представления, принадлежащие образному разуму. ^[20]
Сенсорно-моторная ступень

Когнитивное развитие — это теория Жана Пиаже. Пиаже предложил четыре этапа когнитивного развития: сенсомоторный , предоперационный , конкретный рабочий и формальный рабочий период .^[21] Сенсомоторная стадия — первая из четырех стадий когнитивного развития, которая «простирается от рождения до овладения языком». ^[22] На этой стадии младенцы постепенно вырабатывают знания и понимание мира, координируя опыт (например, зрение и слух) с физическим взаимодействием с объектами (например, хватание, сосание и шагание). ^[23] Младенцы познают мир благодаря физическим действиям, которые они совершают в нем.^[24] Они прогрессируют от рефлексивного инстинктивного действия при рождении до начала символической мысли к концу стадии. ^[24]

Дети узнают, что они отделены от окружающей среды. Они могут думать об аспектах окружающей среды, даже если они находятся вне досягаемости детских чувств. На этой стадии, по мнению Пиаже, развитие постоянства объекта является одним из важнейших достижений. ^[15] Постоянство объекта — это понимание ребенком того, что объекты продолжают существовать, даже если он или она не может их видеть или слышать.^[24] Peek-a-boo — хороший тест для этого. К концу сенсомоторного периода у детей развивается постоянное чувство себя и объекта. ^[25]

ВМС США 100406-N-7478G-346 Оперативный специалист 2-го класса Реджинальд Харлмон и техник по электронике 3-го класса Маура Шульце играют в прятки с ребенком в детском отделении больницы Ликас

Piaget разделил сенсомоторный каскад на шесть подэтапов ». ^[25]

Подэтап	Возраст	Описание
1 Простые рефлексы	Рождение-6 недель	«Координация ощущений и действий посредством рефлексивного поведения».^[25] Пиаже описывает три основных рефлекса: сосание предметов во рту, слежение за движущимися или интересными предметами глазами и закрывание руки, когда предмет соприкасается с ладонью (ладонный захват). В течение первых шести недель жизни эти рефлексы превращаются в произвольные действия. Например, ладонный рефлекс становится намеренным хватанием. ^[26]
2 Фаза первых привычек и первичных круговых реакций	6 недель-4 месяца	«Согласование ощущений и двух типов схем: привычки (рефлекс) и первичных круговых реакций (воспроизведение события, которое изначально произошло случайно).Основное внимание по-прежнему уделяется телу младенца ». ^[25] В качестве примера реакции этого типа младенец может повторить движение руки перед лицом. Также на этой стадии могут начаться пассивные реакции, вызванные классической или оперантной обусловленностью. ^[26]
3 Фаза вторичных круговых реакций	4–8 месяцев	Развитие привычек. «Младенцы становятся более объектно-ориентированными, выходя за рамки озабоченности собой; повторять действия, которые приносят интересные или приятные результаты ».^[25] Этот этап связан, прежде всего, с развитием координации между видением и схватыванием. На этом этапе возникают три новых способности: намеренное хватание за желаемый объект, вторичные круговые реакции и различие между целями и средствами. На этом этапе младенцы будут намеренно хвататься за воздух в направлении желаемого объекта, часто для развлечения друзей и семьи. Начинаются вторичные круговые реакции или повторение действия с участием внешнего объекта; например, перемещение переключателя для многократного включения света.Также происходит различие между средствами и целями. Это, пожалуй, один из самых важных этапов роста ребенка, поскольку он означает зарождение логики. ^[26]
4 Координация стадий вторичных круговых реакций	8–12 месяцев	«Координация зрения и осязания — зрительно-моторная координация; согласование схем и интенциональности ». ^[25] Этот этап связан, прежде всего, с развитием логики и согласованием средств и целей.Это чрезвычайно важный этап развития, на котором можно наблюдать то, что Пиаже называет «первым надлежащим интеллектом». Кроме того, этот этап знаменует собой начало ориентации на цель, осознанного планирования шагов для достижения цели. ^[26]
5 Третичные круговые реакции, новизна и любопытство	12–18 месяцев	«Младенцев заинтриговали многие свойства предметов и многие вещи, которые они могут сделать с предметами; они экспериментируют с новым поведением ».^[25] Этот этап связан, прежде всего, с открытием новых средств достижения целей. Пиаже описывает ребенка в этот момент как «молодого ученого», проводящего псевдоэксперименты для открытия новых методов решения проблем. ^[26]
6 Интернализация схем	18–24 месяца	«Младенцы развивают способность использовать примитивные символы и формировать устойчивые умственные представления». ^[25] Этот этап связан, прежде всего, с началом прозрения или истинного творчества.Это знаменует переход к предоперационной стадии.

Предоперационный этап

Второй этап Piaget, предоперационный этап, начинается, когда ребенок начинает учиться говорить в возрасте двух лет, и длится до семи лет. Во время дооперационной стадии когнитивного развития Пиаже отметил, что дети еще не понимают конкретной логики и не могут мысленно манипулировать информацией. ^[27] На этом этапе происходит увеличение количества детей, играющих и притворяющихся.Однако ребенку все равно сложно смотреть на вещи с разных точек зрения. Детские игры в основном относятся к символической игре и манипулированию символами. Такая игра демонстрируется представлением о том, что шашки — это закуска, листы бумаги — это тарелки, а коробка — это стол. Их наблюдения за символами иллюстрируют идею игры без реальных задействованных объектов. Наблюдая за игровыми последовательностями, Пиаже смог продемонстрировать, что к концу второго года жизни возникает качественно новый тип психологического функционирования, известный как предоперационная стадия.^[28] ^[29]

Предоперационный этап скуден и логически неадекватен в отношении умственных операций. Ребенок может формировать устойчивые концепции, а также магические убеждения. Однако ребенок по-прежнему не может выполнять операции, то есть задачи, которые ребенок может выполнять мысленно, а не физически. Мышление на этой стадии все еще эгоцентрично, что означает, что ребенку трудно видеть точку зрения других. Предоперационная стадия разделена на два подэтапа: подэтап символической функции и подэтап интуитивного мышления.Подэтап символической функции — это когда дети способны понимать, представлять, запоминать и рисовать объекты в своем уме, не имея объекта перед собой. Подэтап интуитивного мышления — это когда дети задают вопросы «почему?» и «как получилось?» На этом этапе дети хотят знать все. ^[29]

Подэтап символьной функции

В возрасте от двух до четырех лет дети еще не могут логическим образом манипулировать и преобразовывать информацию.Однако теперь они могут мыслить образами и символами. Другими примерами умственных способностей являются язык и притворная игра. Символическая игра — это когда дети заводят воображаемых друзей или разыгрывают с друзьями ролевые игры. Детские игры становятся более социальными, и они назначают друг другу роли. Некоторые примеры символической игры включают игру в дом или чаепитие. Интересно, что тип символической игры, в которой участвуют дети, связан с их уровнем творческих способностей и способностью общаться с другими. ^[30] Кроме того, качество их символической игры может повлиять на их дальнейшее развитие.Например, маленькие дети, чья символическая игра носит насильственный характер, как правило, демонстрируют менее просоциальное поведение и более склонны проявлять антисоциальные тенденции в более поздние годы. ^[31]

На этой стадии все еще есть ограничения, такие как эгоцентризм и предпричинное мышление.

Эгоцентризм возникает, когда ребенок не может отличить свою точку зрения от точки зрения другого человека. Дети склонны придерживаться своей точки зрения, а не учитывать точку зрения других.Более того, они даже не подозревают о существовании такого понятия, как «разные точки зрения». ^[32] Эгоцентризм можно увидеть в эксперименте, проведенном Пиаже и швейцарским психологом развития Бербел Инхельдер, известном как проблема трех гор. В этом эксперименте ребенку показывают три вида горы, и его спрашивают, что бы странствующая кукла увидела бы под разными углами. Ребенок будет последовательно описывать то, что он видит из своего положения, независимо от того, под каким углом его просят взглянуть на куклу.Эгоцентризм также заставит ребенка поверить: «Мне нравится Улица Сезам , так что папе тоже нравится Улица Сезам ».

Подобно дооперационному эгоцентрическому мышлению детей, они строят причинно-следственные связи. Пиаже ввел термин «предпричинное мышление», чтобы описать способ, которым дооперационные дети используют свои собственные существующие идеи или взгляды, как в эгоцентризме, для объяснения причинно-следственных связей. Три основных концепции причинности, проявляемые детьми на предоперационной стадии, включают: анимизм, искусственность и трансдуктивное мышление.^[33]

Анимизм — это вера в то, что неодушевленные предметы способны к действиям и обладают качествами жизни. Примером может быть ребенок, который считает, что тротуар был сумасшедшим и заставил его упасть, или что звезды мерцают в небе, потому что они счастливы. Под искусством понимается вера в то, что характеристики окружающей среды могут быть связаны с действиями или вмешательством человека. Например, ребенок может сказать, что на улице ветрено, потому что кто-то очень сильно дует, или что облака белые, потому что кто-то покрасил их в этот цвет.Наконец, предпричинное мышление классифицируется с помощью трансдуктивного мышления. Трансдуктивное мышление — это когда ребенок не понимает истинных отношений между причиной и следствием. ^[29] ^[34] В отличие от дедуктивного или индуктивного рассуждения (от общего к частному или от конкретного к общему), преобразовательное рассуждение относится к тому, когда ребенок рассуждает от конкретного к конкретному, устанавливая связь между двумя отдельными событиями, которые в остальном не связаны . Например, если ребенок услышит лай собаки, а затем лопнет воздушный шар, ребенок сделает вывод, что из-за лая собаки воздушный шар лопнул.

Подэтап интуитивного мышления

Примерно в возрасте от 4 до 7 лет дети становятся очень любопытными и задают много вопросов, начиная использовать примитивные рассуждения. Возникает интерес к рассуждению и желание знать, почему вещи такие, какие они есть. Пиаже назвал это «интуитивным подэтапом», потому что дети осознают, что обладают огромным объемом знаний, но не осознают, как они их приобрели. Центрирование, сохранение, необратимость, включение в классы и переходный вывод — все это характеристики предоперационного мышления.Сосредоточение — это акт сосредоточения всего внимания на одной характеристике или измерении ситуации, игнорируя все остальные. Сохранение — это осознание того, что изменение внешнего вида вещества не меняет его основных свойств. Дети на этом этапе не знают о сохранении и центрировании экспонатов. И центрирование, и сохранение станет более понятным, если познакомиться с самой известной экспериментальной задачей Пиаже.

В этом задании ребенку предлагают два одинаковых стакана с одинаковым количеством жидкости.Ребенок обычно отмечает, что в мензурках действительно столько же жидкости. Когда один из стаканов наливается в более высокий и тонкий контейнер, дети младше семи или восьми лет обычно говорят, что два стакана больше не содержат одинакового количества жидкости и что более высокий контейнер вмещает большее количество (центрирование). ), не принимая во внимание тот факт, что ранее было отмечено, что в обоих стаканах содержится одинаковое количество жидкости. Из-за поверхностных изменений ребенок не мог понять, что свойства веществ продолжают оставаться прежними (консервация).

Необратимость — это концепция, развиваемая на этой стадии, которая тесно связана с идеями центрирования и сохранения. Необратимость означает, что дети не могут мысленно повернуть вспять последовательность событий. В той же ситуации с химическим стаканом ребенок не понимает, что если бы последовательность событий была обратной и вода из высокого стакана была налита обратно в исходный стакан, то было бы такое же количество воды. Еще один пример того, как дети полагаются на визуальные представления, — это их неправильное понимание понятий «меньше чем» или «больше чем».Когда две строки, содержащие равное количество блоков, помещаются перед дочерним элементом, причем одна строка располагается дальше друг от друга, ребенок будет думать, что более дальний ряд содержит больше блоков. ^[29] ^[35]

Классная инклюзия относится к разновидности концептуального мышления, которое дети на предоперационной стадии еще не могут понять. Неспособность детей сосредоточиться на двух аспектах ситуации одновременно мешает им понять принцип, согласно которому одна категория или класс может содержать несколько различных подкатегорий или классов.^[33] Например, четырехлетней девочке можно показать изображение восьми собак и трех кошек. Девушка знает, что такое кошки и собаки, и знает, что они оба животные. Однако на вопрос: «Есть еще собаки или животные?» она скорее всего ответит «больше собак». Это связано с тем, что ей трудно сосредоточиться на двух подклассах и более крупном классе одновременно. Возможно, она могла рассматривать собак как собак или животных, но испытывала затруднения при попытке классифицировать их как обоих одновременно.^[36] ^[37] Похожая на это концепция, относящаяся к интуитивному мышлению, известная как «переходный вывод».

Переходный вывод — это использование предыдущих знаний для определения недостающей части с использованием базовой логики. У детей на предоперационном этапе такой логики нет. Примером транзитивного вывода может быть ситуация, когда ребенку представлена информация «А» больше, чем «В», и «В» больше, чем «С». У этого ребенка могут быть трудности с пониманием того, что «А» также больше, чем «С».

Бетонный этап эксплуатации

конкретная операционная стадия — это третий этап теории когнитивного развития Пиаже. Эта стадия, которая следует за предоперационной стадией, происходит в возрасте от 7 до 11 (предподростковый возраст) лет, ^[38] и характеризуется соответствующим использованием логики. На этом этапе мыслительные процессы ребенка становятся более зрелыми и «взрослыми». Они начинают решать проблемы более логично. Абстрактное, гипотетическое мышление еще не развито у ребенка, и дети могут решать только задачи, относящиеся к конкретным событиям или объектам.На этом этапе дети проходят переход, когда ребенок изучает такие правила, как сохранение. ^[39] Пиаже определил, что дети могут использовать индуктивное мышление. Индуктивное рассуждение включает в себя выводы из наблюдений с целью обобщения. Напротив, дети борются с дедуктивным мышлением, которое включает использование обобщенного принципа, чтобы попытаться предсказать исход события. Дети на этой стадии обычно испытывают трудности с пониманием логики в своей голове.Например, ребенок поймет, что «А больше, чем В» и «В больше, чем С». Однако, когда его спрашивают: «А больше, чем С?», Ребенок может оказаться не в состоянии логически разобраться в вопросе в своей голове.

Два других важных процесса на конкретной операционной стадии — это логика и устранение эгоцентризма.

Эгоцентризм — это неспособность рассмотреть или понять точку зрения, отличную от своей собственной. Это фаза, когда мысли и нравственность ребенка полностью сосредоточены на себе.^[40] На этом этапе ребенок приобретает способность смотреть на вещи с точки зрения другого человека, даже если он думает, что эта точка зрения неверна. Например, покажите ребенку комикс, в котором Джейн кладет куклу под коробку, выходит из комнаты, затем Мелисса перемещает куклу в ящик, а Джейн возвращается. Ребенок на стадии конкретных операций скажет, что Джейн все равно будет думать, что это под коробкой, даже если ребенок знает, что она в ящике. (См. Также задание на ложное убеждение.)

Однако дети на этом этапе могут решать только задачи, относящиеся к реальным (конкретным) объектам или событиям, а не абстрактные концепции или гипотетические задачи. Понимание и умение пользоваться здравым смыслом еще не полностью адаптированы.

