Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Отношения «система — среда»

Принцип (общий) дополнительности Н. Бора
Принцип торможения развития
Закон развития системы за счет окружающей ее среды
Принцип преломления действующего фактора в иерархии систем (и внутри системы)
Закон функционально-системной неравномерности
Принцип скользящих среднемаксимадьных случайного статистического ряда
Правило затухания процессов
Закон растворения системы в чуждой среде Г. Ф. Хильми

Абсолютно изолированные системы вне связи с окружающей их средой длительное время существовать не могут в силу действия второго начала термодинамики (закона возрастания энтропии — разд. 3.2.3). Самые общие закономерности взаимосвязи система — среда обобщены в философски расширенной формулировке принципа дополнительности Нильса Бора.
Изначальный смысл этого принципа (при приборном исследовании физического микрообъекта могут быть получены точные данные либо о его поведении в пространстве и во времени, либо о его энергиях и импульсах как о двух взаимно исключающих картинах, «дополняющих» друг друга) был расширен до: две взаимосвязанные, но различные материальные системы дополняют друг друга в своем единстве и противоположности. Такой «общий принцип дополнительности» очень существенен для функционирования экологических систем (см. в разд. 9.1 принципы экологической конгруэнтности и экологической комплементарности, а также закон единства организм — среда в разд. 3.5.1).
Без относительного (динамического) равновесия в рамках «общего принципа дополнительности» взаимодействие будет кратковременным: система разрушится. Этого не происходит в силу действия принципа Ле Шателье — Брауна, формулировку которого мы повторим (разд. 3.2.3.): при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Следствием этого служит принцип торможения развития: в период наибольших потенциальных темпов развития системы возникают максимальные тормозящие эффекты. В зависимости от силы процесса они могут быть заметны или скрыты ходом этого процесса.
Вещество и энергия для функционирования и развития системы могут поступать лишь из окружающей эту систему среды, и только за счет этой среды может существовать и прогрессировать любая система. Этот очевидный факт отражает закон развития системы за счет окружающей ее среды: любая система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды; абсолютно изолированное саморазвитие невозможно. Этот закон действует как в сфере природных, так и социальных (видимо, принципиально всех) систем природы и общества (кроме, быть может, механических).
Энергия, вещество и информация, поступающие в систему извне и выступающие как факторы ее жизни, действуют не в «чистом» виде, а селектируются и видоизменяются этой системой. Если они проходят предварительно через надсистемы рассматриваемой системы, то эти процессы идут многократно и до нее доходят в трансформированном всеми надсистемами виде. Поиск прямых связей между очень далекими по иерархическому уровню системными образованиями (например, между активностью Солнца и массовыми размножениями организмов), если эти связи не настолько сильны, что проходят «транзитом» через промежуточный ряд иерархии систем, как правило, бывает очень затруднителен. Действует принцип преломления действующего фактора в иерархии систем. При этом не следует сбрасывать со счета и саму рассматриваемую систему как преобразующий фактор члена иерархии: фактор, действующий на систему, преломляется через всю иерархию ее надсистем и через функциональные особенности самой системы. В связи с этим, как правило, воздействия надсистем не равны по силе и не совпадают по времени с интенсивностью и моментом их возникновения.
Вероятно, лучше рассматривать отдельно принцип преломления действующего фактора внутри системы (внешние для систем воздействия, как правило, проявляются не прямо, а опосредованы механизмами функционирования этой системы; они могут быть ослаблены ее буферными свойствами или усилены возникающими цепными реакциями), справедливый для не моментально гибельных для системы воздействий, и только что сформулированный принцип преломления действующего фактора в иерархии систем. В первом случае буфером оказываются механизмы самой системы, а во втором — ее надсистем. В данной формулировке в иерархию систем включена и сама система, на которую воздействует тот или иной фактор, что равно можно принимать или оспаривать в зависимости от подхода.
