Симметрия, асимметрия и диссимметрия в структуре и развитии живой материи

Актуальность темы

настоящего исследования обусловлена необходимостью дальнейшей разработки общенаучных категорий симметрии и асимметрии, в которых осуществляется диалектическое единство философского и конкретно-научного содержания, а также введения категории «диссимметрия» в научно-исследовательскую практику, как философскую, так и конкретно-научную. Понятие диссимметрии упоминается вскользь, порой вместо асимметрии, а если употребляется правильно, то без достаточной методологической нагрузки. Категория диссимметрии фактически не введена в широкий научный оборот. Последнее обстоятельство подтверждается отсутствием данной категории в словарях и справочной литературе.

Как будет показано в данном исследовании, учение о симметрии и, в особенности, принцип симметрии, разработанный В. И. Вернадским и его последователями, внесли существенные изменения в общенаучную картину мира, сформировали новый образ научного мышления. Современная наука не только подтвердила мысли Л. Пастера и В. И. Вернадского о том, что диссимметрия является важным признаком жизни, но и обнаружила ее в строении элементарных частиц, что только подчеркивает наряду с принципом симметрии универсальность диссимметрии. Диссимметрия в природе имеет поистине космическое значение и широкий размах. С ней связаны медицина (действие Dи L-лекарств, лечение дефектов речи), биология (исследование диссимметризации живого вещества биосферы в ходе его эволюции), химия (учение о пространственном строении и изомерии органических и неорганических молекул), кристаллография (Dи L-кристаллы), физика (обнаружение неодинаковой встречаемости Dи L-форм ряда элементарных частиц), математика (учение о Dи L-системах координат и векторов, Dи L-парах прямых и т. д.), философия (проявление правизны и левизны, видов симметрии на различных ступенях развития материи).

Учение о диссимметрии развивалось параллельно с принципом симметрии, позволяющим раскрыть сущность самоорганизации и развития жизни, но в отличие от него имело не общенаучное, а чаще всего конкретное дисциплинарное направление. Исследование диссимметрии жизни, занимавшей умы многих ученых со второй половины XIX века до второй половины XX века, пережило полувековой застой. Поэтому необходимость разработки целостного анализа, где раскрывалась бы общая картина диссимметрии жизни как важной сферы познания, осознается особенно остро по мере накопления частных знаний. Следует отметить, что не определен и статус понятия диссимметрии.

Диссимметрия не может существовать без симметрии, она как некая разновидность симметрии подразумевает различные формы проявления симметрии в живой природе. Каковы функции диссимметрии? Какие преимущества она дает живой природе? Нерешенность этих и ряда других вопросов делает настоящее исследование актуальным.

Степень разработанности. Поиск новых форм симметрии интуитивно связан со стремлением к гармонии, порядку. Выдающиеся русские ученые М. В. Ломоносов, А. В. Гадолин, Е. С. Федоров, Ю. В. Вульф, пользуясь понятием симметрии, разработали учение о формах и структуре кристаллов. В 1830 году И. Ф. Гессель и независимо от него русский ученый А. В. Гадолин (1867 г.) установил существование 32 видов симметрии для конечных кристаллографических фигур. Спустя некоторое время Е. С. Федоров (1890г.) вывел 230 групп симметрии бесконечно протяженных кристаллических систем, а само определение симметрии связал с такими преобразованиями фигуры, которые переводят ее в себетождественное состояние. В 1912 году М. Лауэ открыл рентгенографический метод прямого определения структуры кристаллов. Только в XX в. химик Ф. М. Егер в Гронингене, в Голландии, и профессор Г. В. Вульф (1863−1925) в Москве дали сводку многочисленных, но большей частью случайных наблюдений для симметрии живого вещества, т. е. животных и растений, сводку проявлений геометрических свойств их тела.