Пиаже установил, что дети, находящиеся на конкретном этапе работы, могут использовать индуктивную логику. С другой стороны, детям в этом возрасте трудно использовать дедуктивную логику, которая предполагает использование общего принципа для предсказания исхода конкретного события.Это включает в себя умственную обратимость. Примером этого является возможность изменить порядок отношений между ментальными категориями. Например, ребенок может распознать, что его собака — это лабрадор, что лабрадор — это собака, а собака — это животное, и сделать выводы из доступной информации, а также применить все эти процессы к гипотетические ситуации. ^[41]

Абстрактность мышления подростка на формальном оперативном уровне проявляется в способности подростка решать вербальные проблемы.^[41] Логическое качество мышления подростка — это когда дети с большей вероятностью решают проблемы методом проб и ошибок. ^[41] Подростки начинают думать больше, чем думает ученый, разрабатывая планы решения проблем и систематически проверяя мнения. ^[41] Они используют гипотетически-дедуктивное рассуждение, что означает, что они разрабатывают гипотезы или наилучшие предположения и систематически делают выводы или делают выводы, что является лучшим путем для решения проблемы.^[41] На этом этапе подросток способен понимать любовь, логические доказательства и ценности. На этом этапе молодой человек начинает предвкушать возможности на будущее, и его очаровывает то, кем они могут стать. ^[41]

Подростки также когнитивно меняются в зависимости от того, как они думают о социальных вопросах. ^[41] Подростковый эгоцентризм определяет то, как подростки думают о социальных вопросах, и представляет собой повышенное самосознание в них самих по себе, что отражается в их чувстве личной уникальности и непобедимости.^[41] Подростковый эгоцентризм можно разделить на два типа социального мышления: воображаемую аудиторию, которая включает поведение, привлекающее внимание, и личную басню, которая включает в себя чувство подростка личной уникальности и непобедимости. ^[41] Эти два типа социального мышления начинают влиять на детский эгоцентризм на конкретной стадии. Однако он переносится на формальную операционную стадию, когда они сталкиваются с абстрактным мышлением и полностью логическим мышлением.

Испытания для бетонных работ

Испытания Пиаже хорошо известны и применяются для проверки конкретных операций.Наиболее распространены тесты на сохранение. Есть несколько важных аспектов, которые экспериментатор должен учитывать при проведении экспериментов с этими детьми.

Один из примеров эксперимента по проверке консервации: у экспериментатора есть два стакана одинакового размера, он наполняет их жидкостью до одинакового уровня, и ребенок признает, что это одно и то же. Затем экспериментатор наливает жидкость из одного из маленьких стаканов в высокий тонкий стакан. Затем экспериментатор спросит ребенка, есть ли в более высоком стакане больше жидкости, меньше жидкости или такое же количество жидкости.Затем ребенок даст свой ответ. Экспериментатор спросит ребенка, почему он дал свой ответ или почему он так считает.

Обоснование : После того, как ребенок ответил на поставленный вопрос, экспериментатор должен спросить, почему ребенок дал такой ответ. Это важно, потому что ответы, которые они дают, могут помочь экспериментатору оценить возраст развития ребенка. ^[42]
Сколько раз спрашивать : Некоторые утверждают, что если ребенка спросить, равно ли количество жидкости в первом наборе стаканов, то после наливания воды в более высокий стакан экспериментатор снова спросит о количестве жидкости, дети начнут сомневаться в своем первоначальном ответе.Они могут начать думать, что исходные уровни не были равны, что повлияет на их второй ответ. ^[43]
Выбор слов : Фраза, которую использует экспериментатор, может повлиять на то, как ребенок ответит. Если в примере с жидкостью и стеклом экспериментатор спросит: «В каком из этих стаканов больше жидкости?», Ребенок может подумать, что его мысли о том, что они одинаковые, неверны, потому что взрослый говорит, что нужно иметь больше. В качестве альтернативы, если экспериментатор спросит: «Равны ли они?», Тогда ребенок с большей вероятностью ответит, что они равны, потому что экспериментатор намекает, что они равны.

Формальная операционная стадия

Заключительная стадия известна как формальная операционная стадия (отрочество и взросление, примерно от 11 до примерно 15-20 лет): интеллект демонстрируется посредством логического использования символов, связанных с абстрактными понятиями. Эта форма мышления включает «предположения, которые не имеют необходимого отношения к реальности». ^[44] На этом этапе человек способен к гипотетическим и дедуктивным рассуждениям. За это время у людей развивается способность думать об абстрактных концепциях.

Пиаже заявил, что «гипотетико-дедуктивное рассуждение» становится важным на формальной операционной стадии. Этот тип мышления включает в себя гипотетические ситуации «а что, если», которые не всегда коренятся в реальности, то есть контрфактическое мышление. Это часто требуется в естественных науках и математике.

Абстрактная мысль возникает на формальной операционной стадии. Дети склонны думать очень конкретно и конкретно на ранних этапах и начинают рассматривать возможные результаты и последствия действий.
Метапознание, способность «думать о мышлении», которая позволяет подросткам и взрослым рассуждать о своих мыслительных процессах и контролировать их. ^[45]
Решение проблем демонстрируется, когда дети решают проблемы методом проб и ошибок. Возникает умение систематически решать проблему, логично и методично.

В то время как дети в начальной школе в основном использовали индуктивные рассуждения, делая общие выводы из личного опыта и конкретных фактов, подростки становятся способными к дедуктивным рассуждениям, в которых они делают конкретные выводы из абстрактных понятий, используя логику.Эта способность проистекает из их способности мыслить гипотетически. ^[46]

«Однако исследования показали, что не все люди во всех культурах достигают формальных операций, и большинство людей не используют формальные операции во всех аспектах своей жизни». ^[47]

Эксперименты

Пиаже и его коллеги провели несколько экспериментов для оценки формального оперативного мышления. ^[48]

В одном из экспериментов Пиаже оценивал познавательные способности детей разного возраста с помощью весов и различных весов.Задача заключалась в том, чтобы уравновесить весы, зацепив за концы весов гири. Чтобы успешно выполнить задание, дети должны использовать формальную операционную мысль, чтобы понять, что расстояние между гирями от центра и тяжесть гирь влияют на равновесие. Более тяжелый груз необходимо разместить ближе к центру весов, а более легкий — дальше от центра, чтобы два груза уравновешивали друг друга. ^[46] В то время как дети от 3 до 5 лет вообще не могли понять концепцию балансировки, дети к 7 годам могли уравновесить весы, поместив одинаковые гири на обоих концах, но они не осознавали важность Местоположение.К 10 годам дети могли думать о местоположении, но не использовали логику и вместо этого использовали метод проб и ошибок. Наконец, к 13 и 14 годам, в раннем подростковом возрасте, некоторые дети более четко понимали взаимосвязь между весом и расстоянием и могли успешно реализовать свою гипотезу. ^[49]

Пример задания Пиаже по консервации

Стадии и причинно-следственная связь

Пиаже рассматривает детскую концепцию причинности как переход от «примитивных» концепций причины к концепциям более научного, строгого и механического характера.Эти примитивные концепции характеризуются как сверхъестественные, с явно неестественным или немеханическим тоном. Пиаже основывается на предположении, что младенцы — феноменалисты. То есть их знания «состоят в ассимилировании вещей схемами» на основе их собственных действий, так что с точки зрения ребенка кажется, что они «обладают качествами, которые на самом деле проистекают из организма». Следовательно, эти «субъективные концепции», столь превалирующие на первом этапе развития Пиаже, разбиваются по мере открытия более глубоких эмпирических истин.

Пиаже приводит пример ребенка, который верит, что луна и звезды следуют за ним во время ночной прогулки. Узнав, что это касается его друзей, он должен отделить себя от объекта, в результате чего возникла теория, согласно которой Луна неподвижна или движется независимо от других агентов.

Вторая стадия, от трех до восьми лет, характеризуется смесью этого типа магических, анимистических или «неприродных» концепций причинности и механической или «натуралистической» причинности.Это сочетание естественных и неприродных причинных объяснений предположительно происходит из самого опыта, хотя Пиаже не делает особых попыток описать природу различий в концепциях. В своих интервью с детьми он задавал вопросы о природных явлениях, таких как: «Что заставляет облака двигаться?», «Что заставляет двигаться звезды?», «Почему текут реки?» Природа всех полученных ответов, по словам Пиаже, такова, что эти объекты должны выполнять свои действия, чтобы «выполнять свои обязательства перед людьми».Он называет это «моральным объяснением». ^[50]

Практическое применение

Родители могут использовать теорию Пиаже при принятии решения о том, что покупать, чтобы поддержать рост своего ребенка. ^[51] Учителя также могут использовать теорию Пиаже, например, при обсуждении того, подходят ли предметы программы для уровня учащихся или нет. ^[52] Например, недавние исследования показали, что дети одного класса и одного возраста по-разному выполняют задания, измеряющие базовую беглость сложения и вычитания.В то время как дети на предоперационном и конкретном операционном уровнях когнитивного развития выполняют комбинированные арифметические операции (такие как сложение и вычитание) с одинаковой точностью, ^[53] детей на конкретном операционном уровне когнитивного развития были способны выполнять как дополнительные задачи, так и проблемы вычитания с большей беглостью речи. ^[54]

Стадии познавательного роста человека отличаются от других. Это влияет и влияет на то, как кто-то думает обо всем, включая цветы.У 7-месячного младенца в сенсомоторном возрасте цветы распознаются по запаху, потягиванию и кусанию. Ребенок чуть постарше не осознал, что цветок не ароматный, но, как и многие дети в ее возрасте, ее научит ее эгоцентричное, двуручное любопытство. На формальной стадии функционирования взрослого человека цветы являются частью более крупной логической схемы. Их используют либо для заработка, либо для создания красоты. Когнитивное развитие или мышление — это активный процесс от начала до конца жизни.Интеллектуальный прогресс происходит потому, что люди в любом возрасте и в любой период развития ищут когнитивное равновесие. Самый простой способ достичь этого баланса — понять новый опыт через призму уже существовавших идей. Младенцы узнают, что новые предметы можно брать так же, как и знакомые, а взрослые объясняют заголовки дня как свидетельство своего существующего мировоззрения. ^[55]

Однако применение стандартизированной теории и процедур Пиаже в разных обществах дало очень разные результаты, которые заставляют некоторых думать не только о том, что одни культуры производят больше когнитивного развития, чем другие, но и что без особых видов культурного опыта, но и формального обучения, развитие может прекращаются на определенном уровне, таком как конкретный операционный уровень.Процедура выполнялась по методикам, разработанным в Женеве. Участникам были вручены два стакана одинаковой длины и окружности, наполненные равным количеством воды. Вода из одного стакана переливалась в другой с более высокой и меньшей окружностью. Дети и молодые люди из неграмотных обществ определенного возраста с большей вероятностью думали, что в более высоком и тонком стакане больше воды. С другой стороны, эксперимент по изменению процедур тестирования в соответствии с местной культурой дал разные результаты.^[56]

Постулируемые физические механизмы, лежащие в основе схем и этапов

В 1967 году Пиаже рассмотрел возможность молекул РНК как вероятное воплощение своих все еще абстрактных схем (которые он продвигал как единицы действия) — хотя он не пришел к какому-либо твердому выводу. ^[57] В то время, благодаря таким работам, как работа шведского биохимика Хольгера Хайдена, действительно было показано, что концентрации РНК коррелируют с обучением, так что идея была вполне правдоподобной.

Однако к моменту смерти Пиаже в 1980 году это понятие утратило популярность. Одна из основных проблем была связана с белком, который, как предполагалось, обязательно должна была продуцировать такая РНК, и это не соответствовало наблюдениям. Было установлено, что только около 3% РНК кодирует белок. ^[58] Следовательно, большая часть оставшихся 97% («ncRNA») теоретически может быть доступна для использования в качестве схем Пиаже (или других регулирующих ролей в исследуемых 2000-х годах). Проблема еще не решена экспериментально, но ее теоретические аспекты были рассмотрены в 2008 г. ^[58] — затем получили дальнейшее развитие с точки зрения биофизики и эпистемологии.^[59] ^[60] Между тем, этот подход, основанный на РНК, также неожиданно предложил объяснения некоторых других нерешенных биологических проблем, таким образом обеспечивая некоторую степень подтверждения.

Отношение к психометрическим теориям интеллекта

Пиаже разработал ряд задач для проверки гипотез, вытекающих из его теории. Задачи не были предназначены для измерения индивидуальных различий, и им нет эквивалента в психометрических тестах интеллекта. Несмотря на разные исследовательские традиции, в которых разрабатывались психометрические тесты и задачи Пиаже, было обнаружено, что корреляции между двумя типами мер являются неизменно положительными и в целом умеренными по величине.В их основе лежит общий общий фактор. Было показано, что можно построить батарею, состоящую из задач Пиаже, которая является таким же хорошим показателем общего интеллекта, как и стандартные тесты IQ. ^[61] ^[62] ^[63]

Вызов теории стадии Пиаже

Пиажеские версии развития были оспорены по нескольким причинам. Во-первых, как заметил сам Пиаже, развитие не всегда идет гладким образом, предсказываемым его теорией.«Decalage» или прогрессивные формы когнитивного развития в определенной области предполагают, что сценическая модель в лучшем случае является полезным приближением. ^[64] Кроме того, исследования показали, что дети могут относительно легко усваивать концепции и способность к сложному мышлению, которые предположительно представлены на более продвинутых стадиях (Lourenço & Machado, 1996, p. 145). ^[65] ^[66] В более широком смысле теория Пиаже является «общей областью», предсказывая, что когнитивное созревание происходит одновременно в разных областях знаний (таких как математика, логика и понимание физики или языка).^[64] Пиаже не принимал во внимание изменчивость успеваемости ребенка, особенно то, как ребенок может отличаться по уровню развития в нескольких областях.

В течение 1980-х и 1990-х гг. Специалисты по когнитивному развитию находились под влиянием идей «неонативизма» и эволюционной психологии. Эти идеи принижали значение общих теорий предметной области и подчеркивали специфичность предметной области или модульность мышления. ^[67] Модульность подразумевает, что различные когнитивные способности могут быть в значительной степени независимыми друг от друга и, таким образом, развиваться в соответствии с совершенно разными графиками, на которые «влияет опыт реального мира».^[67] В этом ключе некоторые специалисты по когнитивному развитию утверждали, что вместо того, чтобы быть учащимися общей предметной области, дети приходят с теориями, относящимися к предметной области, иногда называемыми «базовыми знаниями», которые позволяют им перейти к обучению в этой предметной области. Например, даже младенцы кажутся чувствительными к некоторым предсказуемым закономерностям в движении и взаимодействии объектов (например, объект не может пройти через другой объект) или к поведению человека (например, рука, неоднократно тянущаяся к объекту, имеет этот объект, а не просто конкретный путь движения), поскольку он становится строительным блоком, из которого строятся более сложные знания.