Упрощенное, механистическое представление о действующих факторах очень распространено и приводит к многочисленным ошибкам.
В силу преломления действующего фактора в иерархии систем и наличия многих «фильтров» этот фактор либо ослабляется, либо усиливается, а чаще всего оказывается неравномерным по силе воздействия с ходом времени. Система немедленно или с задержкой реагирует на возникающие флуктуации. Этот факт констатируется законом функционально-системной неравномерности: темпы реакций и прохождения фаз развития системы (в ответ на действие внешних факторов) закономерно неравномерны — они то убыстряются (усиливаются), то замедляются (ослабевают).
Ритмика таких колебаний обычно кратна трем. Об этом говорят эмпирические факты, прямые наблюдения в природе. Была выдвинута (советскими учеными Г. Розенбергом и С. Рудерманом) гипотеза и сформулирован принцип скользящих среднемаксимальных случайного статистического ряда: периоды между максимумами временного (или любого другого случайного условно бесконечного статистического) ряда величин имеют определенную цикличность вне зависимости от характера и происхождения самих наблюдаемых величин, т. е. математическое ожидание величины расстояния от максимума до максимума средних, равномерно расположенных значений признака, не зависит от характера самого случайного ряда. Чаще всего наблюдаются периоды, близкие к n · 3, 3ⁿ, 4 и 5. Таковы циклы солнечной активности, колебания численности организмов. Весьма вероятно, что в основе упорядоченности циклов колебаний на Земле лежат космические процессы.
Если речь идет не об условно бесконечном ряде статистических величин, а о конечном явлении, то обычно в развитии систем действует правило затухания процессов: насыщающиеся системы с увеличением степени равновесности с окружающей их средой или внутреннего гомеостаза (в случае изолированности системы) характеризуются затуханием в них динамических процессов. Это затухание может быть постепенным при линейности процесса или идти скачкообразно по затухающей синусоиде, лавинообразно (экспоненциально и сверхэкспоненциально). Такое явление характерно для насыщающихся растворов, термодинамических процессов, темпов размножения акклиматизированных организмов, экономического развития стран и регионов и других природных и социальных явлений.
Частным, но важным случаем правила затухания процессов и одновременно следствием закона оптимальности (разд. 3.2.1), перекликающегося в данном случае со вторым принципом термодинамики (разд. 3.2.3), служит закон растворения системы в чуждой среде, выведенный советским геофизиком Г. Ф. Хильми. Он действует в любых системах, в том числе социальных (при большой разнице «культурного острова» и среды, в которой он находится, этот остров бывает уничтожен, что и было в результате репрессий после 1917 г. в нашей стране). Особенностью социальных «островов» является то, что в них малые системные образования, растворяясь, увлекают за собой окружающую их среду, что в совокупности приводит к явлению пассионарности, детально исследованному Л. Н. Гумилевым в ряде работ, в том числе в нашумевшей книге «Этногенез и биосфера Земли» (Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. 495 с.). Формулировка закона растворения системы в чуждой среде приведена в особой трактовке в разд. 3.7.3 при обсуждении биогеографических закономерностей.
Общесистемные закономерности, изложенные выше, распространяются на экологические системы и действуют либо сами по себе, либо в специфическом для природных систем с участием живого виде. Нередко они сформулированы как узкоэкологические законы, правила, принципы и так далее. В дальнейшем изложении необходимо будет обратить внимание на это.
Перейдем к общим физико-химическим и молекулярным закономерностям возникновения, построения и фукнционирования живого.