Проблема правого и левого, связанная с одним из видов симметрии, была разработана немецким ученым В. Людвигом в книге «Проблема правого и левого в животном мире и у человека», которая вышла в свет в 1932 году. Биолог О. Браве (1811−1863) заложил основу геометрического учения о симметрии кристаллов и в то же самое время выяснил по существу иной характер симметрии организмов по сравнению с кристаллами. Этот французский ботаник и кристаллограф в середине XIX века впервые рассмотрел симметрию как проявление, общее для живой и косной природы. Он стремился создать учение о симметрии, исходя одновременно из строения растений, минералов и геометрических многогранников. О. Браве для объяснения симметрии ввел следующие понятия: элементы симметрии, ось симметрии, центр симметрии и плоскость симметрии. Но работа выдающегося геометра и натуралиста была прервана в самом разгаре неизлечимой болезнью, и начатое дело было забыто до начала XX века.

Таким образом, в XIX в. появились первые труды, посвященные симметрии растений (французские ученые О. П. Декандоль, О. Браве), животных (немецкий ученый Э. Геккель), биогенных молекул (французские ученые А. Бешан, JL Пастер и др.). В XX в. биообъекты изучались с позиций общей теории симметрии (советские ученые Г. В. Вульф, В. А. Беклемишев, Б. К. Вайнштейн, голландский физхимик Ф. М. Егер, английские кристаллографы во главе с Дж. Берналом), и учения о правизне и левизне (советские ученые В. И. Вернадский, В. В. Алпатов, Г. Ф. Гаузе и др.- немецкий ученый В. Людвиг). К решению проблемы симметрии обращались ученые разных стран: Егер «Лекции о принципе симметрии и его приложениях к естествознанию», Николь «Симметрия и ее приложения», Д Арси Томсон «О росте и форме», Хембидж «Динамическая симметрия» и т. д.

В трудах академиков А. В. Шубникова, Н. В. Белова, Л. Д. Ландау, профессоров А. И. Китайгородского, А. А. Абрикосова, И. М. Халатникова, Я. А. Смородинского, А. П. Терентьева, Е. И. Клабуновского и других рассматривается принцип симметрии. Л. Д. Ландау исследовал механизм образования регулярных структур в сильно неравновесных системах.

Общенаучные категории симметрии и асимметрии разрабатывались в философской литературе в работах B.C. Готта, Ф. М. Землянского,.

A.Ф. Перетурина, Н. П. Депенчук, И. Д. Акопян, О. П. Азынчаковой, Н. Ф. Овчинникова, Ю. А. Урманцева, Н. О. Османова. В работах Н. П. Депенчук,.

B.И. Жога, С. П. Поздневой они подробно изучались в контексте функций общенаучных категорий. Рядом ученых: B.C. Готтом, Н. Ф. Овчинниковым, Ю. А. Урманцевым, Н. П. Депенчук, Н. О. Османовым, Ф. М. Землянским,.

C.П. Поздневой был сделан диалектико-материалистический анализ взаимосвязи понятий симметрии и асимметрии. В философской литературе исследовались гносеологические функции симметрии (И.Д. Акопян,.

A.И. Никонов), взаимосвязь данных понятий с понятиями структуры и инвариантности (Н.Ф. Овчинников), линейности и нелинейности (B.C. Готт,.

B.И. Жог), со свойствами пространства и времени (В.И. Жог). Изучалась роль принципа симметрии при рассмотрении проблемы происхождения и развития жизни (Т.А. Хоменко, Р.С. Карпинская).

Цель исследования состоит в раскрытии методологического значения категорий симметрии, асимметрии и диссимметрии при рассмотрении проблем строения, происхождения и эволюции живой материи.

Объект исследования: единство симметрии, асимметрии и диссимметрии жизни как природный феномен.

Предмет исследования: системные аспекты взаимоотношений симметрии, асимметрии и диссимметрии в живой материи.

В соответствии с целью, объектом и предметом исследования были сформулированы следующие задачи:

1. Проанализировать этапы развития понятий симметрии и асимметрии от античности до наших дней;

2. Провести экспликацию этих понятий;

3. Раскрыть содержание и сущность категории «диссимметрия»;

4. Установить место категории диссимметрии в системе научных и философских категорий;

5. Проанализировать роль категорий симметрии и диссимметрии в раскрытии эволюции материи и выявить характер связи «симметрия-диссимметрия» в диалектике живой материи (природы);

6. Рассмотреть проблему происхождения и развития живого в свете понятий симметрии и диссимметрии.

Теоретико-методологической основой диссертационного исследования являются диалектические принципы всеобщей связи и развития, диалектическое понимание целостности, гармонии, тождества и различия, теоретико-познавательные принципы конкретности истины, диалектического единства общего и единичного, формы и содержания, принцип системности. В диссертации применяются и общенаучные принципы синергетики. В качестве теоретической основы диссертации используются разработки методологии и философии науки, а также результаты исследований естественных наук отечественных и зарубежных ученых.

В исследовании применяются методы системного анализа, аналогия, экстраполяция, сопоставления и противопоставления различных точек зрения с целью выявить значимость явлений симметрии, асимметрии и диссимметрии в структуре и эволюции живой материи.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

— представлены основные этапы формирования и развития понятий симметрии и асимметрии: от первых натурфилософских, идеализированных образов, эстетических понятий гармонии, совершенства, уравновешенности, пропорциональности, от математических симметрий до общенаучных категорий симметрии и асимметрии;

— определены содержание и объем понятий симметрии, диссимметрии и асимметрии, выявлен их интегративный характерраскрыто философско-методологическое значение этих понятий в сфере биологического познания;

— разрабатывается классификация видов симметрии и асимметрии, встречающихся в живой природе, с краткой характеристикой и примерами, расположенных в порядке их распространенности и важности;

— показана значимость диссимметрирующего фактора в зарождении жизни, эволюции живой материи и выявлен реципрокный характер связи «симметрия — диссимметрия» в диалектике живой материи;

— выявлена в результате анализа многообразных форм живых организмов взаимосвязь между элементами и формами симметрии биологических тел.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Диссимметрия — это противоречивое единство симметрии и асимметрии, обозначающее некоторый упорядоченный отход от симметрииэто асимметрия внутри симметрии и наоборот. Центральной объяснительной абстракцией является понятие симметрии, указывающее на равновесное состояние, согласованность в структурах и движениях материальных объектов и явлений. Асимметрия есть противоречащее симметрии понятие, характеризующее утрату элементов симметрии вплоть до полного исчезновения симметрии и показывающее доминирование только одной конфигурации.

2. При познании биологических явлений и процессов важно учитывать как виды симметрии, общие для живой и неживой природы: спиральная, трансляционная (переносная), поворотная и симметрия подобиятак и виды симметрии и асимметрии, характерные для живой природы: криволинейная симметрия, флуктуирующая асимметрия, билатеральная симметрия, винтовая симметрия, комбинированная симметрия, обобщенная симметрия, вторичная асимметрия, биохимическая асимметрия, вторичная симметрия и т. д. Учет этих особенностей живого позволяет углубить понимание его структурных и эволюционных оснований.

3. Связь «симметрия — диссимметрия» в диалектике живой материи носит реципрокный характер.

4. Диссимметрия играет роль определяющего фактора в зарождении жизни, а вместе с тем и в эволюции живой материи.

5. Между элементами и формами симметрии биологических тел существует взаимосвязь: чем проще элементы симметрии (ось, центр, плоскость симметрии), тем они больше дают вариантов симметрии и, наоборот, чем сложнее элементы симметрии (кривые линии, кривые поверхности), тем меньше они образуют вариантов симметрии.

Теоретическая и практическая значимость исследования определяется самим междисциплинарным характером диссертации, поскольку в ней пересекаются историко-научные, биолого-химические и собственно философские аспекты. Результаты данного исследования имеют теоретическое и методологическое значение для философии науки, решения проблемы соотношения симметрии — диссимметрии в ходе эволюции. Результаты философского анализа универсального принципа симметрии позволяют на этой основе решить ряд методологических проблем и тем самым показать эвристическое значение философии для естественнонаучного познания.

Научно-практическая значимость диссертации заключается в генерализации результатов различных философских и научных исследований. Основные положения диссертации могут быть использованы в учебном процессе при преподавании курсов философии и методологии науки, учебного курса «Современные концепции естествознания» и в разработке спецкурсов по философским вопросам естествознания. Полученные результаты могут использоваться при исследованиях геометрических и динамических биосимметрий в живых системах.

Апробация работы. Основные положения диссертации изложены в научных публикациях автора. Некоторые идеи, лежащие в основе диссертации, были использованы при проведении семинарских занятий на биологическом и физическом факультетах Казанского государственного педагогического университета (КГПУ). Результаты исследования обсуждались и были одобрены на заседании кафедры философии КГПУ.

Результаты исследования освещались на межвузовских научных конференциях Казанского государственного университета: «Идеалы „Пайдейи“ в Евразийских реалиях начала XXI века» (2002 г.) и «Человек в виртуальном мире» (2003 г.), на Всероссийской научно-практической конференции.

Современная этика: российская реальность и прогнозы" (Институт экономики, управления и права, 2003 г.), на межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы гуманитарного и профессионального знания» (Нижнекамский филиал Московского гуманитарно-экономического института, 2004), на четвертом международном симпозиуме «Феномены Природы и Экология Человека» (Казань, 2004).

На основе материалов исследования опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух глав, четырех параграфов, заключения и библиографии. Объем работы 178 страниц машинописного текста, из которых 14 страниц составляет список литературы, включающий 157 наименований.

Заключение

.

Мышление человека от структурного представления о симметрии постепенно перешло к симметрии законов природы, благодаря чему появилась возможность познания вещей в их возникновении, изменении, развитии и превращениях. Принцип симметрии помогает найти в самой живой структуре источник ее самодвижения, саморазвития, позволяет глубже вскрыть специфику живого, подвергнуть анализу самые различные стороны структуры. Принцип симметрии, имеющий универсальный характер, также лежит в основе теории относительности, квантовой механики, физики твердого тела, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц, наиболее ярко выражается в свойствах инвариантности законов природы.

Начиная с античности, понятиям симметрии и асимметрии придавалось большое значение. Пифагорейцы выделяли математический аспект симметрии, атомисты называли ее первопричиной вещей, определенностью формы, Платон считал воплощением особой математической идеи, Аристотель отождествлял с гармонией, соразмерностью и понимал под ней слаженность вещи. В Новое время были углублены математические представления о симметрии. Леонардо да Винчи через симметрию передавал эстетическое содержание своих произведений, Рене Декарт ее истолковал как пространственный аспект соразмерности, Д. Дидро отождествлял ее с понятиями порядка, пропорциональности и применял при изучении эстетики.

Представитель немецкой классической философии Г. Гегель симметрию трактовал как взаимосоответствие неравных частей. И. Кант единство и различие правых и левых объектов связал с априорным пространством.

На рубеже XVI—XVII вв.еков понятийный аппарат для исследования симметрии разделился на философские категории и частнонаучные понятия. П. Кюри распространил понятие симметрии на изучение физических явлений и одним из первых симметрию стал рассматривать как состояние пространства, где происходит данное явление. В изучение симметрии растений большой вклад внес О. П. Декандоль, симметрии беспозвоночных — В. Н. Беклемишев, специфичности симметрии биологических форм — Г. В. Вульф, строения животных в различные периоды истории Земли — Д. Наливкин. В. И. Вернадский диссимметрию рассматривал как одно из основных свойств жизни.

Любая система состоит из компонентов, соотносящихся между собой различным способом, например, путем иерархической соподчиненности. По мере усложнения системы усложняется и ее диссимметрия. Индивидуальные живые системы, да и жизнь (биосфера) в целом устойчиво неравновесны, что является одним из основных отличий живого от неживого. Система должна иметь оптимальную диссимметрию, так как ни чрезмерная активность систем, обладающих значительной асимметрией, ни высокая симметричность, порождающая пассивность, не способствуют восходящему развитию. Если симметрия скорее присуща неживой материи, «неживому» пространству, то диссимметрия и асимметрия связаны с живой материей и биологическим пространством-временем.

Единство симметрии и диссимметрии проявляется на всех уровнях живого: начиная со строения белков и других веществ, составляющих протоплазму, кончая биосферой в целом. Но структура материальных тел, как и свойства симметрии-диссимметрии, различны на разных уровнях строения материи. Понятия симметрии и диссимметрии используются для характеристики различных сторон процесса развития — его равномерности и неравномерности, направленности в развитии, для отражения моментов сохранения и изменения, моментов повторяемости и неповторяемости и т. д. В живом симметрия и асимметрия выступают как неразрывное противоречивое единство, как проявление закона единства и борьбы противоположностей. В понятии симметрии движение и сохранение являются взаимодополняемыми, взаимоопределяемыми моментами. Единство симметрии-асимметрии и преобладание диссимметрии для конкретных тел и явлений выражаются в единстве однородности-неоднородности, изотропности-анизотропности и др.

Понятие симметрии по сравнению с понятиями однородности и неоднородности является более абстрактным. Последние, наряду с порядком и беспорядком, гармонией и дисгармонией, пропорциональностью и непропорциональностью, составляют лишь разные стороны более широких понятий симметрии и асимметрии.

Категории симметрии и асимметрии связаны со многими другими диалектическими категориями, такими как структура материи, количество и качество, движение и развитие и др. Философские и общенаучные категории: тождество и различие, прерывность и непрерывность, инвариантность и неинвариантность, организация и дезорганизация, сохранение и изменение, родственны понятиям симметрии и асимметрии, однопорядковы, но не тождественны. Понятия симметрии и асимметрии широко используются как в физике, химии и биологии, так и в философии. Например, в химии и биологии на передний план выступает диссимметрия, как определенное уклонение от симметрии, свойственная живым организмам на молекулярном и морфологическом уровнях их структурной организации. В философском плане симметрия выступает как особый вид структурной организации объектов и ритм их изменения. С одной стороны, симметрия существует как единство тождества и различия, с другой стороны, трактуется как единство сохранения и изменения.

В ходе эволюции живой материи доминирует диссимметрия, хотя ведущей иногда выступает либо симметрия, либо асимметрия. Разнообразием симметрии отличаются простейшие беспозвоночные, но уже многоклеточные беспозвоночные бывают только радиально и билатерально симметричными. Активный образ жизни простейших (вращательное движение при плавании) сказывается на форме симметрии, двусторонняя симметрия приближена к диссимметрии (фораминиферы, жгутиконосцы и т. д.). В связи с совершенствованием классов беспозвоночных исчезают некоторые элементы симметрии, уменьшается повторяемость частей. Эволюция симметрии форм органического мира от симметрии шара в трехмерном пространстве через радиальную симметрию (неподвижные формы, прикрепленные к земле) шла к двусторонней (формы, двигающиеся прямолинейно).

Симметрия и диссимметрия органических форм не являются постоянными, а претерпевают целый ряд изменений в ходе филогенеза и онтогенеза. Общее развитие живого в процессе эволюции сводится к постепенному обеднению в их организации элементов симметрии. Симметрия и диссимметрия отдельных органов (частей) носят относительно самостоятельный характер. По мере усложнения организованности материи — по крайней мере, химической и биологической — проявляется тенденция к снижению симметрии соответствующих объектов. В процессе эволюции в организме идет постоянный процесс асимметризации наряду с процессом симметризации. Благодаря единству этих противоположных процессов не наблюдается абсолютной асимметризации, явно не способствующей прогрессивному развитию. Процесс симметризации имманентно содержит в себе процесс асимметризации в силу различного действия внутренних и внешних сил.

В эволюции живой материи стремление симметрии к асимметрии носит направленный, закономерный характер, да и сами живые существа построены на основе лишь одного из двух возможных изомеров. Эволюция симметрии не прямолинейна, подчас преимущественная по роли диссимметризация на отдельных этапах сменяется симметризацией и наоборот. Между средой и организмом устанавливаются определенные взаимоотношения, в результате которых возникает соответствующий тип симметрии организма. В формировании симметрии организма нельзя преувеличивать роль среды и недооценивать роль внутренней природы самого объекта. Симметрия больше выражается во внешней форме организмов, а диссимметрия имеет место во внутренней организации. Для возникновения определенного действия всегда необходима диссимметрия. Любая гомохиральная фигура имеет ось симметрии первого порядка и в результате вращения на 360° может быть совмещена сама с собой, т. е. является симметричной. В живой природе нет не только двух абсолютно тождественных объектов, но и один объект не тождественен самому себе, так как непрерывно совершающиеся изменения делают относительным, неполным его тождество с самим собой. В данной работе в основном мы рассмотрели элементы симметрии второго (II) рода. Мы изучили симметрию явлений как в их внутренних генетических связях, так и в их пространственных структурных связях, также симметричный самопроизвольный ритм движения материи.

Доминантность полушарий по отношению к речевым функциям показывает их функциональную асимметричность. Асимметрия проявляется и в руководстве за работой мышц. Правое полушарие контролирует левую половину тела, а левое — правую. Органами чувств управляют оба полушария, но правой половиной сенсорных органов левое полушарие «командует» строже, чем правое, в этом как раз проявляется функциональная диссимметрия больших полушарий. В ряду иерархии функциональная асимметрия совершеннее, надежнее, ценнее функциональной симметрии. У «меньших братьев» — приматов перекрещивается примерно 50% чувствительных волокон, что свидетельствует о функциональной симметрии головного мозга, так как информацию от одного глаза в равной мере получают оба полушария. Так как когда оба полушария контролируют один процесс, они могут «полагаться» друг на друга и вовремя не среагировать, а, когда процесс полностью или в большей степени контролирует одно полушарие, ответственность вдвойне возрастает.

В онтогенезе наблюдается равноценность обеих рук новорожденных детей, затем на первом году жизни возникают временные предпочтения в их использовании, и лишь на пятом году жизни доминирующая рука начинает выполнять всю сложную деятельность, а в пожилом возрасте процесс начинает идти в противоположном направлении и неравенство рук постепенно сглаживается. Здесь четко виден симбиоз двух направлений: симметризации и асимметризации.

Нет абсолютной симметрии, но в живой природе во всех живых организмах без исключения на молекулярном уровне имеет место гомохиральность: присутствуют только 1-белки и d-caxapa (хотя и здесь есть исключения). Абсолютная асимметрия обеспечивает хиральность биосферы, благодаря повышенной активности 1-белков и d-сахаров является источником жизни. А их рацемические формы инертны. Если абсолютная асимметрия дарит жизнь, симметрия обеспечивает инертность и постоянность состава, то диссимметрия является источником эволюции живой материи. Благодаря уклонению от симметрии, организмы приспосабливаются к сложным различным условиям среды, и приобретенная форма отражается на их функции, но это влияние не одностороннее, возможна обратная взаимосвязь. Диссимметрия обеспечивает не только морфологическое разнообразие живых тел, но меняет их физиологию.

В научных гипотезах абиогенного происхождения жизни ставится цель установить историческую и генетическую связи и взаимообусловленность между неживой и живой природой. В биохимическом и астрофизическом подходах, в отличие от системного, синергетического, особое место придается практическому решению вопроса. В основе гипотез, объясняющих происхождение биохимическим путем, лежит глубокое убеждение в возникновении жизни непосредственно из неживой природы, и главной задачей является вскрытие механизма перехода материи из неживого состояния в живое.

Согласно гипотезе панспермии, зародыши жизни вечно разносятся по Вселенной и, в местах с благоприятными условиями, развиваются в целые миры. Биохимики категорически были против данной гипотезы, подчеркивая, что в космическом пространстве губительные ультрафиолетовые, рентгеновские излучения не дали бы развиваться протоклеткам. Допускается, что спора при путешествиях пребывают в анабиозе. Лишь астрофизики допускают возможность жизни в метеоритных телах, кометах.

Противоречивый характер движения живой материи — устойчивость и изменчивость — в учении о симметрии выражается через категории симметрии, асимметрии и диссимметрии. Если симметрия характеризует сохранение, а асимметрия — изменение, то понятие диссимметрии включает два аспекта: как нарушение симметрии, так и ее сохранение. Диссимметрия как нарушение является условием эволюции, так как без нарушения симметрии нет эволюции, только определенная асимметричность дает возможность возникновения нового. Диссимметрия как сохранение это не только точка равновесия, но и мера единства симметрии и асимметрии. В данной работе диссимметрия рассматривалась не только в смысле нарушения, но и в смысле сохранения симметрии. Это может быть тот случай, когда асимметрия превращает симметрию в подвижную, динамичную форму и в то же время обеспечивает гомеостаз, целостность живого организма. Таким образом, диссимметрия — это динамическое единство симметрии и асимметрии.