Утверждается, что теория Пиаже недооценивает влияние культуры на когнитивное развитие. Пиаже демонстрирует, что ребенок проходит несколько стадий когнитивного развития и приходит к выводам самостоятельно, но на самом деле социокультурная среда ребенка играет важную роль в его когнитивном развитии. Социальное взаимодействие учит ребенка миру и помогает ему развиваться через когнитивные стадии, которые Пиаже не учитывал. ^[68]

Более поздние работы серьезно поставили под сомнение некоторые базовые допущения школы «основных знаний» и пересмотрели идеи общности предметной области — но с нового подхода к динамическим системам, а не с пересмотренной точки зрения Пиаже.Подходы к динамическим системам соответствуют современным нейробиологическим исследованиям, которые были недоступны Пиаже, когда он строил свою теорию. Одним из важных выводов является то, что предметные знания формируются по мере того, как дети развивают и интегрируют знания. Это позволяет области повысить точность знаний, а также организацию воспоминаний. ^[67] Однако это предполагает более «плавную интеграцию» обучения и развития, чем предполагали Пиаже или его критики-неонативисты.Кроме того, некоторые психологи, такие как Лев Выготский и Джером Брунер, думали иначе, чем Пиаже, предполагая, что язык более важен для развития познания, чем предполагал Пиаже. ^[67] ^[69]

Постпьяжеские и неопиажеские этапы

В последние годы несколько теоретиков попытались решить проблемы, связанные с теорией Пиаже, путем разработки новых теорий и моделей, которые могут содержать свидетельства, противоречащие предсказаниям и постулатам Пиаже.

Неопиажеские теории когнитивного развития, выдвинутые Робби Кейсом, Андреасом Деметриу, Грэмом С. Хэлфордом, Куртом В. Фишером, Майклом Лэмпортом Коммонсом и Хуаном Паскуаль-Леоне, пытались объединить теорию Пиаже с когнитивными и дифференциальными теориями познавательная организация и развитие. Их цель состояла в том, чтобы лучше учесть когнитивные факторы развития и внутрииндивидуальные и межиндивидуальные различия в когнитивном развитии. Они предположили, что развитие на этапах Пиаже происходит за счет увеличения объема рабочей памяти и эффективности обработки за счет «биологического созревания».^[70] Более того, теория Деметриу приписывает важную роль гиперкогнитивным процессам «самоконтроля, самозаписи, самооценки и саморегуляции» и признает работу нескольких относительно автономных областей мышления. (Деметриу, 1998; Деметриу, Муи, Спанудис, 2010; Деметриу, 2003, стр.153). ^[71]
Теория Пиаже останавливается на формальной операционной стадии, но другие исследователи отметили, что мышление взрослых более тонко, чем формальное операционное мышление.Этот пятый этап был назван постформальной мыслью или операцией. ^[72] ^[73] Были предложены официальные этапы поста. Майкл Коммонс представил доказательства четырех постформальных стадий: систематического, метасистематического, парадигматического и кросс-парадигматического (Commons & Richards, 2003, p. 206-208; Oliver, 2004, p. 31). ^[74] ^[75] ^[76] Однако есть много теоретиков, критикующих «постформальное мышление», потому что эта концепция не имеет как теоретической, так и эмпирической проверки.Вместо этого предлагается использовать термин «интегративное мышление». ^[77] ^[78] ^[79] ^[80] ^[81]

Модель нравственного развития Кольберга

Фишер, Биггс и Биггс, Коммонс и Ричардс предложили «условную» стадию, которая, как говорят, происходит до ранней предоперационной стадии. ^[82] ^[83]
В поисках микрофизиологической основы умственных способностей человека, Traill (1978, Раздел C5.4 [6]; — 1999, Раздел 8.4 [7]) предположил, что могут быть «предсенсомоторные» стадии («M ^-1 L», «M ^-2 L»,…), которые развиваются в утробе матери и / или передается генетически.
Джером Брунер выразил взгляды на когнитивное развитие в «прагматической ориентации», в которой люди активно используют знания для практических приложений, таких как решение проблем и понимание реальности. ^[84]
Майкл Лэмпорт Коммонс предложил модель иерархической сложности (MHC) двумя способами: «горизонтальная сложность» и «вертикальная сложность» (Commons & Richards, 2003, p.205). ^[75] ^[85] ^[86]
Киран Иган предложил пять стадий понимания: «соматический», «мифический», «романтический», «философский» и «иронический», который развивается с помощью когнитивных инструментов, таких как «истории», «бинарные оппозиции», «фантазия». »И« рифма, ритм и размер »для улучшения запоминания и развития способности к обучению на длительный срок. ^[87]
Лоуренс Колберг разработал три стадии нравственного развития: «доконвенциональный», «традиционный» и «постконвенциональный».^[87] ^[88] Каждый уровень состоит из двух этапов ориентации, всего шесть этапов ориентации: (1) «Наказание-послушание», (2) «Инструментальный релятивист», (3) «Хороший мальчик». -Nice Girl », (4)« Закон и порядок », (5)« Общественный договор »и (6)« Универсальный этический принцип ». ^[87] ^[88]
Андреас Деметриу выразил неопиажеские теории когнитивного развития.
Стадии развития эго Джейн Ловингер проходят через «эволюцию стадий».^[89] «Сначала досоциальная стадия, за которой следует симбиотическая стадия, импульсивная стадия, стадия самозащиты, конформистская стадия, уровень самосознания: переход от конформистской стадии к сознательной, индивидуалистический уровень: переход от сознательной стадии к автономной. , Конформистский этап и комплексный этап ». ^[89]
Кен Уилбер включил теорию Пиаже в свою междисциплинарную область интегральной теории. Человеческое сознание структурировано в иерархическом порядке и организовано в «холонные» цепочки или «Великую цепочку бытия», в основе которых лежит уровень духовного и психологического развития.^[90]

Иерархия потребностей Маслоу

Процесс инициации — это модификация теории Пиаже, интегрирующая концепцию самоактуализации Абрахама Маслоу. ^[91]
Шерил Армон предложила пять стадий «хорошей жизни»: «эгоистический гедонизм», «инструментальный гедонизм», «аффективная / альтруистическая взаимность», «индивидуальность» и «автономия / сообщество» (Andreoletti & Demick, 2003, p. 284) (Армон, 1984, с. 40-43). ^[92] ^[93]
Кристофер Р.Перейти на: ^a ^b ^c ^d ^e ^e
67 ^{7 903} ^h Santrock, JW (2008). Перейти до: ^a ^b ^c ^d ^e 911 J.Перейти на: ^a ^b ^c ^d ^e ^e
67 ^{7 903} ^h ⁱ Santrock, JW (2008). Актуальный подход к развитию продолжительности жизни (стр.221-223).Перейти до: ^a ^b ^c ^d Callaghan, T. C. (2005). Когнитивное развитие после младенчества. В Б. Хопкинс (ред.), Кембриджская энциклопедия детского развития (стр. 204-209). Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. Получено с http://go.galegroup. Перейти до: ^a ^b Voorhis, P. Кеган, Роберт. Эволюционирующее Я: проблема и процесс в развитии человека. Издательство Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс, 1982, ISBN 0-674-27231-5.

Внешние ссылки

К общей теории эволюции: Распространение теории Дарвина на неодушевленную материю | Журнал системной химии

2.1. Объединение абиогенеза и эволюции

Дарвиновская теория лежит в основе современной биологии, и это правильно. Как заметил Добжанский [7]: «Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции».Тем не менее, несмотря на необычайное и подавляющее влияние идей Дарвина на биологию и не только, дарвиновская теория не решает проблему происхождения жизни, хотя природа и источник ранней жизни вполне могут повлиять на саму теорию. Интересно, что это ограничение было очевидно уже современникам Дарвина. Таким образом, всего через три года после публикации монументального тезиса Дарвина Геккель [8, 9] указал, что «главный недостаток дарвиновской теории состоит в том, что она не проливает света на происхождение примитивного организма — вероятно, простой клетки — от которого произошли все остальные.Когда Дарвин предпринимает особый творческий акт для этого первого вида, он непоследователен и, я думаю, не совсем искренен … «. Удивительно, но это раннее беспокойство, похоже, со временем рассеялось. Так, ведущий биолог Ричард Докинз, в первой строке своей книги «Слепой часовщик» пишет: «… наше существование когда-то представляло собой величайшую из всех загадок, но теперь это загадка не потому, что она разгадана. Дарвин и Уоллес решили это… »[10]. Да, дарвинизм действительно разрешил дилемму о том, как микроскопическая сложность была преобразована в макроскопическую сложность , однако он не разрешил или даже не разрешил самый неприятный вопрос: как возникла ли необычайная микроскопическая сложность простейшей живой системы?

Тогда неудивительно, что возникновение сложной жизни на Земле разделено на две фазы — абиогенез, химическая фаза, и эволюция, биологическая фаза ( как показано в 1), причем первая фаза остается источником путаницы и продолжающихся споров (недавний специальный выпуск о происхождении жизни см. в [11], общие обзоры см. в [12–15]). .Но что, если эти две стадии можно было бы концептуально объединить в один непрерывный физико-химический процесс? Такое объединение может существенно повлиять на наше понимание феномена жизни, поскольку тогда мы столкнемся с необходимостью понять только один процесс , а не два отдельных и дискретных процесса . И, учитывая наше широкое понимание дарвиновской фазы, это понимание может быть немедленно применено к плохо изученной более ранней химической фазе.Но есть ли разумные основания для столь масштабного предложения? Мы считаем, что ответ положительный, и основываем эту точку зрения на последних достижениях в системной химии. Недавние исследования молекулярных реплицирующих систем показали, что некоторые явления, связанные с репликацией химических систем, также проявляются в биологических системах. Это общее наблюдение чрезвычайно важно, поскольку оно обеспечивает эмпирическую основу для концептуальной связи между химией и биологией, а не только на очевидном структурном уровне ( i.е. , как одушевленная, так и неодушевленная материя состоят из атомных и молекулярных сущностей), но на более глубоком организационном уровне. Действительно, это свидетельство ляжет в основу нашего предположения о том, что химическая и биологическая фазы на самом деле представляют собой единый процесс. Давайте сначала рассмотрим соответствующие эмпирические данные.

Схема 1

Двухфазное (химическое и биологическое) превращение неживого в сложную жизнь.

2.1.1. Естественный отбор на химическом уровне

Еще в 1960-х годах Mills et al.[16] отметили, что молекулярная реплицирующая система, Qβ РНК, при взаимодействии с активированными нуклеотидами в присутствии соответствующей репликазы претерпевала процесс репликации, мутации, отбора, эволюции, что поразительно аналогично биологическим системам. Олигонуклеотид РНК, первоначально длиной около 4200 оснований, реплицировался, мутировал и превратился в гораздо более короткую олигонуклеотидную цепь всего на 17% от исходной длины, которая реплицировалась намного быстрее, чем исходная цепь [15, 16]. Это наблюдение, даже само по себе, предполагает, что дарвиновское поведение, фундаментально биологический феномен, имеет свои корни в химии.Никто не станет всерьез утверждать, что отдельная молекула, какой бы ни была ее структура, в каком-либо значимом смысле «жива», однако поведение дарвиновского типа совершенно очевидно на этом неодушевленном, молекулярном уровне [15, 16]. С тех пор процедуры эволюции in vitro были разработаны и расширены, чтобы охватить широкий спектр систем нуклеиновых кислот, как продемонстрировали работы Bartel и Szostak [17], Johnston et al. [18] и Joyce et al. [19, 20], тем самым подчеркивая общность эволюционно-подобных процессов на молекулярном уровне.

Еще более поразительное выражение естественного отбора на химическом уровне, которое еще больше подчеркивает степень связи химии и биологии, недавно было сообщено Войтеком и Джойсом [21]. Ключевой экологический принцип , принцип конкурентного исключения [22] гласит: «Полные конкуренты не могут сосуществовать», или в более позитивном выражении: «Экологическая дифференциация является необходимым условием сосуществования». Этот принцип сообщает нам, что две не скрещивающиеся популяции, занимающие точно такую же экологическую нишу ( i.е. , оба конкурируют за один и тот же ресурс) не могут сосуществовать — одно приведет к исчезновению другого. Поразительным аспектом исследования Войтека и Джойса было то, что оно продемонстрировало, что корни этого квинтэссенции биологического принципа можно найти в химии. Они сообщили, что два фермента РНК, когда им позволяли реплицироваться и развиваться в присутствии необходимого субстрата, не могли сосуществовать. Один из ферментов привел к исчезновению другого в соответствии с предсказанием принципа конкурентного исключения.Однако, что более важно, когда два фермента одновременно реагировали с пятью альтернативными субстратами, два фермента были способны сосуществовать . Каждый фермент РНК развивался таким образом, чтобы оптимизировать использование одного из 5 субстратов (разные субстраты для каждого из двух ферментов), так что система эффективно имитировала поведение биологической ниши, опять же в соответствии с принципом исключения. Классические зяблики Дарвина — нишевое поведение [23] на химическом уровне!

Как отмечалось выше, и химические, и биологические репликаторы поразительно похожим образом реагируют на причинную цепь репликация-мутация-отбор-эволюция.Но есть дополнительное следствие этой причинной цепи, которое проявляется как на химическом, так и на биологическом уровнях — процесс комплексообразования. Поясним.

2.1.2. Комплексификация как на химическом, так и на биологическом уровнях

В биологическом мире нет никаких сомнений в том, что в течение длительного эволюционного периода имел место определенный процесс комплексообразования. Хотя подробный путь к клеточной сложности остается спорным, существование этого эволюционного стремления к большей сложности отрицать нельзя.Таким образом, общепринято считать, что более сложная эукариотическая клетка эволюционировала из более простой прокариотической клеточной организации, скорее всего, после некоторого эндосимбиотического события [24], и в более поздней эволюционной скачке, что многоклеточные организмы эволюционировали из одноклеточных. Эволюционная динамика, по-видимому, определяется, по крайней мере частично, биологическими преимуществами, связанными с комплексообразованием.

Учитывая недвусмысленные доказательства комплексообразования в ходе биологической эволюции, кардинальный интерес представляет проследить, может ли та же самая тенденция комплексообразования проявляться на химическом уровне, i.е. , в относительно простых химических реплицирующих системах. Ввиду относительно короткого периода времени изучения таких систем объем данных остается ограниченным. Тем не менее можно сделать предварительные выводы. Идея гиперциклической кооперативной сети на молекулярном уровне была впервые предложена Эйгеном и Шустером [25], но только в 1994 г. Сиверс и фон Кедровски сообщили о репликации на основе перекрестного катализа двух олигонуклеотидов [26].Впоследствии было показано, что другие функциональные группы также проявляют автокаталитическое поведение за счет создания кооперативных кросс-каталитических сетей. Таким образом, Ли и др. [27] и Yao et al. [28] продемонстрировали образование сети в самовоспроизводящихся пептидах, а совсем недавно Kindermann et al. [29] и Кассианидис и Филп [30] наблюдали перекрестный катализ в самовоспроизводящейся реакции Дильса-Альдера, предполагая, что совместное молекулярное поведение в репликативном контексте может быть довольно общим.

Более явная демонстрация преимуществ репликации, связанных с сетью, по сравнению с индивидуальным молекулярным репликатором, однако, была недавно продемонстрирована Линкольном и Джойсом [31]. В то время как конкретный автокатализатор РНК был неспособен к более чем двум последовательным удвоениям, для каждого из которых требовалось около 17 часов, преобразование этого РНК-рибозима в кросс-каталитическую сеть на основе двух рибозимов РНК приводило к образованию быстро реплицирующихся система с временем удвоения всего 1 час, которая может работать бесконечно.Таким образом, кооперативная кросс-каталитическая система, полученная от автокаталитического родителя в процессе эволюции, оказалась более эффективным репликатором («приспособлением» на биологическом жаргоне), чем автокаталитический родительский предшественник. Вышеупомянутые результаты, хотя и ограниченные по объему, предполагают, что кооперативное поведение может возникать и проявляться на молекулярном уровне, что стремление к более сложным реплицирующим системам, по-видимому, лежит в основе химических, а не только биологических репликаторов. Последствия этих предварительных выводов кажутся далеко идущими.Они предполагают, что биологическое стремление к большей сложности имеет свои корни в химии, что весь эволюционный процесс можно проследить до кинетических сил на молекулярном уровне!

2.1.3. Значение общих паттернов на химическом и биологическом уровнях

Наблюдение одной и той же тенденции комплексообразования как в химической, так и в биологической фазах важно еще в одном смысле. Комплексификация — это не просто явление, связанное с двумя фазами, это также можно рассматривать как механизм , с помощью которого химическая фаза в конечном итоге сливается с биологической фазой (и в нее)! В конечном счете, основное различие между химической и биологической фазами, по-видимому, заключается в появившейся степени комплексообразования , а не в природе самого процесса.Таким образом, очевидно, что тенденция к большей сложности, которая проявляется на химическом уровне, может привести в расширенном масштабе эволюционного времени к повышенной сложности, очевидной на биологическом уровне. Таким образом, комплексизация, в первую очередь за счет создания сети, которая поддерживает целостную репликационную способность системы, является средством, с помощью которого простые реплицирующиеся химические системы со временем трансформируются в очень сложные реплицирующие системы, которые мы называем биологией.Смысл очевиден: возникновение жизни началось со случайного появления некоторой относительно простой воспроизводящейся химической системы, которая затем начала долгий путь ко все более сложным воспроизводимым объектам.

2.2. К общей теории эволюции

2.2.1. Раскрытие химических корней дарвинизма

Мы уже указывали, что мышление дарвиновского типа было применено к молекулярным репликаторам, тем самым расширив его охват до химической области. Однако при таком подходе возникает методологическая трудность.Подумайте, дарвиновская теория была предложена на основе данных, терминологии и концепций, которые все являются биологическими. Таким образом, дарвиновская теория по определению является биологической теорией. Действительно, будучи биологической теорией, Дарвин сам рассматривал возможность более ранней химической фазы, предшествующей биологической фазе, как такую, которая не может быть адекватно рассмотрена в рамках этих биологических рамок. В теперь известном письме Джозефу Далтону Хукеру, написанному в марте 1863 года, Дарвин писал: «… в настоящее время это просто вздорное мышление о происхождении жизни; с таким же успехом можно думать о происхождении материи» [9].Соответственно, если химическая и биологическая фазы составляют единый физико-химический процесс, как мы предложили, то логически следует, что теория Дарвина должна быть расширена и переформулирована так, чтобы она также могла охватывать неодушевленных химических систем. Обратите внимание, что недостаточно просто сделать вывод о применимости дарвиновских концепций как к химическим, так и к биологическим системам. Не отрицая дидактической ценности такого мышления, применение биологических концепций к химическим явлениям в научном методологическом смысле проблематично и даже ошибочно.Более глубокое понимание биохимической связи может быть предоставлено, но только когда соединение осуществляется в направлении , обратном . Давайте подробнее остановимся на этой ключевой идее.

Научный редукционизм, центральная научная методология, учит нас искать понимание в науках более высокого иерархического уровня, используя концепции из наук более низкого иерархического уровня, а не наоборот. Это предполагает, что мы должны стремиться объяснить биологических явлений в химических терминах , а не химических явлений в биологических терминах .Чтобы прояснить ситуацию с помощью крайнего примера, рассмотрим две науки, химию и психологию. В то время как предлагаемое молекулярное объяснение для некоторого психологического феномена может быть интригующим и вызывать интерес, психологическое объяснение для некоторого молекулярного феномена будет встречено только насмешкой! Цитируя Вайнберга [32]: «Пояснительные стрелки всегда указывают вниз». Таким образом, мы обычно пытаемся объяснить психологические явления в терминах биологии, биологические явления в физических и химических терминах, химические явления в физических терминах и так далее, а не наоборот.Наблюдение дарвиновского поведения на химическом уровне является очень значимым для , не , потому что оно предполагает, что молекулы ведут себя биологическим образом, а потому, что открывает возможность объяснения биологического поведения в химических терминах. Это позволяет обнажить химические корни этой наиболее центральной и глубокой биологической теории, теории Дарвина, тем самым обеспечивая поистине фундаментальную основу для биохимической связи.

2.2.2. Химическая кинетика как основа дарвиновского поведения

Как упоминалось выше, соблазну интерпретировать поведение молекулярных репликаторов в биологических терминах — приспособленность, естественный отбор, выживаемость наиболее приспособленных, и т.д. Химические явления более полезно объяснять с помощью химических терминов, а конкурентные реакции молекулярных репликаторов легко рассматриваются в специальной области химии, которая имеет дело со скоростью химических реакций — химической кинетике.Как было оценено со времени ранней новаторской работы Lotka [33], реакция репликации, иллюстрирующая автокаталитический процесс, кинетически уникальна в том смысле, что полная репликация часто приводит к экспоненциальному росту. Однако экспоненциальный рост по своей природе неустойчиво , поэтому, в лучшем случае, будет сформировано устойчивое состояние репликатора, в котором устанавливается баланс между скоростями образования репликатора и распада репликатора. Этот кинетический паттерн может быть выражен дифференциальным кинетическим уравнением, например уравнением 1, где X — концентрация репликатора, M — концентрация строительных блоков, из которых состоит X , и k и г — константы скорости образования и распада репликатора соответственно.Популяция устойчивого состояния, состояние, которое эффективно «стабильно», достигается и поддерживается до тех пор, пока dX / dt остается близким к нулю. Прямым следствием этого описания устойчивого состояния является то, что стабильность результирующего состояния имеет тип динамических — популяция репликаторов стабильна, даже несмотря на то, что отдельные члены постоянно меняются.

(1)

Примечательно, что само существование таких динамических состояний имеет глубокие химические последствия, поскольку, как мы отмечали в предыдущей работе, возникает особый вид химии с другими правилами отбора [34–36].Примером этого правила отбора, указанным несколько лет назад Лифсоном [37], является конкурентная реакция двух репликаторов, конкурирующих за одни и те же строительные блоки. Вероятный результат — один из репликаторов будет устранен. Таким образом, на химическом уровне конкурирующая реакция двух реплицирующихся молекул, когда один из репликаторов «вымирает», является прямым и хорошо понятным химическим кинетическим феноменом. Учитывая, что химия является более фундаментальной наукой, можно поэтому сказать, что биологический естественный отбор имитирует химический кинетический отбор, т.е.е. , биология сводится к химии для этого наиболее фундаментального биологического явления [36].

Процесс комплексообразования, второй паттерн, наблюдаемый как в биологической, так и в химической эволюции, также можно рассматривать как кинетический феномен. Именно на химическом уровне, где превращение простого молекулярного репликатора в автокаталитическую сеть минимальной сложности может быть исследовано напрямую [26–30], кинетическое преимущество сети над единичным репликатором, по-видимому, проявляется.Необходимы дополнительные экспериментальные данные, чтобы полностью установить связь между кинетическим отбором и комплексификацией, но предварительные доказательства, особенно предоставленные Линкольном и Джойсом [31], весьма наводят на размышления. Таким образом, кинетический отбор, химический по своей сути феномен, хорошо известный на молекулярном уровне, все чаще рассматривается как корень поведения дарвиновского типа, тем самым обеспечивая основу для более фундаментального понимания дарвиновского поведения в более сложных условиях. биологический уровень.

Мы определили биологический «естественный отбор» как продолжение химического «кинетического отбора», но каков химический аналог «приспособленности», другой центральной дарвиновской концепции? Какие физико-химические свойства, если таковые имеются, оптимизируются в процессе химического отбора? Где именно в физико-химических терминах кинетический отбор возглавляет реплицирующую систему? В химических процессах система неизменно приближается к состоянию большей термодинамической стабильности, но живые системы, похоже, не следуют этой директиве, поскольку все живые системы по своей природе термодинамически нестабильны .Оказывается, ответ действительно ли заключается в стабильности системы, но не в ее термодинамической стабильности, к которой мы обычно обращаемся в химии. В воспроизводящемся мире существует другой вид стабильности, совершенно отличный от термодинамической стабильности, вид стабильности, который мы назвали динамической кинетической стабильностью (DKS) [38, 39]. Давайте кратко прокомментируем природу DKS и обсудим, как эти два вида устойчивости взаимосвязаны.

2.2.3. Динамическая кинетическая стабильность (ДКС) и динамические кинетические состояния материи

Система считается стабильной, если она постоянна, остается неизменной со временем — это операциональное, феноменологическое определение.В рамках химических систем мы признаем, что стабильность системы может возникать либо по термодинамическим, либо по кинетическим причинам, и, соответственно, мы говорим о термодинамической и кинетической стабильности. Важно отметить, что оба результата возникают из-за отсутствия сдачи . Однако, как ни парадоксально, в природе существует еще один вид стабильности, который на самом деле достигается за счет изменения , а не за счет отсутствия изменения . Этот вид устойчивости представляет собой динамическую устойчивость. Рассмотрим, например, текущую реку или фонтан.Река или фонтан как идентифицируемый объект будут классифицированы как стабильные, если они сохранят свое присутствие в течение долгого времени. Это, как уже было сказано, проявление стабильности, неизменной во времени. Но, конечно же, вода, из которой состоит река или фонтан, постоянно меняется, поэтому устойчивость реки (фонтана) в этом случае носит динамический характер, который достигается через изменение. Таким образом, хотя река (фонтан) как объект является стабильным объектом , его устойчивость имеет совершенно другой характер, чем тот, который связан со статическими объектами.

Как уже обсуждалось выше, стабильная популяция реплицирующихся сущностей, будь то химические или биологические, также проявляет динамический вид стабильности. Популяция репликаторов может быть «стабильной» только в том случае, если отдельные сущности, составляющие популяцию, постоянно меняются, точно так же, как постоянно меняющееся содержание воды в реке или фонтане. Таким образом, можно представить популяцию молекулярных репликаторов как «молекулярный фонтан» . Значение термина «динамическая кинетическая стабильность», применительно к стабильной популяции реплицирующихся сущностей, теперь может стать ясным.Термин «динамический» отражает постоянный оборот членов популяции, термин «кинетический» отражает тот факт, что стабильность реплицирующей системы основана на кинетических параметрах, таких как k и g уравнения 1, , т. Е. , по константам скорости реакции, а не по термодинамическим параметрам. Именно значения этих параметров вместе с доступностью ресурсов определяют стабильность конкретной реплицирующей системы. Соответственно можно охарактеризовать стабильные реплицирующие системы ( т.е. , сохраняющиеся с течением времени), химические или биологические, как динамических кинетических состояний вещества . Полезность и значение этого термина можно более четко оценить по сравнению с термином, часто используемым для описания неодушевленных систем, более традиционных термодинамических состояний вещества , которые характеризуют большую часть химии.

2.2.4. Физико-химическая движущая сила в пространстве репликатора

Давайте теперь определим факторы, которые будут иметь тенденцию повышать стабильность реплицирующей системы.По сути, все физико-химические системы имеют тенденцию претерпевать превращения из менее стабильных форм в более стабильные формы. Второй закон термодинамики — это формальное выражение этого общего стремления. Но в рамках ограничений второго закона возможен ряд результатов, и по причинам, описанным выше, для воспроизводящих систем преобладают кинетические факторы. В частности, в репликаторном пространстве, пространстве, в котором динамическая кинетическая стабильность эффективно контролируется, правило отбора становится: от кинетически менее стабильного до кинетически более стабильного .Таким образом, в этом пространстве движущая сила фактически является движением к большему DKS . Другими словами, в то время как второй закон требует, чтобы все химические системы были направлены в их наиболее стабильное состояние (состояние с наименьшей энергией Гиббса), в пространстве репликатора аналог второго закона эффективно управляет природой преобразований [36, 39]. Недавнее исследование Буато и Паскаля [40] также подтверждает идею фундаментальной движущей силы эволюции.

Приведенное выше обсуждение теперь проясняет главное различие между событиями в физическом и биологическом мирах.В физическом мире второй закон является полезным предсказателем того, что может произойти. Так мы можем предсказать таяние льда в теплой воде или взрыв в результате смешения газов водорода и кислорода. Вообще говоря, это закон, который позволяет нам понятным образом связать реагенты и продукты для любой реакции. Однако в биологическом мире, в этом мире реплицирующихся систем, второй закон фактически обеспечивает предсказательную силу но .Ни поведение преследующего льва, ни феномен одноклеточного хемотаксиса нельзя объяснить вторым законом. Конечно, все биологические явления соответствуют второму закону, но это глобальное требование само по себе не имеет предсказательной ценности. Скорее, биологические явления могут быть лучше всего поняты и предсказаны на основе их телеономического характера [41, 42], характера, который полностью не связан с термодинамической стабильностью и вторым законом. Поведение голодного льва или бактерии в растворе глюкозы с градиентом концентрации легко понять и предсказать в телеономических, а не термодинамических терминах.Как мы вскоре обсудим, телеономия, это типично биологическое явление, может получить физико-химическую основу, но это будет происходить путем связывания ее с кинетическими , а не термодинамическими , параметрами.

2.2.5. Количественная оценка динамической кинетической стабильности

Установив существование дискретного вида стабильности, который отличается от ранее признанных видов стабильности, было бы явно полезно иметь возможность количественно оценить концепцию.К сожалению, формальная количественная оценка DKS связана с трудностями, которые проявляются на нескольких уровнях. Во-первых, нельзя формально сравнивать DKS любых двух произвольных репликаторов, скажем, бактерии и верблюда, потому что эти две сущности не связаны напрямую. В этом отношении проблема не слишком отличается от термодинамической стабильности, где нельзя формально сравнивать стабильность двух систем, которые не являются изомерными. Таким образом, точно так же, как нельзя законно спрашивать, является ли молекула воды более или менее стабильной, чем молекула бензола, нельзя сравнивать относительную стабильность двух реплицирующихся сущностей, если они не конкурируют напрямую за одни и те же материальные ресурсы.Соответственно, относительные DKS двух произвольных репликаторов в большинстве случаев не поддаются формальному измерению.