3. 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МОЛЕКУЛЯРНО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИВОГО

Закон хиральной чистоты Л. Пастера

Закон физико-химического единства живого вещества В. И. Вернадского

Термодинамическое правило Вант-Гоффа — Аррениуса

Биогеохимические принципы В. И. Вернадского

Закон сохранения термодинамического состояния

Теорема (афоризм) Э. Шрёдингера

Теорема (афоризм) Хаасе

Теорема Г. Атлана

Теорема Бриллуэна

* В отечественной литературе встречается иная транскрипция термина — киральный. ** Эти вопросы подробно изложены в ряде статей рано скончавшегося Л. Л. Морозова и его соавторов. Можно рекомендовать две научно-популярные работы: Л. Л. Морозов. Несохраняющаяся четность в молекулярном мире организмов//Природа. 1977. № 1. С. 32 — 45. Он же (посмертная статья). Поможет ли физика понять, как возникла жизнь?//Природа. 1984. № 12. С. 35 — 48. *** Это легко доказать математически. Возникновение существующих цепей из 2000 ферментов, характерных для живого, требует перебора 10⁴⁰⁰⁰⁰ вариантов их сочетаний (Викрамасингхе Ч. Размышления астронома о биологии//Курьер ЮНЕСКО. 1982. Июнь. С. 36— 38). Возникновение генома человека, сложность которого оценивается числом 10¹⁰⁰⁰, требовало бы в эволюции живого фантастического перебора вариантов, равного более 10⁹⁰⁰ на одну особь (Реймерс Н. Ф. История эволюции//Человек и природа. 1982. № 11. С. 50 — 61). Числа эти абсолютно нереальны — см. закон направленности эволюции в следующих разделах главы, а также разд. 3.11.

Поскольку все экологические системы имеют в своем составе живое и без него теряют свою специфику,необходимо уяснить закономерности фукнционирования этого живого — самые общие и затем частные. Первым в этом ряду, вероятно, следует поставить закон хиральной чистоты Л. Пастера: живое вещество состоит из хирально чистых структур. Хиральность, или хиральная чистота,— наличие исключительно объектов, несовместимых со своим зеркальным отражением (типа правой и левой руки, откуда и происхождение термина: гр. «хира» — рука)*. Белки живого построены только из «левых» (поляризующих свет влево) аминокислот, нуклеиновые кислоты сложены исключительно из поляризующих свет вправо cахаров и т. д. Синтетически такие вещества получить очень трудно. Вещества небиогенного происхождения хирально симметричны — «левых» и «правых» молекул в них поровну.
Хиральная чистота обуславливает специфику живого, несводимость его к неживому и практическую невозможность получения живого из неживого в современных условиях Земли. Для этой планеты возникновения жизни — уникальный, катастрофический процесс**. Закон хиральной чистоты и тот факт, что синтезировать хирально чистые вещества в лабораторных условиях возможно лишь с помощью весьма сложных методик асимметрического синтеза, делают бессмысленными спекулятивные рассуждения об отсутствии граней между неживым и живым. Искусственное конструирование живого, если говорить о природе Земли, практически неосуществимо***. Вместе с тем, хиральная асимметричность, свойственная всему живому, объективно указывает на его физико-химическое единство, что и отражает закон физико-химического единства живого вещества В. И. Вернадского: все живое вещество Земли физико-химически едино.
Этот закон не исключает количественной биогеохимической специфики видов живого, даже половых и возрастных, возможно индивидуальных химических и физических отличий у тканей организмов. Однако качественно жизнь едина, и потому подчиняется единым «правилам игры», в том числе термодинамическому правилу Вант-Гоффа — Аррениуса, правилу поверхностей и биогеохимическим принципам В. И. Вернадского.
Термодинамическое правило Вант-Гоффа — Аррениуса в биолого-экологической модификации гласит, что подъем температуры на 10°С приводит к 2 — 3-кратному ускорению химических процессов. Фактически обмен веществ в одних случаях усиливается многократно (до 7,4 раз), а в других повышение температуры его замедляет.
Правило Вант-Гоффа — Аррениуса существенно углубляется закономерностью, формулируемой для теплокровных животных в виде правила поверхностей. Формулировку и расшифровку этого правила технически и по смыслу удобней оказалось привести в разд. 3.4.2.
Экологический эффект всемирного повышения температуры на 10°С довольно трудно предсказуем. Скорее всего изменение среднеглобальной температуры в таком размере катастрофично. Среднеглобальная температура атмосферы у поверхности Земли около 15°С. За последний 1 миллион лет она изменялась в пределах 5°С похолодания и 2°С потепления. При изменении среднеглобальной температуры на 10°, т. е. в 1,5 раза от современного уровня, скорее всего будет нацело нарушено действие принципа Ле Шателье — Брауна (разд. 3.2.3) — биота как бы сама себя «съест», так как процессы обмена веществ, усиливаясь, приведут не к сопротивлению изменениям в окружающей биоту среде, а к быстрой самодеструкции биосферы.
При этом будут глубоко нарушены первые два биогеохимических принципа В. И. Вернадского, а третий его принцип будет существенно искажен. Первый биогеохимический принцип В. И. Вернадского гласит: биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Этот принцип уже в наши дни нарушен, хотя и обратимо, как сказано выше при обсуждении принципа Ле Шателье — Брауна (разд. 3.2.3). Второй биогеохимический принцип В. И. Вернадского: эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Этот принцип при антропогенном измельчании средних размеров особей биоты Земли в ходе процессов экологического дублирования (лес сменяется лугом, крупные животные мелкими) начинает действовать аномально интенсивно (см. правило Ю. Одума в разд. 3.8.1), что также нарушает действие принципа Ле Шателье — Брауна.
Поскольку, согласно третьему биогеохимическому принципу В. И. Вернадского, живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца, биосферная солнечно-земная связь с нарушением первых двух биогеохимических принципов В. И. Вернадского и принципа Ле Шателье — Брауна резко изменяется. Космические воздействия могут из системы поддержания биосферы планеты превратиться в агенты, ее разрушающие. Процесс может стать саморазвивающимся и необратимым. Пока биосфера еще находится в обратимом состоянии, но угроза ее самодеструкции все время растет. К этому вопросу целесообразно вернуться после рассмотрения всей группы закономерностей, регулирующих функционирование природных систем планеты. Начнем этот перечень с экологических законов, правил и принципов жизни отдельного организма.