Во-вторых, если два репликатора действительно конкурируют напрямую, как в случае олигомеров РНК, конкурирующих за одни и те же строительные блоки нуклеотидов, то можно установить и даже количественно оценить относительную динамическую кинетическую стабильность на основе относительных скоростей репликации и распада конкурирующие репликаторы. Однако, поскольку DKS происходит от кинетических , а не термодинамических факторов, на него, вероятно, значительно повлияют незначительные изменения условий реакции, поэтому значимость любой конкретной меры будет иметь ограниченное значение.Например, присутствие бромистого этидия в реакционной смеси во время репликации конкурирующего олигомера РНК приводит к совершенно иному конкурентному исходу, чем в его отсутствие [43]. Соответственно, фактическая величина DKS для любой воспроизводящейся системы, как и ее статический аналог, очень зависит от обстоятельств и, следовательно, не поддается значимой количественной оценке. Фактически, сложность количественной оценки ДКС четко отражается в многолетних попытках количественно оценить биологический эквивалент ДКС — «приспособленность», которые начались с использования Фишером мальтузианского параметра [44].После этого раннего предложения были предложены различные виды приспособленности — относительная приспособленность, инклюзивная приспособленность, индивидуальная приспособленность, приспособленность популяции и различные эмпирические измерения этого параметра, отражающие внутреннюю сложность количественной оценки концепции приспособленности [45, 46]. Все эти различные предложения по количественной оценке можно в некотором смысле рассматривать как попытки квадратного круга. Действительно, сведение биологической концепции «приспособленности» к химической концепции DKS помогает прояснить источник проблемы, подчеркивая кинетическую и, следовательно, косвенную природу стабильности в репликативном контексте.

2.2.6. К общей (расширенной) теории эволюции

Как только мы убедимся, что химическая и биологическая фазы возникновения и эволюции жизни могут быть объединены в рамках единого физико-химического описания, которое опирается на идентифицируемую физико-химическую движущую силу, центральные элементы можно изложить общую теорию эволюции. Мы начинаем с указания на то, что терминология, используемая в этой формулировке, обязательно является физико-химической, поэтому она может относиться к начальной фазе возникновения жизни, так называемой химической фазе.Отсюда следует, что биологическая фаза также будет описана в физико-химических терминах, но это не представляет методологических трудностей — редукционистская методология лежит в основе большей части научных усилий. Соответственно, следующее утверждение будет служить центральным элементом общей теории:

■ Определенные олигомерные реплицирующие системы, в результате процесса несовершенной репликации и продолжающегося кинетического отбора, будут иметь тенденцию развиваться в сторону реплицирующих систем с большим DKS.

Хотя изначально этот процесс несовершенной репликации мог включать преимущественное образование более быстро реплицирующихся олигомерных последовательностей, как продемонстрировано в классических экспериментах по репликации РНК Mills et al.[16], появление реплицирующих сетей (также называемых автокаталитическими наборами) [2, 6, 47, 48] с их повышенной репликационной способностью по сравнению с индивидуальными молекулярными репликаторами, открыло бы новые кинетические возможности в пространстве репликаторов. И те конкретные последовательности, которые могут катализировать образование других химических классов , например, , пептиды, которые проявляют каталитическую активность в отношении самой реакции репликации, будут дополнительно способствовать процессу комплексообразования и эволюции к более стабильным динамическим кинетическим системам.Таким образом, хотя процесс кинетического отбора между конкурирующими реплицирующими системами может демонстрировать ряд кинетических характеристик, в зависимости от точного механизма репликации и его конкретных кинетических параметров, общая тенденция от менее сложного и кинетически менее стабильного к более сложному и кинетически более высокому. стабильные репликаторы проявят себя. Соответственно, второй элемент общей теории, относящейся к процессу комплексификации, можно сформулировать следующим образом:

■ Комплексификация в репликаторном пространстве за счет создания все более сложных химических сетей будет основным механизмом для повышения динамической кинетической стабильности репликатора. и генерация устойчивых динамических кинетических состояний.

Из приведенного выше обсуждения становится очевидным, что центральные дарвиновские (биологические) термины — это просто частные случаи более общих физико-химических терминов, как показано в таблице 1. Биология с редукционистской точки зрения плавно сливается с химией.

Таблица 1 Ключевые дарвиновские концепции и лежащие в их основе химические эквиваленты
2.2.7. Связь между динамической кинетической стабильностью и термодинамической стабильностью — происхождение и роль метаболизма
Несмотря на приведенное выше обсуждение и его акцент на DKS, взаимосвязь между этой стабильностью и термодинамической стабильностью требует уточнения.В конце концов, термодинамические требования, сформулированные вторым законом, нельзя игнорировать, поскольку все преобразования в физико-химическом мире, независимо от того, является ли конкретная система биологической или нет, должны соответствовать ее строгим требованиям. Оказывается, метаболизм (в смысле накопления энергии) — это средство, с помощью которого Природа может получить свой пирог и съесть его. Включение возможности сбора энергии в систему — это то, что позволяет стремлению к большему DKS комфортно сосуществовать со строгими требованиями второго закона, несмотря на часто противоположные требования этих двух видов устойчивости.Рассмотрим этот момент подробнее.
Метаболизм в широком смысле определяется как сложный набор реакций, происходящих в живой клетке. Таким образом, в этом смысле метаболизм является прямым проявлением тенденции к усилению комплексообразования, лежащей в основе эволюционного процесса. Однако, как отмечалось выше, все химические реакции связаны вторым законом, поэтому стремление к большей DKS и большей сложности, которая часто сопровождает эту стабильность, должно соответствовать термодинамической директиве.Это верно даже при том, что не все пути, направленные на улучшение DKS, будут термодинамически осуществимы. В самом деле, можно предположить, что во многих случаях большая сложность, связанная с улучшенным DKS, на самом деле будет термодинамически отрицательной , а не , тем самым эффективно блокируя такие пути. Так как же разрешить этот очевидный конфликт между двумя видами стабильности? Потенциальный конфликт разрешается за счет появления особого вида метаболической комплексообразования — той, которая конкретно связана со сбором энергии.Именно эта особая метаболическая способность позволяет комфортно сосуществовать DKS и термодинамической стабильности. Посмотрим, как это может произойти.
В недавнем теоретическом исследовании [49] мы продемонстрировали, что реплицирующаяся молекула, которая приобретает способность собирать энергию в результате случайной мутации, например, , посредством образования фотоактивного сайта в исходной молекуле, можно ожидать, посредством процесса кинетической селекции, что приведет к исчезновению исходного неметаболического репликатора.Другими словами, случайное проявление метаболической способности привело бы к образованию репликатора с большим DKS, чем исходная неметаболическая молекула. Примечательно, что этот результат наблюдался даже в том случае, если постулировали, что метаболический репликатор по своей природе на медленнее на стадии репликации. Фактически включение метаболической способности «освобождает» реплицирующуюся сущность от термодинамических ограничений почти так же, как автомобильный двигатель «освобождает» автомобиль от гравитационных ограничений.Моторизованное транспортное средство не ограничивается простым катанием под гору, но за счет использования внешнего источника энергии (бензина) может также двигаться в гору. Другими словами, как моторизованный автомобиль является более эффективным средством передвижения, так и метаболический репликатор является более эффективным репликатором, чем неметаболический. Значение моделирования, описанного выше, заключается в том, что оно демонстрирует, что метаболическая способность, однажды приобретенная в результате случайной мутации, вероятно, будет включена в систему в процессе кинетического отбора .В этот момент стремление к большему DKS больше не критически ограничивается термодинамическими препятствиями. Как мы позже обсудим, этот механизм метаболического (накопления энергии) возникновения имеет четкие последствия в отношении механизма возникновения жизни. Фактически, этот шаг можно считать решающим в преобразовании термодинамического («нисходящего») репликатора в кинетически управляемый телеономный — критический шаг, который можно рассматривать как знаменующий начало жизни.С этой точки зрения смерть — это просто возврат от этого (устойчивого) динамического кинетического состояния материи к традиционному термодинамическому.
2.3. Приложения общей теории
2.3.1. Объяснительная сила общей теории
С самого начала записанной истории человек остро осознавал тот факт, что живые и неживые системы совершенно разные. Одним из ключевых проверок общей теории, которая пытается охватить как одушевленное, так и неодушевленное (в отличие от чисто биологической теории), является то, что она должна быть способна учесть эти ключевые различия между живым и неживым.Основные характеристики жизни, требующие объяснения, следующие:
а)
Разнообразие и адаптация
(б)
Сложность
(c)
Гомохиральный характер
(г)
Телеономический (целеустремленный) персонаж
(е)
Динамический символ
(е)
Далеко от равновесного состояния
Из этих характеристик разнообразие, адаптация и сложность кажутся объяснимыми в дарвиновских терминах, хотя недавняя монография предположила, что эволюционная теория неадекватно объясняет разнообразие и сложность, и вместо этого предлагается новый вероятностный принцип [50].Что касается остальных характеристик, то здесь мало места для споров — ни одна из них не имеет простого дарвиновского объяснения. Фактически Моно [41] зашел так далеко, что заявил несколько лет назад, что понимание телеономического характера жизни было «центральной проблемой биологии», в то время как Вёзе [1] видел в динамическом характере жизни необъяснимую характеристику, которая требовала отказа от традиционного редукционизма. подходить к предмету и искать, как он выразился, «новую биологию для нового века». Давайте кратко рассмотрим, как можно лучше понять каждую из этих характеристик в свете общей теории.
(a) Динамический характер живых систем
Как поясняет Вёзе [1], живые существа выходят за рамки машинной метафоры: «Машины не состоят из частей, которые постоянно вращаются, обновляются. Организм — это … Организмы. упругие узоры в турбулентном потоке — узоры в потоке энергии ». Вёзе ясно осознавал динамическую природу жизни, но был обеспокоен отсутствием удовлетворительного объяснения в рамках традиционной молекулярной биологии. Давайте теперь покажем, как описание жизни как динамического кинетического состояния материи может помочь решить дилемму Вёзе.
Стабильная популяция реплицирующихся молекул, как обсуждалось ранее, представляет собой динамическое состояние в том смысле, что популяция стабильна, даже если отдельные молекулы постоянно меняются. Конечно, динамическая популяция реплицирующихся молекул РНК не составляет жизнь, так как же динамический характер, который мы описали, проявляется в простой форме жизни, скажем, в бактериальной клетке? Для клеточных репликаторов (скажем, бактерий) динамический характер проявляется на двух уровнях , молекулярном и клеточном.На молекулярном уровне клеточные белки, ключевой компонент всех клеток, постоянно разрушаются и регенерируются как часть клеточного механизма регуляции белков [51]. Как следствие, период полураспада большинства клеточных белков измеряется часами, а некоторые даже минутами, а это означает, что клеточный белок, основной компонент всех живых клеток, эффективно полностью перерабатывается в течение нескольких дней, что служит еще одним примером «молекулярной реакции». фонтан в действии. И, конечно же, на клеточном уровне также имеет место постоянный оборот — новые клетки генерируются посредством деления клеток, в то время как существующие клетки постоянно деградируют.Таким образом, динамический характер живых систем, центральный для их функции и самого существования, становится ясным через описание жизни как динамического кинетического состояния материи. Наконец, интересно отметить, что этот динамический характер также может лежать в основе многоклеточной функции. Например, в головном мозге значительная часть мозговых клеток активизируется в любой момент, и сознание, одно из самых замечательных и интригующих проявлений биологической организации, недавно было приписано очень кратковременным группировкам нейронов, которые находятся в непрерывной динамике. процесс изменений [52].Сообщение становится все более ясным — динамический характер жизненных процессов на любом уровне является центральным для каждого аспекта биологической функции .
(b) Характер жизни, далекий от равновесия
Второй закон учит нас, что системы движутся к своему самому низкому энергетическому состоянию Гиббса. Конечно, по кинетическим причинам системы могут быть на время захвачены в более высокие энергетические состояния (например, газовая смесь водород-кислород), но далеко не равновесное состояние жизни так просто не объясняется.Живые существа постоянно расходуют энергию для поддержания этого далекого от равновесия состояния, и градиенты концентрации ионов нельзя рассматривать просто как (статические) кинетически стабильные состояния. В прошлые годы возможный подход к этому вопросу заключался в реализации теории неравновесной термодинамики [53]. Эта теория смогла объяснить, как спонтанный порядок — так называемые «диссипативные структуры» может возникать в результате воздействия возмущения на систему, находящуюся в состоянии равновесия. Однако этот подход к биологическим системам все чаще подвергался сомнению.Проблема заключалась в том, что моделирование живых систем как диссипативных структур — водоворотов, нагретых жидкостей и т. Д. — не могло дать какое-либо понимание биологической структуры и функций [54]. Как было указано Коллиером несколько лет назад, нет никаких доказательств того, что неравновесная термодинамика применима к биологическим системам нетривиальным образом [55]. Представляется, что внедрение концепции DKS решает эту дилемму. В воспроизводящемся мире стабильность имеет значение не термодинамическая стабильность, а DKS, конечно, в соответствии с требованиями второго закона.Таким образом, живые системы — это высокостабильных сущностей , несмотря на их далекой от равновесия характер, но вид устойчивости — динамический кинетический. И, как обсуждалось выше, ограничение второго закона отвечает за возникновение метаболизма (в смысле накопления энергии) как критического компонента всех живых существ, позволяя комфортно сосуществовать двум видам стабильности, DKS и термодинамической стабильности.
(c) Телеономический характер
Телеономический характер жизни, возможно, является самой поразительной из всех уникальных характеристик жизни.В отличие от неживых существ, все формы жизни, кажется, следуют определенному плану. Как сказал Кауфман [2]: «живые системы являются автономными агентами — они действуют от своего собственного имени». Недавно мы предложили физико-химическое объяснение телеономного характера жизни [42], поэтому здесь этот вопрос не будет подробно обсуждаться. Достаточно сказать, что его центральный элемент основан на описании жизни как динамического кинетического состояния материи. После того, как реплицирующая система приобрела метаболическую способность (накопление энергии) посредством кинетического отбора (с целью повышения ее динамической кинетической стабильности), она эффективно « освобождается » от термодинамических ограничений, и в этот момент реплицирующая система принимает телеономическую функцию. персонаж.Его директива больше не является термодинамической директивой, определяющей так называемое «объективное» поведение, а скорее стремлением к большему DKS, проявление которого интерпретируется и понимается нами как телеономический характер.
(d) Разнообразие
Разнообразие жизни ясно и однозначно. Количество видов, населяющих Землю, оценивается в миллионы, занимая все мыслимые экологические ниши, от полюсов до экватора, от морского дна до высоких слоев атмосферы.Несмотря на явные доказательства разнообразия, дарвиновская модель дает разные объяснения этого разнообразия, от естественного отбора до случайного дрейфа [50], последнее соответствует ранней концепции Спенсера о «нестабильности однородного» [56], и тема остается источником непрекращающихся дискуссий [57]. В этом контексте мы хотели бы добавить идеи, полученные с помощью модели динамической кинетической устойчивости живых систем.
Одно интересное различие между «обычным» химическим миром и репликативным миром заключается в различных топологиях соответствующих пространств.Как мы обсуждали ранее [39], в «регулярном» химическом мире все химические системы направлены к своему термодинамическому стоку, так что топология этого пространства по своей природе сходится (как показано на 2). Напротив, в репликаторном пространстве путь к системам с большей динамической кинетической стабильностью четко не определен. В принципе, любая реплицирующая система может усиливать свой DKS любым количеством различных способов, так что каждая система становится потенциальной точкой разветвления для других кинетически стабильных систем, хотя какие системы смогут поддерживать эту стабильность с течением времени ( i.е. , выжить), это отдельный вопрос. Соответственно, топология репликаторного пространства — дивергентных , и именно эта другая топология дает простое объяснение огромного (и постоянно растущего) разнообразия, которое мы находим в биологическом мире. Таким образом, принцип дивергенции Дарвина, который постоянно обсуждается [57], поскольку он был первоначально предложен Дарвином, получает простое топологическое объяснение. Эта картина конвергентных и расходящихся пространств для двух химических миров также объясняет, как в мире репликаторов мы можем вернуться во времени и искать свои эволюционные корни ( конвергентных , возвращающихся в прошлое), но не можем предсказать будущие эволюционные изменения ( дивергент в будущем), тогда как в «обычном» химическом мире мы можем часто предсказать исход будущих химических реакций ( конвергент в будущем), но не можем указать, как возникли эти реагирующие системы ( дивергент , уходящий в прошлое) [39].
Схема 2
Схематическое изображение топологий преобразований в «регулярном» химическом пространстве (конвергентное) и в репликаторном пространстве (расходящееся).
(е)
Сложность
Большая часть трудностей в объяснении сложности жизни связана с внутренней термодинамической нестабильностью, связанной с организованной сложностью жизни.Почему могут образовываться все более сложные и нестабильные системы? Однако, как только природа стабильности в мире репликаторов проясняется с помощью концепции DKS, проблема сложности, по крайней мере, в отношении ее термодинамических последствий, кажется, в значительной степени решена. Как мы уже указывали, стабильность, которая имеет значение в пространстве репликатора, не термодинамическая, а DKS, и сложность, в первую очередь за счет образования кросс-каталитической сети, способствует такой стабильности. Мы уже отмечали, как два РНК-фермента были способны создавать устойчивую автокаталитическую сеть, в которой ни один фермент сам по себе не обладал такой репликативной способностью [31].
Дополнительный биологический пример может помочь прояснить суть вопроса — функциональность вируса. Упрощенно думайте о вирусе как о двухмолекулярном агрегате — белок + нуклеиновая кислота. В биотической среде вирусы являются очень стабильными объектами (в смысле DKS) в том смысле, что они могут успешно реплицироваться в больших количествах и, таким образом, поддерживать большую популяцию. Однако следует отметить, что высокая кинетическая стабильность достигается за счет кросс-каталитического действия вирусных компонентов. Каждый компонент облегчает копирование другого, i.е. , два компонента репликативно связаны . Однако в той же самой биотической среде ни один компонент , отдельный компонент не будет воспроизведен сам по себе, , то есть , каждый отдельный компонент будет демонстрировать нулевой DKS. Это сложность системы, выраженная в кросс-каталитических отношениях между вирусными компонентами, которые обеспечивают средства репликации, приводящие к высокому DKS системы.
(е)
Гомохиральный характер
Стабильность хиральных систем в «регулярном» и репликаторном пространствах разительно различается.В «обычном» химическом пространстве рацемическая смесь по своей природе более стабильна; хиральный избыток термодинамически нестабилен, и со временем все гомохиральные системы будут иметь тенденцию превращаться в более стабильную рацемическую форму (если игнорировать эффекты агрегации). Однако в репликативном мире, где преобладают кинетические факторы, наблюдается обратная картина. Стереохимическое распознавание имеет решающее значение в биологических процессах, особенно в процессе репликации, так что в репликативном контексте гомохиральность, которая способствует такому распознаванию, является предпочтительным стереохимическим результатом.Другими словами, из-за важности стереохимического распознавания гомохиральные системы демонстрируют на больше ДКС, чем рацемические. Таким образом, тенденция «обычных» химических систем к рацемизации и репликационных систем к гомохиральности становится понятной с точки зрения типов стабильности в двух химических пространствах. В качестве заключительного комментария стоит отметить, что важность автокатализа проявляется не только в , поддерживающем это гомохиральное динамическое кинетическое состояние, но также в , генерирующем его.Реакция Соаи, нарушающая симметрию [58, 59], в которой хиральный продукт может образовываться в почти 100% энантиомерном избытке из ахирального субстрата, объяснима в идентичных терминах. Таким образом, как создание, так и поддержание устойчивых автокаталитических систем происходит из преобладающего влияния кинетических факторов, управляющих этими процессами.
2.3.2. Определение жизни
Единственное неоспоримое утверждение, которое можно было бы сделать относительно попыток определить жизнь, — это сказать, что проблема очень проблематична [60, 61].Тем не менее, рабочее определение важно и формирует основу для текущих попыток преодолеть хотя бы некоторые из трудностей. Как недавно указали Клеланд и Чиба [60], одним из главных препятствий на пути к успешному определению жизни является то, что мы пытаемся определить что-то, чего мы полностью не понимаем. Существует достаточно философских и лингвистических трудностей в определении того, что мы понимаем, так что проблема только усугубляется, когда мы пытаемся определить сущность, сущность которой остается предметом споров, источником бесконечных споров.
Распространение темы эволюции на неодушевленные системы, помогая тем самым преодолеть разрыв между живым и неодушевленным, естественным образом ведет к большему пониманию того, что составляет живая система. Это понимание, в свою очередь, открывает дверь к функциональному определению, которое может избежать по крайней мере некоторых из общепризнанных трудностей, связанных с попытками дать определение жизни в прошлом. Функциональное определение, которое, кажется, преодолевает по крайней мере некоторые из этих трудностей, выглядит следующим образом:
Самоподдерживающаяся кинетически стабильная динамическая реакционная сеть, полученная из реакции репликации .
Обратите внимание, что центральная особенность приведенного выше определения состоит в том, что оно пытается определить химическую сущность жизни, , то есть , то, что жизнь является , а не то, что живые системы делают . Рассмотрим для сравнения широко цитируемое НАСА определение жизни: Самоподдерживающаяся химическая система, способная претерпевать дарвиновскую эволюцию [62]. Тот факт, что определение НАСА страдает рядом недостатков, включая тривиальные исключения (например, бесплодные животные, одиночные кролики), был отмечен и обсужден [60].Но проблема с определением НАСА кажется более фундаментальной. Определение НАСА связано с термином, который сам по себе является биологическим — , «способным претерпевать дарвиновскую эволюцию». В идеале определение жизни, которое стремится поместить живые существа в общий материальный контекст, должно быть отделено от его биологического контекста. Он не должен содержать элементов, которые по своей сути являются биологическими, поскольку до некоторой степени он определяется в терминах самого себя.
В заключение отметим, что приведенное выше определение предполагает, что другие формы жизни могут существовать, по крайней мере, в принципе.Общее определение, которое здесь согласуется с определением НАСА, предполагает, что формы жизни, не связанные с форматом белок-нуклеиновая кислота, как мы его знаем, будут возможны и, вероятно, будут демонстрировать те же феноменологические проявления установленной формы белок-нуклеиновая кислота что нас окружает. Подробное обсуждение этого вопроса выходит за рамки данной статьи.
2.3.3 Дальнейшее понимание общей теории
Давайте теперь укажем на некоторые дополнительные идеи, обеспечиваемые общей теорией помимо описанных выше.Во введении были подняты два основных вопроса: как возникла жизнь? Как бы мы могли синтезировать живую систему? Какое понимание этих ключевых вопросов предлагает вышеупомянутая теория? Давайте сначала обратимся к вопросу возникновения жизни.
Предлагаемая общая теория эволюции не может решить исторический вопрос возникновения жизни из неодушевленной материи. Исторические вопросы могут быть решены только путем раскрытия исторических записей, а для ранних стадий абиогенеза исторические записи отсутствуют или, скорее всего, станут доступными.Ни летопись окаменелостей, ни филогенетический анализ не могут вернуть нас к самым ранним стадиям возникновения жизни. Однако раскрытие физико-химических принципов, которые способствовали бы такой трансформации, должно быть достижимой целью. В конце концов, эти принципы были бы независимы от времени и места и не менее применимы тогда, как и сейчас. Действительно, рассматривая абиогенез и биологическую эволюцию как единый непрерывный физико-химический процесс, мы, по сути, очертили физико-химическую основу, которая способствовала бы такой трансформации.В двух словах, эта структура основана на простой идее о том, что в природе существует особая стабильность, связанная с сущностями, которые могут самовоспроизводиться, вид устойчивости, который мы назвали динамической кинетической стабильностью. Таким образом, автокатализ лежит в основе как абиогенеза, так и эволюции. Как только возникла бы относительно простая самовоспроизводящаяся сущность, будь то одиночная молекула или минимальная молекулярная сеть, стремление к увеличению DKS привело бы к дальнейшему усложнению этой минимальной реплицирующейся системы.Точная химическая природа этого первичного репликатора и его точный путь комплексообразования, исторические факты вряд ли когда-либо будут известны. Это исторические события, похороненные в глубине веков, но, учитывая центральную роль системы нуклеиновых кислот как реплицирующего сердца всех живых систем, может показаться, что либо система нуклеиновых кислот, либо, по крайней мере, одна, тесно связанная с нуклеиновыми кислотами и эволюционирующий из него, были бы вероятными кандидатами. Важно, однако, то, что способ, которым термодинамический репликатор, репликационная реакция которого строго определялась бы термодинамическими ограничениями, был преобразован в далекую от равновесия телеономную реплицирующую систему, собирающую энергию, рассматривается в теории.Можно было бы даже сказать, что этап, на котором термодинамический (нисходящий) репликатор был преобразован в метаболический (собирающий энергию) репликатор, был критическим этапом, скачком. Можно было бы возразить, что это был шаг, на котором неживая химическая система начала приобретать центральную жизненную характеристику — телеономный характер [49], тем самым преодолевая порог, отделяющий одушевленное от неодушевленного.
Как мы можем синтезировать живую систему? Мы, конечно, не можем дать ответ на этот вопрос, но расширенная теория может дать некоторые полезные указатели, особенно в отношении того, что вряд ли будет работать.Во-первых, важно признать, что ключевое различие между жизнью и неживым — это организационная , первая из которых является динамическим кинетическим состоянием материи. Таким образом, живое состояние вызвано динамическим характером биомолекул, из которых построены живые существа. Упрощенная физическая аналогия, которая может уловить этот динамичный характер жизни, — это жонглер, жонглирующий несколькими шарами. Состояние, в котором мужчина стоит рядом с теми же шарами, идентично материально, но существенно отличается в организационном отношении.И так же, как легко преобразовать состояние жонглирования в состояние без жонглирования (сильный толчок жонглера, вероятно, сделает трюк), но труднее перейти в другом направлении, поэтому легко преобразовать относительно от хрупкого динамического состояния, которое есть жизнь, до статического термодинамического состояния, представляющего смерть. Таким образом, стратегия, которая, по нашим прогнозам, будет работать , а не , будет заключаться в простом объединении молекул жизни в некий супрамолекулярный агрегат. Такой агрегат был бы термодинамическим по природе, а не динамическим кинетическим.На основе общей модели, представленной выше, живая система может быть синтезирована путем доступа к репликативному состоянию с относительно простой реплицирующей системой. Как только это репликативное состояние получено, оно может быть изменено и построено, шаг за шагом, гарантируя, что целостная репликационная способность сохраняется на каждом шаге. Опять же полезна аналогия с жонглером. Жонглер, желающий жонглировать 5 шарами, может начать всего с 2 мячей, а затем добавлять дополнительные шары, по одному — шаг за шагом.Простое подбрасывание 5 мячей в мужчину не приводит к состоянию жонглирования. Конечно, приведенные выше комментарии не содержат практических указаний о том, как достичь желаемой цели, и мы не претендуем на то, чтобы предполагать иное. Тем не менее, общая теория эволюции может дать более четкое представление о том, в чем заключаются трудности, тем самым помогая избежать стратегий, которые теория сочла бы проблематичными.
Наконец, в заключение этого раздела мы кратко упомянем противоречие «сначала метаболизм» и «сначала репликация», давний вопрос, лежащий в основе дебатов о происхождении жизни [35, 63].В отсутствие исторических данных, которые могут пролить свет на вопрос о том, началась ли жизнь с появления некоторой реплицирующейся системы, которая затем усложнялась, или с первоначального появления автокаталитической метаболической сети, окончательное решение вопроса представляется маловероятным. Тем не менее, наличие физико-химической модели, которая обеспечивает основу для преобразования неживого в одушевленное, может дать полезную информацию. Как ясно из общей модели, описанной выше, сущность жизни проистекает из уникальных кинетических характеристик, связанных с автокатализом.Это, в свою очередь, предполагает, что все модели возникновения жизни следует анализировать с учетом этого критического элемента. Итак, началась ли жизнь с некой первичной метаболической системы, которая была целостной автокаталитической, как предполагала школа мысли «сначала метаболизм», или с некой самовоспроизводящейся молекулы, как предлагалось школой мысли «сначала репликация»? Подумайте, работа Джойса недавно продемонстрировала, что единственный фермент РНК с составляющими его строительными блоками является плохим репликатором и не может обеспечить устойчивую репликацию.Однако кооперативная кросс-каталитическая система с участием двух ферментов РНК оказалась способной генерировать самоподдерживающуюся систему [31]. Этот ключевой результат предполагает, что как шаблонный автокатализ , так и формирование сети вполне могли быть критическими элементами в возникновении жизни, , скорее всего, тесно синхронизирован . В таком случае мы утверждаем, что дебаты «прежде всего репликация» и «метаболизм прежде всего», как фундаментальный вопрос в дебатах о происхождении жизни, могут больше не иметь реального значения и должны быть заменены промежуточной репликацией . и метаболизм вместе »сценарий .Проще говоря, комплексификация (особого вида, обнаруженного в биологии) не могла бы произойти без репликации, а репликация без комплексификации не могла бы быть . Идея о том, что различие между школами мысли «прежде всего репликация» и «сначала метаболизм» может быть в значительной степени искусственным, была недавно высказана Эшенмозером [64].
Могут ли живущие и неживые следовать одним и тем же правилам? Объединение одушевленных и неодушевленных конструкций природы — ScienceDaily
У живых существ и неодушевленных явлений может быть больше общего, чем считалось ранее.
По крайней мере, так считают инженер Университета Дьюка Адриан Бежан и биолог штата Пенсильвания Джеймс Марден.
По их мнению, эти два мира объединяет теория, согласно которой системы течения — от передвижения животных до образования дельт рек — развиваются во времени, чтобы сбалансировать и минимизировать недостатки. Потоки развиваются, чтобы уменьшить трение или другие формы сопротивления, чтобы со временем они текли легче. Эта точка зрения была названа конструктивным законом, который Бежан впервые высказал 13 лет назад.
С помощью Мардена Беджан считает, что теперь он объединил биологические и геофизические принципы замысла природы через конструктивный закон, который также можно рассматривать как физику эволюции.
«Это захватывающее открытие для физиков, но оно также должно найти отклик у биологов», — сказал Беджан. «Идея о том, что органическая эволюция аналогична способу эволюции формы в неодушевленных системах потоков, является новой концепцией, которая может объединить точки зрения и подходы из разных дисциплин.Мы полагаем, что конструктивный закон предоставляет мощный инструмент для изучения и понимания вариаций как в одушевленных, так и в неодушевленных частях природы ».
Выводы команды были опубликованы в Интернете в журнале Physics of Life Reviews . Он был поддержан Управлением научных исследований ВВС США и Национальным научным фондом.
История началась с того, что два ученых пытались определить, применимы ли одни и те же законы к двум очень разным формам передвижения — плаванию рыб и бегу или полету животных.Среди биологов распространено было мнение, что движение рыб отличается от передвижения других животных. Поскольку они живут в воде, согласно общепринятому мнению, рыбы были другими, потому что они не были подвержены гравитации.
По мнению Бежана, птиц и животных можно было рассматривать как тяжелоатлетов, поскольку их средства передвижения требовали усилий с твердой основой — землей — и безграничной вершиной — воздухом. Он утверждал, что, когда рыба плавает, у нее тоже есть твердое дно — морское дно.Следовательно, вода текла над ними и вокруг них, как воздух над бегунами и летчиками.
Итак, рыбы тоже были тяжелоатлетами, и эти формы передвижения предсказываются конструктивным законом, сказал Беджан.
«Наше открытие того, что передвижение животных подчиняется конструктивному закону, говорит нам, что — даже если вы не можете точно предсказать, как будут выглядеть животные, если вы начнете эволюцию на Земле, или это произойдет на другой планете — с заданной гравитацией и плотностью Из их тканей, те же самые основные узоры их дизайна будут развиваться снова », — сказал Марден.
В многочисленных статьях за последнее десятилетие Беджан продемонстрировал, что конструктивный закон предсказывает конструкцию широкого спектра проточных систем, наблюдаемых в природе, от биологии и геофизики до социальной динамики и эволюции технологий.
«Когда мы думаем об эволюции и Дарвине, большинство людей думают о животных или деревьях», — сказал Беджан. «Это очень плохо, потому что конструктивные особенности присутствуют в природе повсюду. Конструктивный закон можно рассматривать как универсальный принцип эволюции, который применяется во многих областях, от физики до экономики.«
Он описывает закон как анимационный фильм, в котором один экран заменяется другим экраном, на котором токи текут с большей легкостью. Он видит конструктивный закон (http://www.constructal.org) как временное направление фильма, более легкие конфигурации потока (рисунки, рисунки) ».
«Конструктивный закон можно рассматривать как охватывающий все явления« естественного замысла », — сказал Беджан, — как краткое изложение общих наблюдений, лента эволюции, идущая в одном направлении, что можно выразить в физических терминах просто как : время и конфигурация.«
История Источник:
Материалы предоставлены Duke University . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
10.1: Общая характеристика вирусов
Последнее обновление
Сохранить как PDF
Резюме
Авторы и указание авторства
Цели обучения
Укажите 2 живых и 2 неживых характеристики вирусов.
Перечислите 3 критерия, используемых для определения вируса.
Обсудите, почему бактерии можно культивировать в синтетических средах, таких как питательный бульон, а вирусы — нет.
Определите бактериофаг.
Вирусы — это инфекционные агенты, обладающие как живыми, так и неживыми характеристиками. Они могут заражать животных, растения и даже другие микроорганизмы. Вирусы, поражающие только бактерии, называются бактериофагами, а вирусы, поражающие только грибы, называются микофагами.Есть даже некоторые вирусы, называемые вирофагами, которые заражают другие вирусы.
Жизненные характеристики вирусов Неживые характеристики вирусов
Они размножаются с фантастической скоростью, но только в живых клетках-хозяевах.
Они могут мутировать.
Они бесклеточные, то есть не содержат цитоплазмы или клеточных органелл.
Они не осуществляют метаболизм сами по себе и должны воспроизводиться с помощью метаболического механизма клетки-хозяина. Другими словами, вирусы не растут и не делятся. Вместо этого в инфицированной клетке-хозяине синтезируются и собираются новые вирусные компоненты.
Подавляющее большинство вирусов обладают ДНК или РНК, но не обоими сразу.
Недавно вирусы были объявлены живыми существами на основании большого количества белковых складок, кодируемых вирусными геномами, которые являются общими с геномами клеток.Это указывает на то, что вирусы, вероятно, произошли из нескольких древних клеток.
Подавляющее большинство вирусов содержат только один тип нуклеиновой кислоты: ДНК или РНК, но не оба. Репликация вирусов полностью зависит от клетки-хозяина (т.е. они являются строго внутриклеточными паразитами). Кроме того, вирусные компоненты должны собираться в полные вирусы (вирионы), чтобы переходить от одной клетки-хозяина к другой. Поскольку у вирусов отсутствует собственный метаболический аппарат и их репликация полностью зависит от клетки-хозяина, их нельзя выращивать в синтетических питательных средах.Вирусы животных обычно выращивают на животных, в яйцах с эмбрионами или в клеточных культурах, где у животных клетки-хозяева выращивают в синтетической среде, а затем вирусы выращивают в этих клетках.
Сводка
Вирусы — это инфекционные агенты, обладающие как живыми, так и неживыми характеристиками.
Жизненные характеристики вирусов включают способность воспроизводиться — но только в живых клетках-хозяевах — и способность мутировать.
Неживые характеристики включают тот факт, что они не являются клетками, не имеют цитоплазмы или клеточных органелл, не осуществляют метаболизм сами по себе и, следовательно, должны воспроизводиться с использованием метаболического аппарата клетки-хозяина.
Вирусы могут заражать животных, растения и даже другие микроорганизмы.
Поскольку у вирусов отсутствует собственный метаболический аппарат, а репликация полностью зависит от их клетки-хозяина, их нельзя выращивать в синтетических питательных средах.
Авторы и авторство
Изначальная жизнь
Изначальная жизнь Происхождение жизни:
Земная кора стала стабильной около 3,9 миллиарда лет назад. Жизнь появился около 3.От 6 до 3,9 миллиарда лет назад, что довольно быстро в астрономические термины. Микрофоссилии найдены в древних породах Австралии и Южная Африка демонстрируют, что земная жизнь процветала в 3,5 раза. миллиард лет назад. Более старые породы из Гренландии, возрастом 3,9 миллиарда лет, содержат изотопный углерод, углерод, который мог принадлежать только живому организм. Ранняя атмосфера Земли была вторичной атмосферой. от вулканической дегазации, очень CO ₂-богатый с небольшим количеством свободного O ₂.
Земля находится на правильном расстоянии от Солнца для жидкой воды и существовать.Эволюция жизни требует двух элементов; энергия и среда для роста. Солнечный свет служит источник энергии для большей части жизни (противоположный пример — бактерии, которые растет в траншеях океана, питается теплом от термальных источников). Солнечный свет обеспечивает энергию, необходимую для производства продуктов питания (биохимическая энергия хранилище) и молекулярной конструкции (генетический материал, клеточные стенки и т. д.). Косвенно солнечный свет обеспечивает теплую температуру, что означает более высокую скорости химических реакций для простой жизни. Более сложная жизнь требует солнечный свет для зрения и стабильной окружающей среды.
Химическая эволюция :
Жидкая вода обеспечивает универсальный растворитель и теплую среду для химическая эволюция. Это средство для растворенных веществ. (циркулирует). И он обеспечивает сырье для белка строительство.
Когда первобытный суп подвергается воздействию энергии, органические соединения произведено, как показано на Miller-Urey Экспериментируйте.
Аминокислоты мелкие, высокореактивные молекулы, состоящие из 20-30 атомов HCNO. Когда амино кислоты соединяются в нити, из которых формируются белки.Белки управляют скорости химических реакций и образуют структурный материал для клетки части.
Что наиболее важно, при нагревании они могут образовывать микросферы, которые служит для разделения химических реакций и процессов. Проблема в что с обширностью океанов Земли это статистически очень маловероятно, что эти ранние белки когда-либо соединятся. В Решение состоит в том, что огромные приливы с Луны вызвали внутренние приливные бассейны, которые будут регулярно наполняться и испаряться для производства высокие концентрации аминокислот, которые затем соединяются в макромолекулы.
Со строительством больших макромолекул, таких как белки и нуклеиновых кислот, Земля готовится к следующему этапу биохимического эволюция. Живые организмы — высший пример активных иметь значение. Они представляют собой наиболее развитую форму организованной материи. и энергия, которую мы знаем. Они олицетворяют рост, адаптацию, сложность, разворачивающееся разнообразие форм и непредсказуемость. Почти кажущийся классом помимо материи и энергии, бросая вызов законы, порабощающие нормальную материю и энергию.
Каждый организм уникален как по форме, так и по развитию. в отличие физика, в которой изучаются классы идентичных объектов (например, электроны, фотоны), все организмы — это индивидуумы. Более того, коллекции организмов уникальны, виды уникальны, эволюционная история Земли уникальна, вся биосфера уникальный. С другой стороны, кошка — это кошка, клетка — это клетка, там есть определенные закономерности и отличительные черты, которые позволяют организмы, подлежащие классификации.
Каждый уровень биологии имеет новые и неожиданные качества, качества. которые не сводятся к свойствам составных частей, это называется холизмом.Живой организм состоит из большого количества компонентов, сильно различающихся по строению и функциям (сердце, печень, волосы). Тем не менее, компоненты расположены и ведут себя согласованная и совместная мода, как если бы она соответствовала общему согласованному плану. Это наделяет организм дискретной идентичностью, делает червя червь, собака собака.
Ни одно живое существо не выходит изолированно. Все организмы сильно соединены с их неодушевленной средой и требуют постоянного пропускная способность вещества и энергии, а также возможность экспорта энтропия.С физической и химической точки зрения каждый организм сильно не находится в равновесии с окружающей средой. Кроме того, жизнь на Земле представляет собой сложную сеть взаимозависимых организмы удерживаются в состоянии динамического равновесия. Тогда концепция жизни имеет полное значение только в контексте всей биосферы.
Большое количество сложных химических реакций лежит в основе процесс, который мы называем жизнью. Ингредиенты для жизни:
источник энергии
запас питательных веществ (строительных блоков)
саморегулирующиеся механизмы
Первые два критерия были обеспечены условиями раннего Земная среда.Третий критерий был представлен конечной точкой химическая эволюция, где образовались длинные цепи нуклеиновых кислот которые превратились в РНК и ДНК.
РНК и ДНК — это молекулярные коды для производства белков. Они обладают уникальным свойством самовоспроизводства (когда РНК молекула расщепляется, аминокислоты соединяются с конечными точками, производя точная копия оригинальной цепочки). Начало биохимической Эволюция произошла, когда РНК и ДНК эволюционировали, чтобы покрыть себя белком. снаряды.Эти покрытые оболочкой пакеты РНК и ДНК называются вирусами. А вирус находится на полпути между жизнью и неживым, будучи неживым, когда находится в изоляция, но адаптация характеристик жизни во взаимодействии другой вирус или клетки.
Следующим этапом биохимической эволюции было то, что различные вирусы взять на себя специализированные задачи (производство энергии, производство белка, так далее). Эти отдельные элементы объединяются, чтобы сформировать первый клетка. Наши самые ранние свидетельства клеточной жизни получены от окаменелостей. бактерии.
С развитием клеток жизнь претерпела взрывную эволюцию, превратившись в более разнообразные формы, вторгающиеся в новые среды (море, озера, сушу).
Фотосинтез :
Кислород — очень маленький компонент дегазации на Земле, но O ₂ составляет значительную часть нашей нынешней атмосферы (слава Богу). Также обратите внимание, что O ₂ очень реактивен. и быстро соединяется с камнями и почвой с образованием оксидов (ржавчины). Таким образом, текущая сумма O ₂ требует постоянного процесса пополнение.Этот процесс — фотосинтез.
Первые фотосинтезирующие организмы использовали ультрафиолетовый свет в качестве источника энергии. поскольку с коротковолновым светом связано больше энергии, чем с длинноволновый свет (хотите доказательств? не снимайте рубашку на час при пляж). Это произошло около 3,5 миллиардов лет назад, и сразу после этого Побочным продуктом был озоновый слой, который блокирует УФ-свет. Это привело к первое массовое вымирание, гибель всех фотосинтезирующих УФ клеток. Только организмы, которые могли использовать видимую часть спектр выжил = зеленые растения и планктон.
Эволюция :
Биология как наука перешла от аризотитской стадии к Ньютоновский с развитием теории эволюции. Эволюция — это изменение генофонда популяции с течением времени. Ген наследственная единица (микроскопический « атом »), которую можно передать неизменный на протяжении многих поколений. Генофонд — это совокупность всех генов в вид или популяция (макроскопический «объект»).
Английский мотылек, Biston betularia , часто упоминается. пример наблюдаемой эволюции.В этой мотыльке есть два цвета морфы, светлые и темные (типика и карбонария). Х. Кеттлвелл обнаружил что темные бабочки составляли менее 2% популяции до 1848. Затем частота темного морфа стала увеличиваться. К 1898 году 95% бабочек в Манчестере и других промышленно развитые районы относились к темному типу, их частота встречалась было меньше в сельской местности. Численность бабочек изменилась с большей части от светлой моли до в основном темной бабочки. Цвет бабочек в первую очередь определялся одним геном.Итак, изменение Частота появления темных бабочек представляет собой изменение гена бассейн. Это изменение было по определению эволюцией.
Увеличение относительной численности темного типа произошло за счет естественный отбор. Конец восемнадцатого столетия был временем Промышленная революция Англии. Сажа с заводов затемнила березы, на которые высадились мотыльки. На закопченном фоне птицы могли лучше видеть светлых бабочек и съедать их больше. Как в результате больше темных бабочек дожили до репродуктивного возраста и ушли потомство.Большее количество потомства темной ночной бабочки — вот что вызвали их увеличение частоты. Это пример естественного выбор.
Развиваются популяции, а не индивидуумы. Чтобы понять эволюции, необходимо рассматривать популяции как совокупность индивидуумов, каждый из которых обладает различным набором черт. Один организм никогда не бывает типичным для всей популяции, если нет вариации в этой популяции. Отдельные организмы не развиваются, они сохраняют одни и те же гены на протяжении всей жизни.Когда население эволюционирует, меняется соотношение разных генетических типов — каждый индивидуальный организм в популяции не меняется. Например, в предыдущем примере частота черной бабочки увеличилась; то бабочки не превращались из светлого в серый в темный одновременно.
Процесс эволюции можно описать тремя предложениями: Гены мутировать. Отбираются индивидуумы. Популяции развиваются.
Томас Мальтус (1766-1834) был английский священнослужитель, чьи труды о росте населения сильное влияние на теорию эволюции естественным отбором разработан Чарльзом Дарвином и Альфредом Расселом Уоллесом.
В «Очерке принципа народонаселения» (1797 г.) Мальтус заметил: что большинство организмов производит гораздо больше потомства, чем возможно выживать.
Даже когда ресурсов много, размер населения имеет тенденцию увеличиваться геометрически до тех пор, пока население опережает его запасы пищи. Это заставило Мальтуса поверить в то, что бедность, болезни и голод были естественными и неизбежными явление, ведущее к «борьбе за существование».
Эволюция достигла совершеннолетия как наука, когда Чарльз Дарвин опубликовал книгу «О Происхождение видов.»Вклад Дарвина включает выдвижение гипотез образец общего происхождения и предложение механизма эволюции — естественный отбор.
Дарвин прочитал «Принципы геологии» Лайеля и согласился с «Принципами геологии» Лайеля. мнение, что долгосрочные геологические процессы были ответственны за формирование поверхность земли постепенно. Действительно, Дарвин успешно применил униформизм для объяснения развития коралловых рифов.
В теории естественного отбора Дарвина возникают новые варианты. постоянно внутри популяций.Небольшой процент этих вариантов заставляют их носители производить больше потомства, чем другие. Эти варианты процветают и вытесняют своих менее продуктивных конкурентов. В эффект многочисленных случаев отбора приведет к появлению вида изменяется с течением времени.
Выбор :
Некоторые типы организмов в популяции оставляют потомства больше, чем другие. Со временем частота более плодовитого типа будет увеличивать. Разница в репродуктивной способности называется естественной. выбор.Естественный отбор — единственный механизм адаптивного эволюция; определяется как репродуктивный успех классов генетические варианты в генофонде.
Естественный отбор можно разбить на множество компонентов, из которых выживание только одно. Сексуальная привлекательность очень важна. компонент отбора, настолько, что биологи используют термин половой отбор, когда они говорят об этом подмножестве естественного отбора. Половой отбор естественен отбор, основанный на факторах, способствующих спариванию организма успех.
Три примера выбора показаны перед стабилизирующим, разрушительным и направленный. Черные точки — это особи, которые вымирают раньше передавая свои гены. Стабилизация устраняет крайности распределение признаков. Примером может служить вес человека при рождении. Смертность при рождении наиболее высока на обоих концах обычного периода. кривая распределенного диапазона размеров при рождении, что позволяет сохранить массу тела при рождении постоянный и близкий к среднему. Направленный выбор произойдет, если предпочтение отдается особям, находящимся на одном конце нормально распределенной кривой.Подрывной отбор произошел бы, если бы отбор одновременно благоприятствовал людей на обоих концах кривой, что приводит к тенденции к кривая станет бимодальной. Пример — бабочки, в котором самки существуют в нескольких морфах, некоторые из которых напоминают два других вида, которые являются ядовитыми. Промежуточные бабочки нет получить преимущество мимикрии и, следовательно, с большей вероятностью стать жертвой на. Новый вид расходится с родительским видом как небольшой изолированный Население. Согласно градуалистской модели, виды произошли от общего предка все больше и больше расходятся по морфологии по мере того, как они приобретают уникальные приспособления.По мнению сторонников акцентированного модели равновесия, новый вид изменяется больше всего по мере роста родословной родителей, а затем мало что изменит для остальной существование.
Эволюция человека :
Большая часть эволюции человека связана с физической эволюцией, культурной эволюцией. играет довольно незначительную роль вплоть до верхнего палеолита, 40 000 лет назад. тому назад. Прото-люди, гоминиды, были ограничены и направлялись одним и тем же эволюционное давление, поскольку другие организмы делили экосистему с участием.
Около 13 миллионов лет назад у приматов, живущих на деревьях, появилось:
стереоскопическое зрение.
высокая мобильность (вертикальное положение)
большие пальцы рук
Вертикальная ходьба стала ответом на изменения окружающей среды в Восточной Африке. в то время тропические леса превращались в степи из-за глобального погодные изменения. Вертикальная стойка — это характеристика выживания. над высокой травой. Около 3,5 миллионов лет назад наш первый прямой появился предок, Australopithecus africanus, лучший ископаемый образец которого следует ниже.Этот примат в конечном итоге превратился в Homo Sapian. Обратите внимание, что IQ не было ранней чертой гоминидов. Емкость мозга увеличена до обрабатывать более сложную визуальную информацию и за счет увеличения физический размер тела. Побочная выгода от увеличения размера мозга была 1) выгода из опыта (память / обучение) и 2) способность выбирать между альтернативами (рассуждение). Обе эти новые возможности привести к навыкам, необходимым для управления окружающей средой (инструменты).
Эта иллюстрация сравнивает череп самки гориллы, Australopithecus africanus и Homo sapiens.Темная область на внизу черепа находится большое затылочное отверстие, отверстие, через которое позвоночный столб проходит. Занимает передовую позицию в австралопитеках. черепа, явный признак того, что они были двуногими. Отметим также, что как форма челюсти, так и зубы австралопитеков очень похожи на современных людей. Австралопитеки не имеют прямоугольную челюсть или большие клыки обезьяны.
Идея о том, что человек первым развил большой мозг, пропагандировалась в большинстве 20-го века знаменитой пилтдаунской мистификацией.Когда на самом деле большинство физических атрибутов человеческого облика (прямое ходьба, строение челюсти и зубов, формирование таза и ног) были раньше размер мозга эволюционировал.
Наше нынешнее представление о генеалогическом древе человека показано ниже, чье истоки лежат на африканском континенте, затем распространились по глобус. Мы также знаем, что каждый живой человек является прямым потомком одинокой женщины Homo Sapian, жившей в Африке 150 000 лет назад. (т.е.Ева) на основе сопоставления ДНК из клеточных митохондрий в люди по всему миру.Обратите внимание, что наш последний общий предок с обезьяны — это Australopithecus ramidus, около 5 миллионов лет назад. Также обратите внимание, что многие виды Australopithecus и Homo в настоящее время вымерший.
Что было последним?
В тот момент, когда ранний Homo Sapian развил язык, появилась новая форма началась эволюция. Нормальная эволюция унаследовала черты передается генами. Значит, птица умеет строить гнездо благодаря унаследованное обучение. Однако теперь язык позволяет передавать информация поведенческими средствами, в процессе обучения и преподавания.Хотя мы, люди, генетически наделены основными биологическими императивов, наше сложное культурное поведение должно быть изучено и язык — это символический способ общения, связанный с это обучение.
Основная предпосылка здесь заключается в том, что культура имеет некоторые преимущества для выживание наших предков, поэтому естественный отбор благоприятствует генам несет ответственность за такое поведение. Информация о ДНК передается только от от индивидуума к индивиду, но культурная эволюция активна, включает всю жизнь обучения и может передаваться от одного человека многим.Культурная эволюция с ее глобальным характером становится отличительной чертой характеристика человека.
Есть ли там жизнь?
Возможно, самым важным открытием, которое могло бы сделать человечество, было бы открытие жизни за пределами Земля.
Поиск жизни за пределами Земли фактически начинается на Земле с исследование метеоров. Обнаружены углистые хондриты. содержать органические молекулы, белки и аминокислоты. Что интересно, есть равное количество левосторонних и правосторонних аминокислот в метеоры, тогда как на Земле все аминокислоты левовращающие.На Земля это связано с тем, что химическая эволюция устранила все правые макромолекулы. Таким образом, аминокислоты в метеорах должны представляют собой образцы с ранних стадий Солнечной системы до химическая эволюция.
Миссиями Аполлона было возвращено более 800 фунтов лунного грунта. Все из него было проверено на наличие органических материалов. Единственный найденный углерод был в карбид, CH ₄ или CO, без аминокислот или белков. В бомбардировка лунной поверхности частицами высоких энергий, вероятно предотвращает образование макромолекул и разрушает те из прежних времен.
Миссия «Викинг» разместила на Марсе два посадочных модуля, каждый из которых содержал три эксперимента по поиску жизни:
Пиролитическое высвобождение — эксперимент по проверке фотосинтеза, где небольшое количество марсианской почвы было помещено в газ CO ₂ с использованием углерода-14, какое-то время горит, затем запекается. Если живые организмы проглатывают CO ₂, тогда почва будет содержать следы изотопа.
Этикетка релиза — эксперимент по поиску метаболизма, где небольшая количество марсианской почвы увлажнено питательными веществами, помеченными углерод-14.Если бы живые организмы существовали, они бы выделяли углерод-14. как отходы.
Газообмен — эксперимент по проверке дыхания, где образец почвы получает питательные вещества в контролируемой атмосфере. В атмосфера отслеживается на предмет изменений.
Первые два эксперимента показали быстрые изменения в марсианской почве, но слишком быстро для большинства жизненных процессов. Марсианская почва богата оксидами, и реакции наблюдаются там, где химические по природе.
Парадокс Ферми (т.е. Где они?) :
История гласит, что однажды, в 1940-х годах, группа ученых-атомщиков, включая знаменитого Энрико Ферми, сидели и разговаривали, когда Тема обратилась к внеземной жизни. Предполагается, что Ферми тогда спросил: «Итак? Где все?» Он имел в виду: если есть все эти миллиарды планет во Вселенной, способных поддерживать жизнь, и миллионы разумных видов там, тогда почему никто не побывал на Земле? Этот стал известен как парадокс Ферми.Ферми понял, что любая цивилизация со скромным количеством ракетных технологий и нескромное количество имперских стимулов могло быстро колонизировать всю Галактика. В течение нескольких миллионов лет каждая звездная система могла бы оказаться под угрозой. крыло империи. Несколько миллионов лет могут показаться долгими, но на самом деле это довольно короткий по сравнению с возрастом Галактики, который составляет примерно десять тысяч миллион лет. Колонизация Млечного Пути должна быть быстрым упражнением.
Ферми сразу понял, что у пришельцев было больше, чем достаточно времени, чтобы наполнить Галактику своим присутствием.Но оглядываясь вокруг, он не видел никаких явных указаний на то, что они на свободе. Это побудило Ферми, чтобы спросить, что было (для него) очевидным вопросом: «где все?»
В то время как межзвездные расстояния огромны, возможно, слишком велики, чтобы их удалось преодолеть. живые существа с конечным сроком жизни, это должно быть возможно для продвинутых цивилизация для создания самовоспроизводящихся автономных роботов для колонизации Галактика. Идея самовоспроизводящегося автомата была предложена математиком Джон фон Нейман в 1950-х годах.Идея в том, что устройство может 1) выполнять задачи в реальном мире и 2) копировать себя (как бактерии). В Самый быстрый и дешевый способ исследовать и узнать о Галактике — это построить зонды Брейсвелла-фон Неймана. Зонд Брейсвелла-фон Неймана просто полезная нагрузка, представляющая собой самовоспроизводящийся автомат с интеллектуальным программа (AI) и планирует построить больше себя. Прикрепленный к базовой силовой установке, такой как Bussard RamJet (показан выше), такой зонд мог перемещаться между звездами в очень медленном темпе.Когда это достигает целевой системы, находит подходящий материал (например, астероиды) и делает копии самого себя. Рост количества зондов будет происходить по экспоненте. а Галактику можно будет исследовать через 4 миллиона лет. Хотя на этот раз кажется долгим по сравнению с эпохой человеческой цивилизации, помните, что Галактика возрастом более 10 миллиардов лет и любая из прошлых внеземных цивилизаций могла исследовали Галактику 250 раз. Таким образом, возникает вопрос, так ли просто построить Брейсвелла-фон Неймана? зонды, и они были так давно в прошлом, где инопланетяне или по крайней мере, свидетельства их прошлых исследований (старые зонды).Итак, парадокс Ферми становится не только там, где Они, но и почему мы не можем их слышать и где их зонды Брейсвелла-фон Неймана? Если учесть количество времени, в течение которого Галактика находилась вокруг (более 10 миллиардов лет) и скорость технического прогресса в нашей культуры, то более важным моментом является то, где находятся все сверхпродвинутые инопланетные цивилизации. Русский астрофизик Николай Кардашев предложил полезная схема для классификации продвинутых цивилизаций, он утверждает, что инопланетяне обладает одним из трех уровней технологии.Цивилизация I типа — это похожий на наш, тот, который использует энергетические ресурсы планеты. А Цивилизация II типа будет использовать энергетические ресурсы звезды, такие как Сфера Дайсона. Цивилизация III типа будет использовать энергетические ресурсы. целой галактики. Цивилизацию III типа легко обнаружить, даже на огромных расстояниях.
Поначалу это звучит немного глупо. Тот факт, что пришельцы не кажутся прогулка по нашей планете очевидно подразумевает отсутствие внеземных где-нибудь на огромных просторах Галактики.Многие исследователи считают это быть радикальным выводом из такого простого наблюдения. Конечно есть прямое объяснение тому, что стало известно как Ферми Парадокс. Должен быть какой-то способ объяснить наше кажущееся одиночество в Галактика, которую мы предполагаем, заполнена другими умными существами.
Возможные решения парадокса Ферми делятся на следующие категории:
Их не существует
Мы первые, в Галактике жизнь нова
Жизнь в Галактике нова, эволюция требует времени, мы первая цивилизация.Проблема: Солнце средняя звезда, если бы другие звезды сформировались на миллион лет раньше нас, то они были бы на миллион лет впереди нас в технология.
Планеты с подходящими условиями встречаются редко
Планетарные системы — редкость
Жилые зоны, подходящие для жидкой воды от звезды, узкие
Галактика — опасное место (гамма-всплески, удары астероидов и т. Д.)
Система Земля / Луна уникальна (для молекулярной эволюции необходимы большие приливы)
Жизнь редка
Life’s Genesis — редкость
Разведка / Инструментальное производство — редкость
Язык уникален для людей
Технологии / Наука не неизбежны
Они здесь
Они были здесь и оставили улики
НЛО, древние астронавты, инопланетные артефакты: все подпадают под заголовок предложений, что инопланетяне здесь сейчас или были здесь в недавнем прошлом.Проблема: свидетельство инопланетян не существует.
Они мы
Люди — потомки древних инопланетных цивилизаций. Проблема: где настоящие инопланетяне? Где все остальные инопланетные цивилизации
Зоопарк / Сценарий запрета
Пришельцы здесь, и они держат нас в хорошо спроектированном зоопарке (отрезанные от всех контактов) или существует договор о запрете контактов с молодыми расами (нами).Проблема: в сценарии отсутствует возможность быть проверенным. Требуется только один инопланетянин, чтобы нарушить эмбарго.
Они существуют, но еще не общались
Они не успели до нас добраться
Скорость света снижает уровень коммуникации, относительность делает космические путешествия долгими. Сообщение ET не может добрались до нас. Проблема: Галактика существует уже миллиарды лет, даже если одна инопланетная цивилизация сформировала За несколько миллионов лет до нас Галактика будет заполнена зондами Брейсвелла-фон Неймана.
Они сигнализируют, но мы не умеем слушать
ЭМ излучение, гравитационные волны, экзотические частицы — все это примеры методов передачи сигналов. Проблема: они могут использовать методы, которые мы еще не изучили, но если существует много цивилизаций, кто-то будет использовать методы ЭМ.
Берсерки
Галактика заполнена роботами-убийцами, ищущими сигналы. ET держится на низком уровне. Проблема: где берсерки, идущие за нами?
У них нет желания общаться
Инопланетянин не заинтересован в разговоре с низшими существами.Проблема: с миллионами возможных цивилизаций у кого-то есть любопытство.
Они развивают другую математику
Математика — универсальный язык. Но человечество может иметь уникальную математическую систему, которую инопланетяне не могу понять. Проблема: где же тогда их непонятные сигналы?
Катастрофы
Цивилизации имеют ограниченный срок жизни. Все они мертвы.
Перенаселение
Наноботы -> Проблема с серой слизью
Физика опасных частиц
В общем, решение парадокса Ферми сводится к 1) трудному началу жизни и развиваться (либо сложно для процесса, либо трудно найти подходящие условия) или 2) продвинутый цивилизации уничтожают себя в короткие сроки.