* Летунов В. Н. Термодинамические аспекты теории адаптаций//Тр./Зоол. ин-т АН СССР. 1987. Т. 160. С. 31 — 40.

Как бы в промежутке со следующим блоком обобщений (разд. 3.4) стоит закон сохранения термодинамического состояния*: энтропия и информация обратно пропорциональны, что ведет к дифферециации отдельных функций организма и, следовательно, специализации его частей. Это вызывает эволюционные адаптации, в том числе ведет к развитию систем управления, соотносящих работу отдельных реагентов и стабилизирующих их параметры. Этот закон объясняет внутренние побудительные механизмы возникновения адаптации, тенденцию к эволюционным переменам. Внутренние процессы сложно взаимодействуют с процессами, вызываемыми внешними причинами, в рамках четырехединства биологических систем: их целостности, преобразуемости, саморегуляции и воспроизводимости.
Чтобы закончить с проблемами термодинамики и энтропии и перейти к биосистемам, обратимся к группе теорем, или афризмов, сформулированных для уровня отдельной особи. Первой в этом ряду стоит теорема (афоризм) Э. Шредингера (1944) о «питании» организма отрицательной энтропией. Эта теорема утверждает, что упорядоченность организма (особи) выше, чем окружающей его среды и он (организм) отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает:

d_eS — d_iS = —S, если d_iS ≥ d_eS,

где d_iS — внешняя энтропия, a d_eS — внутренняя энтропия.— S выступает как мера упорядоченности. Совершенно очевидна связь теоремы Э. Шредингера с теоремой сохранения упорядоченности И. П. Пригожина (разд. 3.2.3).
Следующие три обобщения носят столь же уточняющий характер. Их ряд начинается теоремой (афоризмом) Хаасе (1963): организм «питается» положительной энтропией, т. е. энергетическая ценность пищи выше, чем этот же показатель продуктов диссимиляции. Иначе — организм существует до тех пор и постольку, поскольку имеется положительный энергетический баланс.
Теорему (афоризм) Э. Шредингера дополняет теорема Г. Атлана (1968), утверждающая, что организм «питается» не только отрицательной энтропией, но и «шумом». Часть информации, содержащейся в пище, в ходе ассимиляции неизбежно теряется.
Завершает группу сходных обобщений теорема Бриллуэна (1956) о том, что энтропия отходов больше энтропии пищи. По сути дела, по содержанию это повторение теоремы Э. Шредингера:

S_ns — S_ab == — S, если S_ab ≥ S_ns,

где S_ns — энтропия пищи, a S_ab — энтропия продуктов диссимиляции. Перечисленные теоремы «оголяют» физический смысл достаточно очевидных истин.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Воспользуйтесь поиском по сайту: