Будь умным!

У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

Конспект лекций Пермь 2006 УДК 500 ББК 20я73 З 813 Рецензенты- докт

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 9.11.2024

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Пермский государственный педагогический университет»

И.А. Золотухин

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Конспект лекций

Пермь 2006

УДК 500

ББК 20я73

   З - 813

Рецензенты:   

доктор географических наук, заведующий кафедрой охраны природы

Пермского государственного университета Г.А. Воронов;

доктор биологических наук, заведующий кафедрой физиологии растений и

микроорганизмов Пермского государственного университета О.З. Еремченко;

доктор биологических наук, профессор кафедры ботаники Пермского

государственного педагогического университета Л.Г. Переведенцева

З - 813  

Золотухин, И.А.        

      Концепции современного естествознания : конспект лекций / И.А. Золотухин ; Перм. гос. пед. ун-т. – Пермь, 2005. – 150 с. – Библиогр.: с. 147–148.     

ISBN 5-85218-286-9

       В книге кратко изложены современные научные представления об окружающем мире во всем его многообразии – начиная от атомов и молекул и заканчивая разумом и Вселенной.

       Издание адресовано студентам вузов, обучающимся гуманитарным, естественно-научным и техническим специальностям, оно может быть полезно также всем, кто склонен размышлять о жизни, о судьбе человеческой цивилизации, о звездах и галактиках.

      Табл. 8. Рис. 40. Библиогр. 48 назв.

УДК 500

ББК 20я73

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Пермского государственного педагогического университета

ISBN 5-85218-286-9                                                                    ©Золотухин И.А., 2006

©Пермский государственный

педагогический университет, 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

5

1.

МАТЕРИАЛЬНОСТЬ И  ПОЗНАВАЕМОСТЬ МИРА

1.1.

Виды материи, её движение и познание

6

1.2.

Развитие знания. Религиозное и научное  знание

7

1.3.

Парадигмы и научные революции

10

1.4.

Современная система научного знания

14

1.5.

Математика в системе научных знаний.

16

2.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ  

2.1.

Энергия как важнейшая характеристика материальных процессов

22

2.2.

Виды сил и виды энергии

24

2.3.

Классификация систем по интенсивности взаимодействий

26

2.4.

Первый и второй законы термодинамики

28

2.5.

Энтропия как мера необратимости процессов

30

3.

ЖИЗНЬ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ФИЗИКИ И ХИМИИ

3.1.

Закон сохранения энергии и живые системы

33

3.2.

«Антиэнтропийность» жизни

34

3.3.

Элементный состав живых организмов

35

3.4.

Химические взаимодействия атомов и молекул

37

3.5.

Химический состав живых организмов

39

3.6.

Белки как основа жизни

41

3.7.

Наследственность и нуклеиновые кислоты

42

3.8.

Синтез белка

45

3.9.

Изменчивость организмов

46

3.10.

Клеточная организация живого

48

3.11.

Упорядоченность процессов в клетке и биологические мембраны

51

3.12.

Энергетические процессы в клетке

54

3.13.

Размножение организмов

58

4.

ВСЕЛЕННАЯ  И  ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ

4.1.

Гипотезы возникновения жизни

62

4.2.

Вселенная, её происхождение и строение.

64

4.3.

Происхождение и строение звёзд

67

4.4.

Галактики и метагалактика

71

4.5.

Солнечная система

74

4.6.

Земля как место зарождения жизни

77

4.7.

Геохронологическая схема эволюции жизни и биосферы

81

5.

ЧЕЛОВЕК КАК ВЫСШАЯ ФОРМА ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

5.1.

Человек в системе животного мира

86

5.2.

Физико-химические и биологические основы сложного поведения

88

5.3.

Эволюция нервной системы и поведения животных

91

5.4.

Мышление

95

5.5.

Скорости и пути дальнейшей эволюции человека

99

6.

СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ

6.1.

Определение понятия «сложность»

103

6.2.

Математика как средство познания сложных систем 

105

6.3.

Теория графов и её применение  в описании сложных систем

106

7.

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД

7.1.

Общая теория систем Л. Берталанфи

110

7.2.

Детерминированные и вероятностные системы

113

7.3.

Тектология А.А. Богданова.

114

7.4.

Самоорганизующиеся системы и синергетика

116

8.

КИБЕРНЕТИКА

8.1.

Основные понятия и определения

118

8.2.

Биологические системы и кибернетика

122

9.

ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ

9.1.

Общая характеристика информационных процессов

126

9.2.

Определение и измерение информации

128

9.3.

Использование теории информации в биологии

132

9.4.

Виды информации

134

10.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

10.1.

Строение и функции экосистемы

136

10.2.

Превращение энергии в экосистеме

139

10.3.

Продуктивность экосистем

140

10.4.

Определение необходимых затрат на охрану природы

142

10.5.

Экологические кризисы в истории человечества

145

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

148

предисловие

Всё, что происходит внутри и вокруг нас, подчиняется определённым законам. Чем лучше мы знаем эти законы, тем успешней любая наша деятельность, будь то производство, бизнес, наука, искусство или даже семейные дела. Различные сферы деятельности требуют использования соответствующих специальных знаний. Базой этих знаний являются естественные науки, которые мы изучаем в школе в виде отдельных предметов. Но, изучив отдельные науки, важно впоследствии суметь соединить полученные разрозненные знания в единую, общую картину окружающего мира. Только в этом случае мы будем уверенно чувствовать себя в бесконечном разнообразии жизненных ситуаций. Задача синтеза общих представлений об окружающей природе как раз и решается учебным предметом «естествознание».

Данное пособие представляет собой курс лекций, читаемый автором в течение ряда лет на различных факультетах Пермского государственного педагогического университета. В нём в краткой форме изложены основы современных научных представлений о строении живой и неживой природы. Особое внимание уделено происхождению и строению живых организмов. Все основные проявления жизни рассматриваются исключительно как следствие усложнения физической и химической форм организации материи, как естественный результат процессов, протекающих во Вселенной. Мышление и разумное поведение человека также рассматриваются с позиций особых атомно-молекулярных, физико-химических и клеточных взаимодействий.

Предполагается, что читатель владеет основными  сведениями естественных наук на уровне средней общеобразовательной школы, поэтому они рассматриваются в лекциях лишь вкратце. В случаях, когда возникнут затруднения в понимании материала, рекомендуется обратиться к соответствующим учебникам физики, химии, биологии, географии, астрономии.

Новые, современные аспекты естествознания, такие как теория систем, кибернетика, теория информации, представлены в книге более детально.

Знания, полученные при изучении предлагаемого пособия, послужат базой для успешного овладения последующим курсом - «Экология с основами охраны окружающей среды». О тесной связи естествознания и экологии речь идёт в заключительном 10-м разделе книги.

1. МАТЕРИАЛЬНОСТЬ   И  ПОЗНАВАЕМОСТЬ  МИРА

1.1. Виды материи, её движение и познание

Окружающий мир, частью которого являемся и мы сами, представляет собой бесконечное множество разнообразных явлений, объектов, процессов. Всё, что мы воспринимаем непосредственно нашими органами чувств или можем обнаружить в окружающем мире с помощью приборов, называется материей.  Ранее было принято считать, что существует два вида материи: вещество и поле. Веществом называется всё, что характеризуется массой покоя. Поля обычно называются силовыми и представляют собой материю, с помощью которой силы передаются на расстоянии.

В последнее время физики пришли к выводу, что к материи следует относить также физический вакуум, который можно рассматривать как особое энергетическое состояние материи. Флуктуации этого состояния способны при определённых условиях порождать материальные частицы и поля [12, с. 47; 14]

Важной особенностью окружающего мира являются постоянные изменения всех систем, из которых он состоит. Движутся облака, текут реки, возникают звёздные системы, рождаются и умирают живые организмы и т.д. Все изменения принято называть движением материи. Изменения необратимы. Это означает, что цепочку каких-либо изменений нельзя повторить в обратном порядке, т. е. нельзя вернуть Вселенную в состояние, в котором она пребывала несколько мгновений назад.

Грамотный читатель, возможно, найдёт примеры и обратимых процессов: маятник возвращается в прежнее состояние после его отклонения от равновесия, аналогично поршень в цилиндре совершает возвратно-поступательные движения. Однако данные процессы можно лишь в теоретических рассуждениях условно считать обратимыми. В любом реальном маятнике или цилиндре указанные процессы в конечном итоге прекратятся по причине необратимого разрушения системы. Но на время работоспособности их можно считать изменяющимися по обратимому механизму.

Следует отметить, что в учебной литературе для общеобразовательных школ при объяснении многих законов физики и химии подчёркивается, что рассматриваемые процессы условно считаются обратимыми. Такой упрощенный подход является основной причиной неудачных попыток объяснить строение и функционирование живого с позиций классических физики и химии. Здесь уместно упомянуть, что в последние десятилетия в этих науках возникли направления, специально рассчитанные на изучение необратимых процессов, - термодинамика необратимых процессов [24, 25] и синергетика [35, 36].

Чтобы практически убедиться в необратимости процессов, читатель может попытаться после написания на бумаге некоторого текста вернуть всю краску обратно в авторучку и сделать бумагу чистой, какой она была до написания.

Ещё один пример кажущегося обратимым процесса, каковым он на самом деле не является. Вы убираете книгу со стола и затем возвращаете её обратно на прежнее место. Во-первых, книга наверняка уже лежит не совсем так, как было ранее. А во-вторых, даже если предположить, что Вам удалось вернуть книгу туда же, то надо учесть, что перемещали Вы её с затратой энергии, при этом окислили определённое количество глюкозы в процессе дыхания. Вернуть все обратно означает в том числе и то, что нужно вернуть в организм из окружающей среды выброшенные молекулы углекислого газа и воды, соединить их в молекулы глюкозы и положить глюкозу туда, где она была ранее.

Из сказанного следует логический вывод: в природе ничто не повторяется. Следовательно, должны появляться новые явления, не существовавшие ранее. Этот процесс называется эволюцией. В ходе  эволюции из наиболее простой физической материи последовательно образуются более сложные: химическая и биологическая формы организации материи. На сегодняшний день наивысшей формой является социальная, возникшая на базе биологической, - в виде человеческой цивилизации. Важнейшими атрибутами этой формы наряду с такими свойствами, как трудовая деятельность и сложная система сигнальных взаимодействий (речь), являются процессы мышления и познания. В лице человека материя начинает познавать сама себя.

Одной из главных задач естествознания и является установление основных законов, которым подчиняется эволюция материи.

1.2. Развитие знания. Религиозное и научное знание

Познание для начала можно определить как приобретение сведений, позволяющих лучше приспособиться к окружающей среде, т.е. повысить вероятность своего выживания. При этом сразу возникает вопрос: «Что познавали бактерии, амёбы или черви, когда миллионы лет приспосабливались к окружающей среде?» (И надо отметить, приспособились весьма не плохо!). Тогда можно сказать, что спецификой человеческого познания является именно приобретение сведений и передача их от человека к человеку в виде знаковых моделей природных процессов (систем звуковых, световых и прочих сигналов). Но оказывается, что и амёбы способны подавать друг другу химические сигналы, заставляющие их собираться вместе при определённых условиях, это позволяет им лучше выжить. Объяснить такой парадокс можно лишь следующим образом.

Возникновение человеческого познания есть результат постепенного усложнения (эволюции) приспособительного поведения животных. И мы пока не можем указать моменты (или границы), где начинаются процессы познания мира животными и где они переходят в человеческое познание с последующим формированием современного научного знания. А человеческое знание можно определить как знаковую (сигнальную) систему,  с помощью которой люди приобретают друг у друга способность более надёжного выживания.

На различных этапах исторического развития люди в соответствии с уровнем своего интеллекта использовали разные способы познания мира. Первые социальные группы людей мало отличались от стадной организации, и основным хранителем необходимых знаний в них был вождь. Его функции были аналогичны функциям  вожака в стае животных. Люди действовали преимущественно интуитивно за счёт врождённых инстинктов или выполняли требования вождя. Отсутствовала способность формулировать сложные объяснения природных  процессов. Такую стадию развития человечества называют естественным первобытным материализмом. Будучи не в состоянии сформулировать какую-либо идеологию, люди воспринимали природу  такой, какая она есть.

С развитием интеллекта и с появлением способности фантазировать в первобытно-общинном обществе помимо вождей выделились люди, которые, по мнению остальных, обладали особыми способностями и знаниями. Появился древний шаманизм, который можно рассматривать как зарождение принципов религиозного подхода в объяснении природных явлений. Со всеми вопросами и проблемами соплеменники шли к шаману. Людям начало казаться, что всем управляют некие таинственные силы, которые необходимо задабривать поклонениями и жертвоприношениями. Материальным символом поклонения (фетишем) выбирался предмет, обычно имеющий отношение к наиболее важным процессам в племени. Обычно таким процессом была охота, а фетишем мог быть волчий хвост, привязанный к шесту, медвежий череп, голова оленя, повешенная на стену пещеры и т.д. Так началось зарождение религии.

Спустя тысячелетия, в более цивилизованном обществе, когда объединения людей превратились в государства, религиозный подход стал основой мировоззрения. Важно отметить, что и в этот период у разных народов объекты поклонения были различными. Всё зависело от фантазии создателей религиозных трактатов.

Древние греки и римляне выдумали большое количество богов, которым приписали управление миром. Аналогичную основу объяснения природных явлений имели языческие религии славян и многих других народов мира. Затем кому-то в голову пришла мысль, что бог должен быть единым. И то, что у одних это оказался Будда, у других - Иисус, а у третьих – Аллах, можно рассматривать как доказательство их выдуманности. Этот явный промах в религиозном объяснении мира, казалось бы, легко устраняется утверждением, что всё это единый бог, по-разному понимаемый людьми. Но в таком случае не понятно, почему подданные одного общего великого творца терпеть не могут друг друга (протестантам не нравятся католики, мусульманам - христиане и наоборот …). Остаётся только удивляться, что до сих пор бόльшая часть населения Земли основывает своё поведение на таких представлениях, которые должны разваливаться даже при самом элементарном логическом анализе. Объяснить это можно двумя основными причинами. Первая - низкий уровень образования и культуры подавляющей части населения планеты (люди просто не знают, что такое логический анализ). Вторая – несомненная полезность пропагандируемых религией основных моральных принципов поведения.

Суть религиозного познания состоит в том, что человек должен подчиняться определённому набору правил - догм, которые никак не обосновываются и не требуют доказательства истинности. Человек должен верить, что правила истинны абсолютно, поскольку ниспосланы самим Всевышним.  В действительности же эти правила есть обобщение многовекового опыта человечества и являются основой его успешного выживания, а все наши социальные беды - нищета, насилие, войны, грабежи, воровство и т.д. - есть результат нарушения этих правил, а не происки сатаны, как утверждает религия.

Из сказанного может показаться, что в современном мире религия является некоторым тормозом в развитии науки. Однако достижения современного научного знания (например, принцип естественного отбора) позволяют говорить и о положительном значении религии. В предыдущие тысячелетия это был, возможно, единственный способ заставить людей подчиняться некоторым общим правилам поведения. Только так древнее общество могло обеспечить самосохранение. С позиций современной науки появление и развитие религиозности можно рассматривать как результат естественного отбора, поскольку только естественный отбор отвечает за то, какие признаки эволюционирующей системы (в данном случае – человеческого общества) являются полезными и обеспечивают её способность к выживанию. Сегодня основой  успешного выживания является наука. Но и религия, по мнению многих весьма грамотных людей, также способствует выживанию, стабилизирует общество, не позволяет развязаться бойне. Хотя всё это не так однозначно. Например, в прошлые века почти каждая война оправдывалась и обосновывалась необходимостью насаждать свою религию.

Современные рыночные отношения имеют существенный недостаток, проявляющийся в том, что небольшая часть людей получает материальные блага, явно превышающие вложенный для их достижения труд, и живёт, таким образом, за счёт труда другой части населения. В таких условиях без религии создаётся опасность, что эта другая, многократно преобладающая часть людей, может восстать и уничтожить первую, что неоднократно в истории и происходило. А с религией, как мы видим, получается всё прекрасно. Жулики воруют, как только могут, а набожный народ терпит, поскольку уверен, что за свои страдания ему гарантирован рай, а воры-то уж, несомненно, будут жариться в аду! И все  довольны.

Звучит несколько  парадоксально, но именно религия явилась истоком современного научного знания. Религиозные деятели в определённые периоды истории занимали в обществе привилегированное положение. Они получали наилучшее образование. Церковь владела большими земельными наделами, крупной недвижимостью, имела систему образовательных и воспитательных учреждений. Обучение и образование целиком базировалось на религии. Развитие религиозной системы образования в Средние века привело к возникновению университетов, которые постепенно превратились в авангард современного научного знания.

Переход от религии к научному знанию был обусловлен тем, что постепенно накапливались факты, которые противоречили религиозным догмам. Принципиальное отличие научного подхода состоит в том, что источником знания становится практический опыт в виде ощущений, получаемых при взаимодействии человека с окружающей природой. Базой для построения научной картины мира, являются факты, т.е., события и объекты, существование которых совершенно точно установлено. Факты не зависят от воли и сознания человека (существуют объективно). Критерием объективности является многократное установление факта разными людьми независимо друг от друга. Такой критерий выглядит достаточно надёжным, но и он не является гарантией от ошибок, потому что люди не могут действовать абсолютно независимо друг от друга. Таковы особенности человеческой психики. Именно это и является ещё одной причиной живучести религии, когда одни люди бездоказательно навязывают своё мнение другим, уверяя, что это мнение вкладывается в человека какими-то особыми высшими силами. Эти силы обнаружить нельзя, в них можно только верить.

1.3. Парадигмы и научные революции

Окружающий мир представляет собой бесконечно сложную систему. Поэтому очень сложны и трудоёмки процессы познания. Для установления истинных причин и законов взаимодействия материальных систем необходимо сопоставить и проанализировать бесчисленное количество фактов. Эти факты добываются в течение многих столетий трудом миллионов людей, находящихся в постоянном взаимодействии c силами природы для обеспечения своего выживания.

В связи с этим знание растёт неравномерно. Длительные периоды относительно монотонного развития производства, орудий труда и технологий сменяются резкими ускорениями, когда удаётся обобщить накопленные данные, сделать основополагающие выводы и в дальнейшем успешно их использовать. Такие моменты ускоренного развития принято называть научными революциями. Результатом каждой такой революции является смена парадигмы научного знания.

Научной парадигмой называется совокупность основных господствующих подходов к объяснению природы и принципов её познания. Принципы познания определяют выбор основных направлений научных исследований,  указывают, какие из областей науки в соответствии с существующей парадигмой представляют наибольший интерес и предположительно должны обеспечить наиболее эффективное развитие цивилизации. В свою очередь выбор направлений одновременно предполагает и разработку новых подходов к организации научных исследований с соответствующим методическим обеспечением. Эти подходы, являющиеся составными частями парадигмы, принято называть методологиями.

Научные революции происходят в результате труда наиболее образованных представителей общества. И, как правило, каждую очередную смену парадигмы связывают с именем одного или с именами небольшой группы учёных, которым удаётся наиболее убедительно показать преимущество новой на данный момент картины мира.

Возникновение первой научной революции обычно связывают с развитием знания в Древней Греции в IV в. до н.э. В качестве основы этой революции называют труды Аристотеля (384-322 гг. до н.э.), в которых были разработаны законы формальной логики в виде системы, позволяющей получать строгие и правильные выводы на основании имеющихся посылок (базовых утверждений). Сложившаяся в результате этого парадигма предполагала, что формальный логический анализ наблюдаемых в природе фактов, являющихся источником наших ощущений, позволяет получить новые истинные знания об устройстве окружающего мира, предсказать неизвестные события и факты. Такое направление в науке стало называться  натурфилософией.

Вторая научная революция была обусловлена переходом от методологии наблюдений и логических умозаключений к экспериментальному изучению природных  явлений с точными количественными измерениями и вычислениями. Первым, кто показал преимущества новой методологии, был итальянский учёный Галилео Галилей (1564-1642). Его тщательно продуманные и строго поставленные опыты по изучению законов падения тел убедительно доказали, что оценка наблюдаемых явлений с позиций здравого смысла, даже при условии соблюдения законов формальной аристотелевской логики, может привести к ложным выводам. В частности, до исследований Галилея все люди, опираясь на многовековой опыт, считали, что лёгкие тела падают медленней тяжёлых. Однако исследования Галилея показали, что любые тела на Земле падают с одинаковым ускорением около 9,8 м/с2.

В это же время немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630), опираясь на исследования датского астронома Тихо Браге (1546-1601), установил, что орбиты планет являются не круговыми, а эллиптическими, вычислил параметры этих орбит с высокой точностью и математически сформулировал основные законы движения планет. И, наконец, англичанин Исаак Ньютон (1643-1727), обобщив результаты исследований Галилея, Кеплера и других учёных, изложил свои знаменитые законы механики. Появилась новая парадигма, согласно которой взаимодействия тел во Вселенной в основном определяются величиной их массы, от которой зависят силы притяжения (гравитации) и инерции. Строгие математические формулы, предложенные Ньютоном, позволяют рассчитывать перемещения тел в течение любого заданного интервала времени, если точно известны исходные массы тел, их координаты и скорости. Из этого следовало, что всё будущее однозначно предопределено прошлым (фатализм), а невозможность точного предсказания определяется лишь бесконечно большим количеством исходных данных,  которые не возможно учесть современными методами.

С открытием электромагнитных явлений, сложного строения атома и законов микромира к началу ХХ столетия была подготовлена почва для третьей научной революции. Исходным толчком можно считать работы Альберта Эйнштейна (1879-1955) по специальной и общей теории относительности. Эти работы можно считать развитием идеи Галилея об относительности различий между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Основная суть идей Эйнштейна, как обычно базирующаяся на экспериментальных данных, состоит в том, что такие характеристики материальных систем, как масса, пространственные координаты и время, не являются абсолютно независимыми от условий взаимодействия, а меняются с изменением этих условий, т.е. являются относительными. Так,  с увеличением скорости движущихся тел их размеры в направлении движения уменьшаются, течение времени в них замедляется, а пространство в сильных гравитационных полях искривляется.

Применение теории относительности к описанию Вселенной в сочетании с новыми экспериментальными фактами (разбегание галактик), показало, что Вселенная не является застывшим, неизменным  образованием, как это следовало из некоторых законов механики Ньютона. Возникла новая парадигма, одним из основных принципов которой является принцип развития, или эволюции материи. Более поздними исследованиями было показано, что не стационарность (изменчивость) состояния Вселенной может быть выведена и на основании теории Ньютона.

Впервые принцип эволюции был сформулирован в биологи французским учёным Жаном Батистом Ламарком (1744-1829) ещё в начале ХIХ в. Но правильное научное объяснение эволюционной изменчивости биологических видов было дано только во второй половине ХIХ столетия английским учёным Чарльзом Дарвином (1809-1882) в теории естественного отбора.

Парадигма, сложившаяся в результате третьей революции, действует и в настоящее время. Помимо эволюционизма она включает ещё ряд основополагающих принципов. Эти принципы сформулированы в таких разделах современного знания как квантовая теория, учение о Биосфере Владимира Ивановича Вернадского (1863-1945) и в различных разделах современной  физики, химии, биологии, математики. (С некоторыми из этих принципов и их авторами можно познакомиться в изданиях, указанных в «Библиографическом списке» данного пособия).

Предсказать научные революции невозможно, но анализ последних двух революций показывает, что их возникновение связано с интенсивным изучением наиболее важных и вполне конкретных вопросов, стоящих перед наукой в соответствующие исторические периоды и поиском ответов на них. Поэтому если удастся выделить основополагающие, актуальные вопросы, стоящие перед современной наукой, то можно будет определить и направления исследований, к которым эти вопросы относятся и на которых наиболее вероятно ожидать самых значительных открытий.

Так, во времена Ньютона основным был вопрос: «Каковы главные причины и источники наблюдаемых движений тел и систем, которые мы сегодня называем макроскопическими (планеты и различные тела на Земле)?». Третья научная революция была связана с поиском ответов на вопросы о природе электромагнитных явлений, о строении атома и глубинных свойствах микромира.

Сегодня аналогичными вопросами, на которые пытается ответить наука, являются вопросы о происхождении жизни, о природе сознания и разума, о связи этих явлений с известными законами физики и химии. Некоторые учёные считают весьма важными также вопросы: «Достаточно ли знания известных физических сил для объяснения живой природы или должны быть открыты пока ещё не известные науке силы, без которых определить специфику живого нельзя? Можно ли создать теорию, объединяющую все известные на сегодня виды взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые?»

Все направления исследований, имеющие отношение к перечисленным вопросам, и могут оказаться научно перспективными. Вероятно, к числу таких направлений можно отнести исследования термодинамики необратимых процессов (Пригожин, Хакен), которые позволяют объяснить процессы самоорганизации в биологических системах, да и вообще во всех открытых материальных системах. В свою очередь, это направление тесно связано с  исследованиями на стыке физики, химии и биологии, которые вслед за расшифровкой атомно-молекулярной структуры нуклеиновых кислот и белков в перспективе должны позволить конструировать из атомов молекулярные машины с любыми заданными свойствами. Это направление в последнее время получило название «нанотехнологии». Оно же, вероятно, позволит окончательно понять механизмы действия и роль каталитических систем в возникновении жизни. Возможно, важным является продолжение исследований глубинных свойств материи в масштабах микромира и всей Вселенной. И, наконец, к современным направлениям знания, без которых вряд ли можно выйти на новый уровень понимания устройства природы, следует отнести системный подход (общую теорию систем), кибернетику и теорию информации.

Но самым сильным толчком в развитии человечества было бы обнаружение внеземной цивилизации. Это возможно только в случае существования намного более развитой, чем мы, формы материи, прошедшей тысячи или миллионы лет научно-технического развития. Но пока мы не можем ответить на вопрос: Могут ли такие цивилизации встречаться во Вселенной достаточно часто? Мы лишь надеемся на положительный ответ (см. также п.5.5).

1.4. Современная система научного знания

Процесс познания бесконечен, поскольку бесконечно разнообразие окружающего мира. Множество же познанных явлений конечно, но постоянно быстро увеличивается. В п.1.2 показано, что на начальных этапах развития общества, когда объём имеющихся знаний был небольшим, им мог овладеть один человек. Однако в дальнейшем вследствие быстрого увеличения знания это стало невозможным и знание стихийно распалось на отдельные науки. Произошло разделение труда, так же, как и во всех остальных сферах человеческой деятельности.

В науке первоначально неосознанно проявился принцип иерархии. Это один из важнейших принципов, который в дальнейшем стал применяться сознательно во всех случаях, когда возникали трудности взаимодействия с большими множествами объектов. Суть принципа сегодня хорошо известна каждому грамотному человеку, она состоит в том, что большое множество объектов разделяется на определённое количество  более мелких подмножеств и работа проводится с каждым множеством отдельно. Если же при этом вновь возникают трудности, то и полученные подмножества снова разбиваются на более мелкие группы и т.д.

Сегодня по этому принципу управляются большинство государственных, производственных и других систем. Особенно чётко и просто это можно увидеть на примере организации вооружённых сил. Командующий армией не в состоянии контролировать поведение каждого из миллионов солдат, но ему достаточно отдавать приказы нескольким командирам дивизий, каждый из которых, в свою очередь, командует несколькими командирами полков и т.д. - до командиров взводов и отделений.

Бесконечно увеличивающееся необъятное множество познанных явлений также вынуждает применить указанный принцип. При этом схема современного научного  знания приобретает вид иерархической системы (рис.1.1), которая отражает естественную иерархию различных форм организации материи.

Данная схема, как и любое другое теоретическое или символическое построение, далеко не отражает всей сложности действительной системы знания. Чётких границ между разделами не существует. Даже такие, казалось бы, далёкие друг от друга сферы, как естественно-научные и гуманитарные знания, на самом деле неразрывно друг с другом связаны и не отделимы, несмотря на то, что их основную отличительную особенность можно сформулировать достаточно чётко. Название «естественный»  подразумевает все, что не создано человеком, в отличие от искусственного, появляющегося как результат деятельности человека. Все же остальные различия естественного и гуманитарного  знания, приводимые в дополнение основному, уже не являются такими бесспорными. В частности, многие естественные науки ещё называют точными, при этом имеется в виду большое значение в них математических методов.

Однако биология, хотя и пользуется успешно некоторыми разделами математики,  (например математической статистикой), но, во-первых, далеко уступает в этом физике, а во-вторых, статистические и другие математические методы сегодня широко внедряются и в гуманитарных областях. К тому же при более тщательном рассмотрении основная отличительная черта гуманитарного знания, заключающаяся в изучении социальных явлений, не столько разделяет, сколько сближает  естественные и гуманитарные науки. Доказать это очень просто. Основу всего социального составляет человек, представляющий собой итог эволюции материи от простых физических и химических форм до сложных биологических и социальных систем. То есть социальное является результатом естественных процессов, которые в соответствии с нашей схемой (рис.1.1) изучаются естествознанием.

Отделение друг от друга физики, химии и биологии является также весьма условным, поскольку в живых системах, изучаемых биологией, протекают самые различные химические и физические процессы, которые отделить от процессов биологических никак нельзя. Поэтому возникает необходимость вводить такие разделы, как биохимия и биофизика, строгое, однозначное положение которых на схеме определить затруднительно. К тому     же многие учёные не без оснований считают химию разделом или продолжением физики.

Таким образом, при единстве всех физических, химических, биологических и социальных процессов деление знания на различные направления и науки является искусственным приёмом, позволяющим более рационально распределять силы и средства. При этом знания становятся более точными и глубокими, так как каждый учёный (специалист) работает в достаточно узкой области.

Однако, имея несомненные преимущества, данный подход обусловливает и появление весьма существенного недостатка. Специализация заходит так глубоко, что  разные специалисты, даже работающие в соседних областях (например физики), перестают понимать друг друга. Теряется единая картина мира. Устранение этого недостатка и должно стать задачей естествознания.

1.5. Математика в системе научных знаний

То, что представленная на рис.1.1. схема далеко не отражает всей сложности современного научного знания, можно показать также и на примере математики. Математика среди всех наук занимает исключительное положение. Это становится очевидным, если попытаться найти  для неё определённое место в нашей схеме научного знания. Такая попытка сразу покажет, что точное место найти не возможно, поскольку математика – это нечто особенное, что имеет отношение ко всем наукам, хотя и в разной степени.

Возникновение математики является примером чёткого и крайне полезного применения принципа иерархии. Очень важным в жизни древних людей было появление способности  передавать друг другу сведения о количественных характеристиках природных явлений. Для успешного выживания нужно было знать, сколько полезных растений или животных обитало поблизости на той или иной территории. Необходимо было уметь сопоставлять численность воинов соседних племён с численностью собственных воинов и т.д. Всё это и многое другое заставило человека научиться считать, в связи с чем должно было появится понятие количества. Весьма вероятно, что поначалу количественные сведения передавались людьми друг другу с помощью жестов, пальцами руки. Первые попытки записи количества известны в археологии в виде насечек, нанесённых на какой-либо материал (дерево, камень, глина). Каждый набор насечек соответствовал определённому количеству каких-либо предметов. При такой записи каждое добавление следующей насечки требует нового названия данному количеству. Этот подход не вызывает никаких затруднений, пока число не превышает одного – двух десятков. Но продвижение в область больших количеств показывает бесперспективность такого подхода, поскольку приводит к необходимости придумывать и запоминать бесконечно большое количество названий. Эта трудность была преодолена благодаря использованию принципа иерархии. Развитие мышления позволило сделать вывод, что достаточно использовать всего десять названий (десять знаков, включая нуль) для обозначения любых количеств. То есть после одного десятка нужно начинать считать десятками, затем десятками десятков (сотнями), десятками сотен (тысячами) и т.д.:

Дальнейшее развитее математики показало, что подобная иерархическая система записи чисел может быть основана не только на числе десять, но и на любых других числах не меньше двойки. Практическое применение в современной математике получили двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы исчисления. В частности, при современном способе записи горизонтальной строкой в двоичной системе на первом месте справа налево указывается количество единиц, на втором - количество двоек, на третьем – количество двоек двоек (четвёрок), на четвёртом – восьмёрок и т.д.

Начавшись с натурального элементарного счёта, математика развилась до современной очень обширной области знаний. Особое положение математики определяется тем, что если каждая из остальных наук занимается получением знаний о какой-то отдельной области действительности и устанавливает специфические законы в этой области, то математика является языком, на котором эти законы формулируются. Первым, кто дал такое определение математики, был Галилей. Ему же принадлежит и первенство в применении строгих математических методов при изучении природных явлений.

Любой язык можно определить как систему знаков и правил оперирования с этими знаками. Эта система используется для описания явлений и процессов, происходящих в окружающем мире. Описание мы производим и с помощью обычных языков. В таком случае нужно определить, в чём принципиальное отличие математики? Математика – это специально разработанный язык. Значение каждого символа и правила в математике строго оговаривается и является общепринятым для всех людей.

Обычные (естественные) языки, в отличие от математики, возникают стихийно,  самостоятельно у каждой нации, они более громоздки и неоднозначны. В таких языках одним словом могут называться разные явления и, наоборот, одно и то же явление может обозначаться разными словами.

Строгость и однозначность математики определяется тем, что каждый вводимый символ (или понятие) отражает определённую, существенную особенность окружающих явлений, отвлекаясь от всех сторон, свойств, которые можно считать несущественными. Такой подход называется абстрагированием. В качестве примеров абстрактных понятий можно назвать понятия «точка», «линия», «поверхность», «число» и т.д.

Математикой мы овладеваем с помощью обычного языка. Поэтому всё, что записано математически, можно сформулировать и записать на обычном языке, но это будет громоздко и неудобно. Преимущество математической записи в том, что она является очень краткой, сжатой, удобной в применении. А математические высказывания выглядят очень строгими, точными и убедительными. Вот несколько примеров.

Если имеется функция y = f(x), то её производная обычным языком определяется как «предел, к которому стремится отношение приращения функции к приращению аргумента при приращении аргумента, стремящимся к нулю». В математическом виде всей этой фразе соответствует запись: y.  

Одно из направлений развития математики - это поиск более совершенных и лаконичных форм записи. Это можно продемонстрировать ещё одним примером. Математическая запись 10100 без использования операции возведения в степень представляет собой единицу, после которой записаны сто нулей:

10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000.

Такая запись явно неудобна. Записав число, Вы сразу же начнёте сомневаться: а нет ли ошибки в количестве нулей? Это потребует повторного пересчёта. И если пересчёт покажет иное количества нулей, придётся пересчитать в третий раз. Теперь, если совпадут по количеству два из трёх пересчётов, можно предположить, что совпадающие варианты являются правильными. Но и после этого сомнение останется, поскольку существует вероятность повторения ошибки. Придётся сосчитать ещё один раз, и в случае третьего совпадения результатов  можно быть почти(?!) уверенным в правильности записи.  Однако и такая ситуация может не убедить скептиков в существенных преимуществах математики. Тогда надо напомнить, что здесь оба варианта представляют собой математические записи, поэтому преимущество более совершенного варианта не выглядит радикальным (очень существенным).

Теперь попробуем представить себе, как могла бы выглядеть запись данного числа при отсутствии десятичной системы исчисления, т.е. попытаемся изобразить её в виде насечек. Предварительно отметим, что, например, число атомов во Вселенной оценивается в современной науке величиной приблизительно 1070 ÷ 1080. Это означает, что без математики для записи числа порядка 10100 нужно иметь в своём распоряжении много миллиардов вселенных и умудриться во всех этих вселенных на каждом атоме поставить засечку!!! После такого примера вряд ли можно сомневаться в преимуществах математики.

Наиболее математизированными разделами естествознания являются физика и астрономия. Это объясняется относительной простотой изучаемых ими явлений, в которых число взаимодействующих факторов относительно невелико. Вообще-то факторов много, но большинством из них, как правило, можно пренебречь. В качестве ярких примеров открытий, сделанных в этих науках с помощью математики, можно привести открытие последней из известных планет солнечной системы - Плутона и предсказание существования некоторых элементарных частиц за несколько лет до их экспериментального обнаружения.

В первом случае сравнение фактически наблюдаемых параметров движения дальних планет с параметрами, рассчитанными на основании законов механики, показало их некоторое несоответствие. Но это несоответствие исчезало, если в расчёты вводились определённые параметры ещё одной, пока не наблюдаемой планеты. Наведение телескопов в заданную расчётную точку и в заданное время показало, что, действительно, такая планета существует.

Аналогично в середине ХХ столетия были экспериментально обнаружены и элементарные частицы - только через несколько лет после их «математического предсказания» на основании разработанной ранее теории.

Эти и подобные им достижения в сочетании со строгостью, точностью и убедительностью математических доказательств могут создать впечатление, что математика - это инструмент для получения новых глубинных знаний об окружающем мире. Такой вывод ошибочен, поскольку любой язык, в том числе и математический, – это только средство общения и описания действительности, что, несомненно, является частью познавательного процесса, но никак не источником нового знания.

К сожалению, современные люди, имея в своём распоряжении язык и хорошо научившиеся говорить, настолько уверовали в силу слова, что во множестве случаев своё незнание восполняют пустой болтовнёй, набором слов, абсолютно не соответствующим никаким объективным явлениям природы. Так, появляются выдуманные «одарёнными» умами понятия: «душа», «дух», «аура», всякие «чакры – шмакры» и прочая дребедень. Если за подобными понятиями и стоят какие-либо объективные явления, то они должны быть изучены научными методами, получить соответствующее научное объяснение.

Точно так же за многими страницами математических символов и многоэтажных формул, которые магически завораживают и сбивают с толку, может ничего не стоять в действительности, кроме стремления их авторов поупражняться в математических изысках.

Новые знания получаются не разговорами, рассуждениями или расчётами, а практическим опытом, при взаимодействии с окружающей природой с помощью органов чувств. Язык, в том числе и математический, служит лишь для удобного накопления, обобщения, анализа знаний и передачи знаний от одного человека к другому.

Математика представляет собой абсолютно бесполезный набор закорючек, если использующий её человек не имеет практического опыта и не может определить соответствие между математическими символами и явлениями действительности. Покажем это на очень простом примере. Запишем две формулы:

Почти любой школьник 6-7 класса сможет объяснить математическое значение каждого символа в этих формулах. А именно, что символы   С, V  и m обозначают некоторые числа. Горизонтальная черта означает, что верхнее число следует разделить на количество частей, равное нижнему числу. А знак  =  означает, что число С равно тому, что получится в результате деления. Но подавляющее количество даже вузовских студентов (чаще гуманитарных специальностей) оказываются в полном замешательстве, когда им сообщают, что одна из этих формул определяет такое явление природы, как концентрация вещества, и нужно указать, какая из этих формул верна? Специальные многократные опросы показали, что правильные ответы составляют не более 10%. Это объясняется тем, что у отвечающих при достаточном уровне математических знаний нет практического опыта в данной области. В то же время студенты биолого-химического факультета, которые на практических занятиях регулярно готовят различные растворы, дают правильный ответ не менее чем в 90% случаев. Но эти же студенты не могут определить, какая из двух следующих формул соответствует закону Ома:    

несмотря на то, что большинство правильно называют R сопротивлением,U напряжением, а I силой электрического тока.

Отсюда следует весьма важный вывод: математика может успешно применяться только при глубоком знании природных процессов и явлений, когда исследователь, хорошо зная математические символы и математические законы, может правильно соотносить их с определёнными свойствами реальной действительности.

Для некоторых читателей на всякий случай укажем, что правильными из рассмотренных являются формулы 2) и 3).

То, что математика тесно связана с практическим опытом можно, показать и на хорошо известных исторических примерах возникновения математических идей с последующим их развитием в новые разделы математики.

Так, теория вероятностей появилась как инструмент предсказания выигрыша в карточных играх. И, несмотря на то что первоначально эта теория использовалась для удовлетворения, можно сказать, низменных потребностей азартных игроков, в дальнейшем она явилась мощным толчком в развитии многих отраслей науки и техники, о чём можно судить хотя бы по масштабам современного применения математической статистики.

Другим примером является возникновение дифференциального и интегрального исчисления, когда с развитием физики понадобилось рассчитывать реальные перемещения тел, движущихся с переменными скоростями и вычислять площади фигур сложной формы. В современной науке это направление, получившее название математического анализа, стало одним и наиболее мощных инструментов описания громадного множества природных явлений, параметры которых представляют собой переменные величины.

И, наконец, абсолютно бесспорным аргументом в пользу громадной роли математики в современном мире является её вклад вместе с физикой и химией в развитие компьютерной техники. Компьютеры на много порядков повышают производительность труда и расширяют наши возможности в самых различных отраслях деятельности: науке, промышленности, сельском хозяйстве, медицине, образовании, военном деле. Правда, для последней из указанных сфер выражение «производительность труда» может иметь некоторый аморальный оттенок.

2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ  

2.1. Энергия как важнейшая характеристика
      материальных процессов

Анализ современного научного знания (см. гл.1) показал, что его деление на физику, химию, биологию и гуманитарные науки – это лишь удобный тактический приём, позволяющий более детально изучать различные стороны действительности. Отдельные науки, изучая разные уровни организации материи, устанавливают специфические для каждого уровня законы. Но некоторые из этих законов оказываются частными случаями общих фундаментальных законов природы, справедливых для всех материальных систем и процессов, что служит подтверждением единства мира.

К таким фундаментальным всеобщим законам в первую очередь следует отнести законы превращения веществ и энергии. Но, учитывая, что вещество определяется как нечто, имеющее массу (см. п.1.1.), а масса (m) связана с энергией (Е) знаменитой формулой Эйнштейна:

                                              Е = m c2 ,                                                  (2.1)

где       с – скорость света в вакууме,

достаточно говорить лишь о законах превращения энергии.

Прежде чем рассматривать эти законы, необходимо чётко определить суть понятия «энергия». Опыт обсуждения этого понятия выявил парадоксальную ситуацию, когда подавляющее большинство людей, даже имеющих высшее образование, не могут объяснить, что такое энергия. Это опять-таки демонстрирует, как в нашей жизни отсутствующее действительное знание заменяется словоблудием. Мы ещё раз убеждаемся, что произносить слово и широко на каждом шагу его использовать вовсе не означает понимать, что в действительности оно означает. Пагубность ситуации состоит в том, что неспособность объяснить смысл произносимых слов означает и неспособность применять знание на практике. Среди студентов только примерно один из пятидесяти мог дать определение механической работы как силы, умноженной на расстояние, или, реже, определить изменение электрической энергии как произведение напряжения и величины перемещённого заряда.

Философия, которая является наукой, обобщающей всё человеческое знание, даёт следующее очень простое определение энергии: энергия – это мера движения материи. Под движением имеются в виду любые изменения в материальных системах. Все изменения есть результат взаимодействия систем. В результате взаимодействия системы изменяют свои характеристики. Мерой этих изменений и является энергия. Таким образом, взаимодействие есть процесс, в результате которого одни системы получают, а другие – теряют энергию, а весь мир есть множество систем, обменивающихся энергией.

Предельно абстрактно любую систему можно изобразить так:

Из приведённых рассуждений следует, что, если в наблюдаемой системе происходят какие-либо изменения, это означает, что система либо получает, либо теряет энергию. Получение энергии обычно (но, возможно (?), не всегда) сопровождается изменением количественных характеристик в сторону увеличения. Например, может возрасти масса, увеличиться давление или объём, повыситься температура и т.д. Система перейдёт в новое состояние с высоким уровнем энергии.

И, наоборот, теряя энергию, система изменит свои характеристики в противоположном направлении и перейдёт в состояние с низкой энергией.

Можно привести и более конкретный пример реальной системы в виде стакана с жидкостью, в которой происходит взаимодействие разных химических веществ (рис.2.2).

Рис. 2.2. Некоторые варианты результатов
взаимодействий молекул в растворе

Изменение  окраски раствора (вариант 1) уже есть изменение, следовательно, является свидетельством взаимодействия и превращения энергии. Цвет может не измениться, но измèниться температура (вариант 2), следовательно, также произойдёт взаимодействие с превращением энергии. Могут происходить и любые другие изменения: появятся пузырьки газа (вариант 3), может выпасть осадок, затвердеть раствор и т.д. На практике чаще наблюдаются комбинации различных изменений.

Наблюдения за происходящими изменениями и лежат в основе научных исследований. Регистрируя изменения, учёный начинает искать причины (системы, которые взаимодействуют друг с другом), определяет количественные соотношения между изменениями, в результате появляется открытие нового типа взаимодействия, нового вида сил или неизвестного ранее явления. Именно поэтому понятие энергии является одним из важнейших при описании природных явлений.

Вся наша деятельность – это взаимодействия с различными системами и производство каких-либо изменений в окружающем мире.

2.2. Виды сил и виды энергии

То, что заставляет изменяться систему, называется силой. В наших обычных ощущениях, касающихся механических явлений, это то, что тянет или толкает, растягивает или давит. Силу можно определить также как меру интенсивности взаимодействия. Чем больше сила, тем больше при прочих равных условиях произведённая работа (полученная или затраченная энергия). Наличие силы не означает, что изменение и превращение энергии должны обязательно произойти. Такая ситуация означает, что есть другая сила, равная данной, но противоположно направленная, и существует равновесие сил. В этом случае говорят лишь о наличии возможности произвести какие-либо изменения. В механике такая возможность, обусловленная взаимным расположением тел (масс), получила название потенциальной энергии.

Силы бывают разных видов. В настоящее время известны четыре основных типа сил и соответствующие им гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Каждый вид энергии (взаимодействия) определяется каким-либо конкретным свойством материальной системы.

Гравитационные взаимодействия определяются таким свойством, как масса и проявляются в наличии сил притяжения, которые пропорциональны массам взаимодействующих тел и обратно пропорциональны квадрату расстояния между центрами масс. Эти силы преимущественно определяют все движения в больших масштабах Вселенной (планеты, звёзды, галактики). Совокупность явлений таких масштабов принято называть мегамиром.

Электромагнитные взаимодействия определяются таким свойством тел, как электрический заряд и проявляются в возникновении силы между двумя зарядами, которая пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В отличие от гравитационных сил заряды бывают 2 сортов, которые принято обозначать + и –, причём притягиваются только разноимённые заряды, а одноимённые всегда отталкиваются. Магнитные силы возникают между двумя потоками зарядов. Если потоки параллельны и одноимённые заряды текут в одном направлении (разноимённые – в разных), то магнитные силы проявляются в отталкивании потоков. При течении одноимённых зарядов в разных направлениях потоки зарядов испытывают притяжение. Периодическая смена направлений электрического тока вызывает распространение в окружающем пространстве силовых полей, которые называются электромагнитными волнами, характеризующимися частотой колебаний, равной частоте переменного электрического тока.

Электромагнитные силы практически полностью определяют процессы взаимодействия ядер атомов с электронами, а также процессы образования молекул и макроскопических тел из атомов. То есть эти силы в значительной мере определяют явления микромира (масштабы менее 10-4 м) и макромира. Макромиром принято называть масштабы явлений, с которыми наиболее часто приходится иметь дело человеку в повседневной жизни и о которых можно сравнительно легко получить правильные представления, не прибегая к специальным научным методам или приборам. Масштабы таких явлений находятся в пределах 10-4 - 104 м.  Твёрдость и прочность окружающих нас тел определяется исключительно электромагнитными взаимодействиями атомов и молекул. Гравитационные силы здесь не проявляются, потому что они на 37 порядков меньше, чем силы между электрическими зарядами частиц.

Гравитация в макромире проявляется только в виде общей тенденции всех тел двигаться по направлению к центру Земли. Движение воздушных и водных масс на планете – это тоже результат гравитационных взаимодействий. Более холодные плотные массы, двигаясь вниз под действием силы тяжести, выдавливают вверх более тёплые и лёгкие массы (конвекция), в результате чего возникают круговороты с горизонтальными участками движения (адвекция (ветер) и океанические течения). Реки текут также под действием силы тяжести, хотя предварительное испарение воды происходит под действием тепла (механическая энергия молекул). Тепло, в свою очередь, есть результат превращения электромагнитного излучения Солнца. В отдельных случаях на нагрев может влиять и внутреннее тепло земли.

В мегамире электрические силы проявляются не так сильно, как гравитационные, поскольку крупные тела обычно имеют равное соотношение положительных и отрицательных зарядов, т.е. электрически нейтральны, или разница в зарядах очень ничтожна. Если же по какой-то причине равновесие зарядов в макротелах нарушается, то возникают колоссальные силы, несопоставимые с гравитационными взаимодействиями, что видно на примере грозовых разрядов. Основное проявление электромагнитных взаимодействий в мегамире – это различные виды электромагнитного излучения звёзд и других галактических и внегалактических объектов (см. п. 4.3, 4.4).

Сильные взаимодействия проявляются в некоторых процессах, протекающих с участием элементарных частиц, в частности, в  виде сил, удерживающих нейтроны и положительно заряженные протоны в ядрах атомов. Поэтому эти силы ещё называют ядерными. На расстояниях, не превышающих 10-15 м, протоны испытывают колоссальные силы электрического отталкивания, но не разлетаются, поскольку ядерные силы на 2 порядка сильнее электрических. По аналогии с массой и электрическим зарядом, свойство, определяющее сильное взаимодействие, называется цветовым зарядом, или просто «цветом».

Слабые взаимодействия определяются ещё одним типом сил, которые проявляются при некоторых превращениях элементарных частиц, протекающих обычно с образованием частицы нейтрино. Свойство частиц, определяющее такое взаимодействие, получило название лептонный заряд.

Исчерпывающей теории сильных и слабых взаимодействий пока не создано. Такие взаимодействия описываются преимущественно как экспериментальные факты, из которых следует, что  указанные силы ослабевают с расстоянием значительно быстрее, чем гравитационные и электромагнитные и за пределами ядра атома практически не проявляются. В пределах же радиуса действия (≈10-15 м) слабые силы слабее ядерных на 14 порядков. В свою очередь, гравитационные силы являются ещё более слабыми и в масштабах действия ядерных сил уступают им на 39 порядков.

Поскольку гравитационные и электромагнитные силы убывают с расстоянием значительно медленнее, они получили название дальнодействующих, а силы сильных и слабых взаимодействий называются короткодействующими.

2.3. Классификация систем
по интенсивности взаимодействий

По интенсивности обмена энергией и веществом все материальные системы теоретически принято делить на изолированные, закрытые и открытые.

Изолированные системы не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Это означает, что окружающие системы никак не влияют на процессы в изолированных системах.

Закрытые системы обмениваются со средой энергией, но не обмениваются веществом.

Открытые системы обмениваются со средой и веществом, и энергией.

Иногда изолированные и закрытые системы объединяют в одну группу и называют замкнутыми системами.

Представленная классификация систем весьма условна, в чём можно убедиться, если попытаться найти примеры конкретных природных систем, которые соответствовали бы указанным классам.

Поиск примеров изолированных систем сразу же покажет, что таких систем в действительности не существует, поскольку если и можно представить себе некоторый герметичный ящик, в который никакие материальные частицы не проникают (вещество не входит и не выходит), то оградить внутренний объём этого ящика от всех силовых полей (например гравитационного) невозможно. А поле – это переносчик энергии.

В таком случае указанный ящик можно считать закрытой системой. Но опять-таки в современной физике известно, что всё наше пространство пронизывается различными элементарными частицами, многие из которых обладают высокой проникающей способностью и имеют массу, следовательно, вещество может также проникать в наш ящик и покидать его. Это означает, что и закрытой системы мы не получили.

Кроме того, надо также учесть, что в соответствии с формулой 2.1 (п.2.1) энергия может превращаться в массу и наоборот. В таком случае тем более теряется смысл приведённой классификации систем, поскольку понятия закрытые и изолированные системы представляют собой абстракции, которым в действительности ничего не соответствует, и все материальные системы являются открытыми.

Однако существующая классификация не совсем бессмысленна, так как, во-первых, абстрактные понятия часто являются удобным инструментом построения теорий, а во-вторых, во многих реальных системах обмен энергией или веществом настолько мал, по сравнению с другими окружающими процессами, что им можно пренебречь и систему можно считать изолированной или закрытой. Закрытой системой, например, можно считать нашу планету, для которой нельзя пренебречь потоком солнечной энергии, но можно пренебречь количеством вещества, попадающего из космоса в виде метеоритов и космической пыли, и веществом, теряемым в виде рассеивающихся молекул атмосферы.

Примером абстрактного понятия, которому в действительности ничего не соответствует, но без которого нельзя обойтись, является понятие точки в математике. Практически ни одна математическая теория не может быть создана без использования этой абстракции. В то же время в природе нельзя найти ни одного материального объекта, соответствующего этому понятию. Точка означает нечто, не имеющее размеров, а таких объектов в природе не существует. Любая точка в данном тексте – это несколько миллионов молекул краски, тогда за точки, казалось бы, можно принять атомы, из которых состоят молекулы краски. Но атом имеет размеры, в сотни тысяч раз превышающие размеры ядра, в котором сосредоточена почти вся его масса, и ядро можно считать точкой по отношению к атому. Но и ядро состоит из более мелких элементарных частиц и также не является точкой. Таким образом, в каждом абстрактном построении мы можем принимать в качестве точки самые различные материальные объекты, в зависимости от конкретных задач. Точками можно считать дома при взгляде на них из космоса, города на карте, планеты  в Солнечной системе, звёзды в галактике и т.д.

Поэтому, подобную и весьма полезную нагрузку несут и такие абстрактные понятия как изолированная, закрытая и открытая системы, в чём мы убедимся несколько позднее (п. 2.5, 2.6).

2.4. Первый и второй законы термодинамики

Исторически сложилось так, что основным видом энергии, которую первоначально начал использовать человек, была тепловая энергия горения. Поэтому раздел физики, изучающий превращения энергии, и в настоящее время сохраняет традиционное название «термодинамика», а законы превращения называются законами термодинамики.

Первый закон термодинамики называется законом сохранения энергии в тепловых процессах. Его вполне можно считать главным законом природы, основой всех природных явлений. В химических процессах, не затрагивающих релятивистских явлений с превращением массы в энергию, некоторым аналогом этого закона можно считать закон сохранения массы веществ.

Представление о том, что в природе существует нечто незыблемое, постоянное, не возникающее и не исчезающее, существующее вечно, формировалось в умах людей тысячелетиями, по мере увеличения знаний и развития интеллекта. На определённом этапе развития это нечто выразилось в понятии бога. Позднее, с развитием науки появилось понятие энергии. Ставя строгие научные эксперименты, многие учёные начали приходить к выводу, что энергия как мера всего происходящего не исчезает и не появляется, а только преобразуется в виде взаимодействия систем, что можно выразить в виде закона сохранения энергии. Поскольку закон сохранения относится абсолютно ко всем явлениям природы, его доказательства можно найти в трудах большого количества учёных. Но в качестве авторов закона обычно называют три имени: немецкого врача Ю.Р. Майера (1814-1878), немецкого физиолога Г.Л. Гельмгольца (1821-1894) и английского физика Д.П. Джоуля (1818-1889).

Суть закона сохранения энергии формулируется следующим образом. Энергия не возникает из ничего и никуда не исчезает бесследно, а только превращается из одной формы в другую (передаётся от системы к системе).

Конкретный пример цепочки превращений энергии представлен на рис.2.3.

Второй закон термодинамики называют законом рассеивания энергии. Этот закон утверждает, что данное количество одного вида энергии нельзя полностью превратить в другой вид энергии, часть энергии всегда будет потеряна. Потерянная энергия обычно рассеивается в виде тепла, но может теряться и в виде других видов энергии. Например, при механической обработке материала кроме нагрева возникает шум. Это означает, что часть энергии расходуется на колебания воздушной среды, превращается в звук. В то же время нагрев обрабатываемой детали может быть настолько сильным, что деталь начинает излучать свет – энергия рассеивается в виде электромагнитных волн. Когда же звук и свет поглотятся средой, то результатом этого станет некоторое повышение температуры среды или произойдут какие-либо другие изменения.

Рассеивание приводит к тому, что любую производимую работу можно характеризовать коэффициентом полезного действия: Кпд = Еп / Ез, где Еп – произведённая полезная работа, Ез – вся израсходованная (затраченная)  энергия. КПД принято указывать в процентах, обычно он невысок и редко превышает 50%. Даже в такой машине, как современный автомобиль, который совершенствуется уже не менее 100 лет, КПД составляет величину не более 40%.

Рассеивание происходит потому, что окружающий мир – это бесконечное множество систем, и они практически никогда не взаимодействуют попарно, а почти всегда одновременно в большом количестве. Наблюдатель не в состоянии отслеживать все взаимодействия, его обычно интересует  вполне определённое преобразование, которое он и определяет как полезное. Все остальные взаимодействия в этом случае попадают в ранг ненужных или бесполезных. Абстрактная схема, позволяющая продемонстрировать механизм рассеивания энергии, представлена на рис. 2.4.

На рисунке кружками обозначены различные материальные системы, а стрелками - направления передачи энергии. Одной из систем, например, может быть бензин, запас энергии которого определяется его массой и калорийностью. Энергия сгорания бензина расходуется на нагревание двигателя, на нагревание выхлопными газами атмосферы, на превращение в механическую работу двигателя. Только работа последнего вида является для нас полезной (на рис.2.4. показано жирной стрелкой). Все остальные виды преобразования энергии считаются бесполезными или даже вредными. Например, нам не нужно, чтобы при движении транспорта разрушалась дорога,  не хотелось бы также, чтобы нас окатывало с головы до ног грязью, выброшенной из под колёс автомобиля. Вся эта вредная или бесполезная работа производится за счёт энергии сгораемого топлива, но в большинстве случаев мы не можем исключить такие взаимодействия.

Из сказанного следует, что КПД имеет субъективную природу, т.е. существует только при наличии наблюдателя. Без наблюдателя (оценщика) никто не может оценить, какая из стрелок является полезной. В таком случае объективно действуют только законы сохранения, в соответствии с которым вся энергия, содержащаяся в топливе, будет распределена между множеством других материальных систем, при этом в целом энергии не убавится и не добавится.

Схема превращения энергии на рис.2.3

с учётом закона рассеивания будет иметь вид, представленный на рис.2.5.

2.5. Энтропия как мера необратимости процессов

Рассеивание энергии является причиной необратимости подавляющего большинства природных процессов, о чём уже говорилось в п.1.1. В качестве конкретного примера можно привести ситуацию, когда молекула, получившая по стечению обстоятельств большую порцию кинетической энергии, через определённое число столкновений передаст эту энергию другим молекулам. Вполне понятно, что этот процесс обмена энергией в обратном порядке произойти не может, так как невозможно, чтобы все молекулы, получившие энергию, вернули её первой молекуле и оказались бы на исходных местах с исходными скоростями.

По этой причине в любой большой материальной системе (системе с большим количеством взаимодействующих элементов) энергия имеет тенденцию к равномерному распределению между частями (элементами) системы. Это проявляется, например, в том, что все тела после неравномерного нагрева через некоторое время становятся равномерно тёплыми. А при  контакте тел тепловая энергия всегда передаётся от более тёплого тела к холодному (тепло необратимо рассеивается). Состояние системы с равномерным распределением энергии называется термодинамическим равновесием и является более вероятным, чем состояние с неравномерным распределением энергии. Термодинамическое равновесие также принято считать неупорядоченным, хаотичным состоянием системы.

Для оценки степени необратимости процессов и степени приближения к термодинамическому равновесию в физике используется математическая характеристика, получившая название энтропии (S) и определяемая в соответствии с формулой [13, с.182]:

                                         S = k lnW ,                                                    (2.2)

где k – постоянная Больцмана, ln – натуральный логарифм, W - термодинамическая вероятность состояния, которая представляет собой число вариантов распределения энергии между частями системы без изменения её основных макроскопических (усреднённых) характеристик (давление, объём, температура). Например, состояние, когда вся энергия тела сосредоточена в одной молекуле, а все остальные молекулы имеют нулевую энергию, может быть реализовано только одним способом, поэтому является маловероятным и имеет W = 1. При равномерном распределении энергии между всеми молекулами количество возможных вариантов распределения является максимальным и W характеризуется практически бесконечно большой величиной (W→ ∞). Не следует путать термодинамическую вероятность с математической вероятностью, минимальное значение которой измеряется нулём (невероятное событие), а максимальное – единицей (обязательно происходящее событие).

Из сказанного следует, что внешнее воздействие может вывести систему из состояния термодинамического равновесия и понизить её энтропию. И наоборот, при отсутствии внешних воздействий (изолированное состояние) постепенно произойдёт возвращение к термодинамическому равновесию с максимальными значениями W и S.

Используя понятие энтропии, второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: В изолированной системе энтропия всегда возрастает или имеет максимальное значение. В таком виде закон получил название закона возрастания энтропии, который отражает существующую в природе тенденцию - стремление материальных систем перейти в более вероятное состояние с максимальной энтропией.

Тенденцию к рассеиванию в материальном мире можно продемонстрировать простейшим опытом, который может провести даже любой школьник. Нужно взять листок бумаги, изрезать его по возможности на очень мелкие кусочки и положить их в виде кучки на какое-либо часто используемое место  в квартире (стул, стол и пр.). Далее все члены семьи должны вести себя так, как буд-то не замечают этих бумажек. Если нужно сесть на это место, – садятся, если нужно что-либо положить, – кладут и т.д. Таким поведением будет имитироваться самопроизвольное поведение бумажек в системе, в которой происходят постоянные взаимодействия и превращения энергии. Результат опыта настолько предсказуем, что опыт можно и не проводить. Бумажки через некоторое время окажутся разбросанными по всей квартире. Состояние, когда бумажки могут оказаться снова все вместе, практически невероятно (имеет низкую вероятность W и низкую энтропию S). Состояние с распределением по всей квартире более вероятно (большое значение W и S).

В окружающем мире такая тенденция проявляется в том, что все предметы со временем разрушаются, материя рассеивается. Нет ничего вечного. Всё появляется и всё исчезает. Речь может идти только о времени жизни того или иного объекта (неживого и живого). Для одних это время измеряется миллиардными долями секунды (некоторые элементарные частицы), для других - миллиардами лет (звёзды и галактики).

3.  ЖИЗНЬ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ФИЗИКИ И ХИМИИ

3.1.  Закон сохранения энергии и живые системы

До появления современного научного знания живое и неживое рассматривалось людьми как два противоположных явления, не имеющих между собой почти ничего общего. Действительно, если представить себе человека Средневековья, даже весьма образованного, но не имеющего ни малейших представлений об атомарном и молекулярном строении материи, то единственное, что этот человек мог бы узреть общего, например, у бычка и камня, лежащих на лугу, это то, что и тот, и другой характеризуются некоторым весом и определёнными пространственными размерами.

Даже с появлением первых научных исследований в биологии господствовало мнение, что если и существуют какие-либо законы природы, то они различны для физико-химических и биологических явлений. Однако при постепенном проникновении методов физики и химии в биологические исследования становилось ясно, что многие, казавшиеся ранее таинственными, биологические явления могут быть описаны как определённые комбинации физических и химических процессов. Со временем становилось всё меньше неразгаданных биологических явлений и возник вопрос: Можно ли будет в конечном итоге полностью понять строение и функционирование живого, опираясь только на физику и химию? Мнения учёных по этому вопросу разделились на два направления.

Первое направление получило название физикализм. Его сторонники утверждают, что в живом ничего нет, кроме физических и химических процессов, и со временем живое можно будет полностью математически описать, рассчитать любые варианты его строения и поведения, опираясь только на законы физики и химии.

Второе направление получило название витализм. По мнению сторонников этого направления, живое принципиально отличается от неживого тем, что помимо физических и химических сил в живом действуют особые непознаваемые жизненные силы («сила жизни»,  лат. «vis vitalis»). Поэтому живое никогда нельзя будет полностью описать и математически рассчитать только на основе законов физики и химии.

К этому направлению можно отнести и тех учёных, которые считают, что помимо материи в мире существует нематериальная субстанция, наличие которой и определяет превращение неживой материи в живую. Одни называют эту субстанцию энтелехией, другие – духом, душой, используют и иные термины. Интересно отметить, что, несмотря на то, что дух и душа – понятия явно религиозного происхождения, есть учёные, которые, полностью отвергая религию, как выдумку, не имеющую ничего общего с действительностью, тем не менее абсолютно уверены в исключительном значении понятий духа, души для описания природных явлений [32].  

Одним из первых доводов виталистов в пользу необходимости применения понятия жизненной силы был тезис о том, что поведение живых организмов не соответствует первому закону термодинамики. Если для перемещения неживого физического тела (камня) необходимо действие внешней силы (воздействие со стороны другого тела), которая в соответствии с законами механики произведёт работу с затратой энергии: Е = F l, где F – сила, l – расстояние, на которое произведено перемещение, то перемещение животного, как казалось первоначально, может начаться без каких-либо видимых причин, и непонятно, какая сила производит работу по перемещению его массы.

Дальнейшее изучение физиологических механизмов превращения энергии в живых организмах показало, что они имеют способность находить источники энергии, накапливать энергию в своём теле и в дальнейшем использовать её по мере необходимости. Схема эксперимента, с помощью которого доказывается, что производимая животным работа строго соответствует получаемой извне энергии, представлена на рис. 3.1.

В теплоизолированную камеру помещают животное, которое получает строго контролируемое по калорийности QП количество пищи. По изменению температуры t в камере определяют количество образующегося тепла QК. Наблюдения показывают, что при изменении количества пищи всегда соответствующим образом меняется количество образующегося тепла, т.е. выполняется равенство: QП = QК. Из этого следует, что закон сохранения энергии полностью справедлив и для живых организмов.

3.2. «Антиэнтропийность» жизни

Следующим доводом виталистов в пользу использования жизненной силы было утверждение о том, что если в неживой природе все процессы протекают в сторону увеличения энтропии, всё (вещество и энергия) стремится рассеяться, разрушиться, перейти в более вероятное состояние, то в живой природе наблюдается противоположная, антиэнтропийная тенденция, когда из простых неорганических молекул образуются сложные, маловероятные упорядоченные структуры. Энтропия живого понижается. Причиной понижения энтропии виталисты считали жизненную силу.

Ошибка такого объяснения состояла в том, что закон возрастания энтропии справедлив только для изолированных систем. Не изолированные системы, испытывающие воздействия среды, даже и в неживой природе, при определённом стечении обстоятельств могут понижать свою энтропию. Но обязательным условием для этого является поступление энергии.

Например, снег, лежащий на вершине горы, со временем переходит в более вероятное состояние – скатывается к подножью. Однако через некоторое время на вершине вновь появляется снег, система переходит в состоянии с более низкой энтропией. Источником энергии для этого является солнечная радиация, которая нагревает океан, приводит к испарению воды с последующим образованием осадков.

Главной особенностью живых систем является постоянное потребление энергии, за счёт которой каждый организм борется с возрастанием энтропии. Эта борьба в конечном итоге для каждой особи заканчивается победой энтропийной тенденции – организм умирает. Однако жизнь в целом, по крайней мере в течение известного нам периода в 4 миллиарда лет, постоянно понижала свою энтропию, генерируя новые, всё более сложные формы живых существ.

Таким образом, антиэнтропийные тенденции существуют как в живой, так и в неживой природе и не являются спецификой живого. Особенностью живого является лишь то, что процесс понижения энтропии настолько ярко выражен, что его можно считать важнейшим признаком всех живых организмов.

3.3. Элементарный состав живых организмов

Одним из спорных вопросов в противостоянии витализма и физикализма был и вопрос о различии или тождественности материи, из которой состоят живые организмы и неживая природа. Первоначально вполне здравым и логичным выглядело утверждение, что живые организмы и неживая природа отличаются тем, что состоят из разной материи и задача науки заключается в том, чтобы выяснить, в чём эта разница состоит. По мере развития идеи о наличии особых элементарных частиц материи – атомов было точно установлено, что из атомов состоит и живая и неживая материя.

Когда же было установлено, что атомы совершенно чётко делятся на несколько десятков видов, и каждый вид стал называться химическим элементом, естественно возник вопрос, а не проявляется ли  различие между живым и неживым в том, что они состоят из разных химических элементов? Сегодня элементный состав верхних оболочек Земли (атмосфера, гидросфера, литосфера) и живых организмов хорошо изучен. Результаты этого изучения показывают, что при грубой оценке (в категориях «много – мало») оказывается, что элементы, преобладающие в земной коре, являются преобладающими и в живых организмах, точно так же как элементы, содержащиеся в земной коре в относительно малых количествах, содержаться в микроколичествах и в живых организмах. К исключениям из этого общего правила можно отнести углерод, которого в живых организмах заметно больше, чем в окружающей среде, а также кремний, алюминий и железо, которых, наоборот, в окружающей среде больше, чем в живых организмах. Количественные оценки показывают, что 14 преобладающих в живых клетках элементов, составляющих 99,5 % их массы, составляют и 98,8 % массы земной коры (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Содержание химических элементов в земной коре
и клетках человека, % от сухой массы

Элемент

O

Si.

Аl

Fе

Ca

K

Na

Mg

P 

Н

S

С

Cl

N

Земная кора

[22, с.31]

47

28

8

5

4

2,2

2,2

2,1

0,1

0,1

0,03

0,02

0,01

0,003

Клетки
человека

 [23, с.138]

65

Сле-ды

Сле-ды

0,004

1,5

0,35

0,15

0,05

1

10

0,25

18

0,15

3

Надо иметь в виду, что в представленной таблице не учтено содержание элементов в атмосфере и гидросфере, поэтому, в частности, слишком малой выглядит доля азота в неживой природе, в то время как его содержание в атмосфере составляет 78 %.

Элементы, доля которых в общей массе живых организмов составляет от десятых долей до десятков процентов, принято называть макроэлементами. К ним обычно относят С, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg, Na, Cl, Si. Первые 4 из указанных элементов с учётом их особой значимости для построения органических веществ называют органогенами. Иногда к органогенам относят также фосфор и серу.

Элементы, содержание которых измеряется  величинами порядка 10-3 – 10-4 % и относительно которых установлено, что наличие этих элементов обязательно для выполнения важных физиологических функций, принято называть микроэлементами. К ним следует отнести Fe (иногда относят к макроэлементам), Zn, Cu, Mn, Co, B, Mo, I, F. Все макро- и микроэлементы, без которых нормальное функционирование живых организмов невозможно, называют биогенными.

Все остальные элементы, относительно которых неизвестно, является ли их наличие обязательным условием выживания, называют ультрамикроэлементами. Их принято считать случайными примесями.

Таким образом, анализ элементарного состава живых организмов доказывает, что живое и неживое имеют общую материальную основу.

3.4. Химические взаимодействия атомов и молекул

Отличия живой материи от неживой начинают проявляться на уровне химической организации, когда атомы объединяются в молекулы. За объединение атомов отвечают электромагнитные взаимодействия электронов внешних электронных орбиталей. При объединении внешние электроны разных атомов  формируют общие молекулярные орбитали. На одной такой орбитали могут находиться один или два электрона. Состояние с одним электроном является неустойчивым. Атомы и молекулы в таком состоянии называются радикалами, они долго не существуют и энергично вступают в химические реакции. В результате образуются молекулы, в которых объединённые атомы удерживаются общими внешними орбиталями из спаренных электронов. Устойчивость пары объясняется тем, что электрон, будучи заряженной частицей, вращающейся вокруг собственной оси, создаёт магнитный момент, называемый спином. Магнитное поле, как известно, имеет определённую ориентацию в пространстве. Устойчивую пару образуют только электроны с противоположной ориентацией полей (спины антипараллельны). Два электрона с параллельными спинами (с одинаковой ориентацией магнитного поля) могут находиться только на разных орбиталях. Таким образом, одним из наиболее распространённых видов химической связи между атомами является связь в виде общей пары электронов. Если таких пар две, – связь называется двойной, если пар три, – тройной связью.

Количество атомов, которое может присоединить данный атом, определяется количеством внешних электронов, которые атом может отдать или принять до определённого предела. Таким пределом для атомов водорода и гелия являются 2 электрона на внешней орбитали, поэтому водород, имея в атомарном состоянии один электрон, при вхождении в молекулу может принять или отдать только один электрон. Для большинства остальных атомов насыщенное состояние на внешней орбитали образуется восемью электронами. Состояния с 2-мя электронами у гелия и 8-мью  внешними электронами у атомов инертных газов являются очень устойчивыми, поэтому они практически, за редким исключением, не вступают в химические реакции, представляя собой одноатомные молекулы. Остальные же химические элементы, в зависимости от вида, могут принимать или отдавать от одного до семи электронов, образуя соответствующее количество связей.

Энергия, которая выделяется при присоединении электрона, называется сродством к электрону. Сродство определяет, в сторону какого атома будет происходить смещение электронов.

Атомы с 1-3 внешними электронами имеют низкое сродство к электронам, склонны их отдавать, превращаюясь в положительно заряженные ионы (катионы). Такие атомы относятся к металлам.

Атомы с 6-7 внешними электронами склонны принимать электроны, превращаясь в анионы, имеют высокое сродство и являются неметаллами. Атомы с 4-5 внешними электронами обычно являются амфотерными, т.е. могут проявлять свойства как металлов, так и неметаллов.

Процесс присоединения электрона называется восстановлением, а отдающее электрон вещество называется восстановителем. Аналогично процесс потери электрона называется окислением, а забирающее  электрон вещество – окислителем.

Химическая связь между явным окислителем и восстановителем, при которой из-за полного смещения электронов в сторону одного атома образуются ионы, называется ионной. Примером является хлорид натрия Na+Clˉ. Химическая связь неметаллов образуется без смещения электронов или с малым смещением и называется ковалентной, например, ацетилен  Н-С≡С-Н.

Если в молекуле существует пара атомов с заметными различиями в сродстве к электрону, то в результате смещения электронов один атом оказывается с пониженной плотностью электронов и получает некоторый положительный заряд без образования ионной связи. Связь остаётся ковалентной. При этом второй атом соответственно получает некоторый отрицательный заряд. Эти заряды заставляют ориентироваться молекулы так, что разноимённые заряды  оказываются рядом и между молекулами образуется слабая связь, которая в десятки раз слабее ковалентной. Одним из атомов в таких парах обычно является водород, поэтому такая связь получила название водородной. Вторым атомом должен быть неметалл с высоким сродством к электрону (обычно О или N). Примером действия водородных связей является вода, молекулы которой образуют крупные агрегаты -кластеры (рис 3.2).

Водородные связи не дают молекулам воды разлететься и превратиться в газ. Это делает воду жидкостью, в то время как другие трёхатомные молекулы из неметаллов (СО2, Н2S, SO2, NO2) обычно являются газами. Водородные связи могут возникать и между разными частями одной крупной молекулы.

Химические реакции между молекулами происходят в результате их соударений, обусловленных тепловым движением. Чем выше скорость молекул (больше температура) и чем выше концентрация (количество молекул в единице объёма), тем больше скорость превращения веществ. Скорость реакции может также многократно увеличиваться при действии особых молекул - катализаторов, которые в результате реакции остаются неизменными. Роль катализаторов состоит в том, что они во время столкновений молекул ориентируют их в пространстве наилучшим образом.

3.5. Химический состав живых организмов

Все молекулы, которые входят в состав живых клеток, можно разделить на неорганические (минеральные) и органические.

Неорганические вещества - это молекулы простых веществ, или небольшие молекулы, в которых атомы металлов и неметаллов обычно находятся в окисленном состоянии в соединении с кислородом. Все эти соединения  делят на оксиды (соединения кислорода с каким-либо элементом), основания (соединения металлов с кислородом и водородом), кислоты (соединения неметаллов с кислородом и водородом) и соли (соединения металлов с неметаллами). Многие минеральные вещества хорошо растворимы в воде и при растворении распадаются на ионы. Основания при этом дают катионы металлов и анион ОН¯(щелочная среда), кислоты дают анионы из неметаллов и катионы водорода (протоны) Н+(кислая среда), соли дают катионы металлов и анионы из неметаллов (нейтральная среда).

Металлы входят в состав многих органических веществ и в реакционные центры ферментов, являются активаторами различных ферментов, участвуют вместе с анионами неметаллов в образовании мембранных электрических потенциалов. Неметаллы, в первую очередь углерод, являются основой построения органических молекул.

Органические вещества представляют собой линейные цепи или разветвлённые пространственные структуры из различного количества соединённых между собой атомов углерода, большинство из которых соединены также и с атомами водорода. Такая форма углерода называется восстановленной, в отличие от окисленного углерода в составе минеральных соединений: СО2, СО3¯¯. Название «органические» вещества получили потому, что в современных условиях они синтезируются почти исключительно живыми организмами, поэтому находятся только в составе организмов или в неживой природе как не полностью разложившиеся продукты жизнедеятельности. В качестве примера важного органического соединения приведём структурную формулу одной из аминокислот (аланин) (рис.3.3).

В сложных структурах органических молекул могут быть выделены отдельные части (группировки атомов), в состав которых входят атомы  различных металлов и неметаллов. Это вызывает неравномерное распределение электронной плотности. Такие группировки называют полярными. Остальные группировки, состоящие только из углерода и водорода, называются неполярными. Например, в формуле аланина (рис.3.3) имеются две полярных группы: одна с атомом азота, другая с двумя атомами кислорода.

Соотношение полярных и неполярных групп определяет характер взаимодействия молекул с водой, что существенно сказывается на характере протекания физических и химических процессов в клетках живых организмов. Вода составляет от 50 до 90 % массы активно функционирующих клеток.

Преобладание полярных групп способствует хорошей растворимости вещества в воде, и такие молекулы называются гидрофильными. Преобладание неполярных групп делает молекулы нерастворимыми в воде, и молекулы называются гидрофобными. Существуют молекулы и со смешанными гидрофильно-гидрофобными свойствами.

Органические молекулы по особенностям строения и химическим свойствам делят на большое количество классов, из которых наиболее распространёнными и важными являются углеводы, жиры,  липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

Углеводы имеют общую формулу СnН2nОn, которая показывает, что соотношение атомов водорода и кислорода в молекуле такое же, как в воде -  2:1. Углеводы делят на моносахариды (число атомов углерода от 3 до 7), дисахариды (два соединённых в одну молекулу моносахарида) и полисахариды (разветвлённые или линейные полимеры из большого количества моносахаридов).

Моно- и дисахариды представляют собой мобильную, быстро превращаемую форму питательных веществ. Примерами моносахаридов являются глюкоза и фруктоза, относящиеся к гексозам (имеют по 6 атомов углерода). Примером дисахарида является сахароза (обычный пищевой сахар), которая представляет собой соединение глюкозы и фруктозы. Моносахариды входят в состав некоторых важных структурных молекул клетки. Например, в нуклеиновых кислотах содержатся пятиуглеродные сахара рибоза и дезоксирибоза.

Полисахариды являются запасными питательными веществами длительного хранения (крахмал у растений, гликоген у животных и грибов), составляют основу биологических слизей и гелей, формируют структурные элементы клеточных стенок растений (клетчатка или целлюлоза), а также образуют основу хитина – строительного материала клеточных стенок животных и грибов.

Жиры и липиды представляют собой сложные молекулы из глицерина и жирных органических кислот. Жиры выполняют функцию запасных питательных веществ длительного хранения. При окислении жиров выделяется примерно в 1,5 раза больше энергии, чем на ту же массу углеводов. С участием жиров и липидов формируются водо- и электроизолирующие структуры и водоотталкивающие (гидрофобные) покрытия. Жиры являются хорошим теплоизолирующим материалом. Липиды составляют основу важнейших структурных элементов всех живых клеток – биологических мембран. Структурно-строительная функция жиров и липидов проявляется также в формировании сложных молекул липопротеидов (соединений жиров и липидов с белками).

3.6. Белки как основа жизни

Белки считаются основой жизни, потому что большинство из них являются биологическими катализаторами – ферментами (энзимами), способными ускорять химические превращения в миллионы раз. Поэтому в живых организмах могут протекать такие реакции, которые в неживой природе невозможны. В живой клетке практически нет химических реакций, которые протекали бы без участия белков – ферментов. Именно в белковой молекуле скрыты основные загадки сложного строения, поведения и разнообразия живых существ.

Белок представляет собой линейный полимер, мономерами которого являются аминокислоты, имеющие общую формулу:

                                            NH2

                                  R

                                            COOH     ,    

где R – углеводородный радикал, строение которого и определяет различия между аминокислотами. Всего известно 20 природных аминокислот, входящих в состав белков. Соединение аминокислот происходит за счёт взаимодействия аминогруппы -NH2 одной кислоты с карбоксильной группой -COOH другой, в результате чего образуется прочная ковалентная связь, которая называется пептидной. Цепочки из аминокислот называются полипептидами. В составе одной белковой молекулы может находиться от нескольких десятков до нескольких сотен аминокислот. Количество аминокислот и порядок их соединения строго определены для каждой белковой молекулы. Строго заданная последовательность аминокислот называется первичной структурой белковой молекулы.

Благодаря определённой пространственной ориентации ковалентных химических связей, а также за счёт действия водородных связей цепочка аминокислот закручивается с образованием вторичной структуры белка, которая получила название α-спираль. Между различными участками α-спирали также возникают слабые водородные связи. Эти связи укладывают α-спираль в сложную пространственную структуру, которая называется третичной структурой белка. Иногда в образовании третичной структуры участвует и некоторое количество ковалентных связей. Эта структура строго однозначно определяется порядком соединения аминокислот. Каждой последовательности аминокислот соответствует своя третичная структура со строго определёнными свойствами и функциями белковой молекулы.

Основным свойством всех белковых молекул, определяющим специфику живого, является их способность легко менять свою третичную структуру под действием очень слабых и самых разнообразных внешних воздействий. Такими воздействиями могут быть свет, давление, температура, звук, наличие рядом других молекул, ионов, атомов и т.д. В результате этих воздействий одни водородные связи рвутся, а другие образуются. Молекула меняет свою форму, а следовательно, и функцию. Такие изменения являются обратимыми и называются обратимой денатурацией или конформацией белковых молекул. Именно конформация белков является основой способности живых организмов приспосабливаться к быстро меняющимся условиям окружающей среды, когда изменение условий приводит к изменению работы белковых молекул. Химические реакции и физические процессы, которые не нужны в новых условиях, прекращаются, а нужные реакции и процессы запускаются в действие.

Если воздействие на белки окажется слишком сильным, может произойти необратимая денатурация, когда рвутся или образуются прочные ковалентные связи. Такая денатурация приводит к гибели организма.

Каждый вид организмов представляет собой определённый набор белков, обусловливающих все жизненно важные свойства вида. Чем разнообразней набор белков, тем более сложным и совершенным является организм. В человеческом организме используется более 30 тыс. различных белков. Нормальное содержание белков в клетке составляет 10-20 % сырой массы  и 50-80 % сухого вещества.

Помимо основной ферментативной функции белки выполняют и многие другие функции, которые отличают живое вещество от неживого. К таким функциям относится рецепторная функция, состоящая в узнавании специальными белками – рецепторами различных физических и химических факторов среды с последующим изменением внутриклеточных процессов. Двигательная функция осуществляется специальными сократительными белками, к которым, в частности, относятся актин и миозин мышечных волокон. Часть белков выполняют транспортные функции, перемещая нужные вещества в клетку, а отходы – из клетки. Защитную функцию выполняют белки гамма-глобулины, которые связываются с чужеродными молекулами (антигенами), нейтрализуют их и способствуют последующему разложению или выведению из организма. Строительные белки обеспечивают формирование различных клеточных структур с заданными свойствами. Белки могут выполнять и энергетическую функцию. Однако расходование белков в качестве пищи начинается только в предельно критической ситуации, когда заканчиваются основные источники питания: углеводы и жиры.

Возможность беспредельного совершенствования организмов заложена в бесконечном разнообразии структур белковых молекул. Применение математических методов для оценки этого разнообразия показало, что число возможных вариантов строения белков, обусловленное изменением порядка аминокислот, может превышать величину 10100 (см. об этом подробней в гл.6). Как уже было отмечено (п.1.5), это число в миллиарды раз больше числа атомов во Вселенной.

Представленный анализ строения белковых молекул позволяет без использования понятия жизненной силы объяснить причину необычайно большого разнообразия живых организмов и их сложное поведение, с помощью которого они адаптируются к разнообразным условиям окружающей среды.

3.7. Наследственность и нуклеиновые кислоты

На определённом этапе развития биологических знаний одним из достаточно загадочных явлений жизни являлась наследственность, т.е. способность каждого вида производить потомство с сохранением свойств родителей. Передать свойства по наследству означает повторить строгий порядок аминокислот во всех белках. Эти белки не могут быть переданы новому организму в полном наборе, поскольку развитие организма начинается с микроскопической клетки. Следовательно, клетка должна обладать механизмом синтеза белков и иметь инструкцию с записью необходимого порядка аминокислот.

Носителем информации о строении белков в клетке являются особые молекулы, относящиеся к классу нуклеиновых кислот. Из этих кислот основная роль в хранении и передаче наследственной информации принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).

ДНК – это линейный полимер, состоящий из 2 параллельных цепей, связанных водородными связями. Каждая из этих цепей представляет собой последовательность сотен тысяч мономеров, называемых нуклеотидами. В состав одного нуклеотида (рис.3.4) входит остаток фосфорной кислоты, пятиуглеродный моносахарид дезоксирибоза и азотистое основание. В ДНК используется четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Особенностью этих оснований является способность попарно соединяться водородными связями за счёт соответствия их пространственной конфигурации и распределения электронной плотности (электрического заряда). Такая особенность называется комплементарностью. Аденин всегда образует пару с тимином (А-Т), а гуанин - с цитозином (Г-Ц).

При наличии одной цепочки нуклеотидов к каждому из них может последовательно присоединяться соответствующий комплементарный нуклеотид с формированием второй цепочки. Такой процесс построения одной химической структуры в соответствии с уже готовой молекулярной формой   получил название матричный синтез. Распределение внутримолекулярных сил в образующейся двойной цепочке таково, что она закручивается в спираль вокруг продольной оси. Данные, позволившие расшифровать строение ДНК, накапливались в течение всей первой половины ХХ столетия. Структура в виде двунитчатой спирали  окончательно была установлена в 1952 г. английскими учёными: биофизиками Френсисом Криком (р.1916), Морисом Уилкинсом (р. 1916) и американским биохимиком Джеймсом Уотсоном (р. 1928), получившими за это открытие Нобелевскую премию 1962 г.

Упрощенное символическое изображение ДНК без учёта множества химических и физических деталей может выглядеть следующим образом:

- ц – г – а – т – а – т – т – ц – г – а – т – а – т – а – г – ц – а – а –а -

- Г – Ц – Т – А – Т – А – А – Г – Ц – Т – А – Т – А – Т – Ц – Г – Т – Т – Т -

  триплет (кодон)

Порядок соединения аминокислот в белке записывается в ДНК порядком соединения нуклеотидов в одной цепи. Каждая аминокислота кодируется тремя рядом стоящими нуклеотидами. Такая тройка называется триплетом или кодоном. В каком порядке идут триплеты, в таком порядке в дальнейшем в клетке будут соединяться аминокислоты. Участок ДНК, кодирующий одну белковую молекулу, называется ген.

Главным свойством ДНК, обеспечивающим передачу наследственной информации из клетки в клетку, является способность каждой молекулы производить свою точную копию. Перед началом деления клетки двойная спираль раскручивается специальными ферментами и разъединяется на две самостоятельные нити. Каждая нить при участии фермента ДНК-полимеразы достраивает вторую цепочку, присоединяя имеющиеся свободные нуклеотиды. В результате взамен существовавшей одной двойной спирали появляются две её точных копии. Такой процесс удвоения ДНК получил название редупликация. После окончания редупликации клетка приступает к делению с образованием двух новых клеток, в каждой из которых находится по одной молекуле ДНК.

Помимо ДНК в клетке имеется ещё несколько видов нуклеиновых кислот, которые называются рибонуклеиновыми (РНК). Эти нуклеиновые кислоты отличаются тем, что являются преимущественно одноцепочечными, синтезируются матричным способом на соответствующих участках ДНК и не имеют в своём составе тимина, который в процессе синтеза заменяется на ещё один вид азотистых оснований – урацил (У). В нуклеотидах РНК происходит также замена дезоксирибозы на рибозу.

Информационная РНК (иРНК) представляет собой копию гена и непосредственно участвует в процессе синтеза белка (переносит информацию с ДНК на белок). Транспортная РНК (тРНК) – небольшие молекулы, осуществляющие доставку аминокислот к  иРНК и определяющие точное местоположение каждой аминокислоты, присоединяясь к  соответствующему триплету иРНК. Рибосомальная РНК (рРНК) – крупные молекулы, входящие в состав рибосом, являющихся органоидами, осуществляющими процесс синтеза белков.

К классу нуклеиновых кислот следует также отнести относительно небольшие молекулы, являющиеся основными накопителями и переносчиками химической энергии в клетке. Такими молекулами являются аденозинтрифосфат (АТФ) и гуанозинтрифосфати (ГТФ). Обе молекулы имеют однотипное строение и представляют собой соответствующий нуклеотид, соединённый с двумя остатками фосфорной кислоты. Химические связи между остатками фосфорной кислоты характеризуются большой энергоёмкостью. При их разрыве выделяется большое количество энергии, которая может быть использована для осуществления различных биохимических процессов.

3.8. Синтез белка

В каждой конкретной ситуации клетка должна производить определённый, нужный в данных условиях, набор белков, который составляет только ничтожную часть всех белков, закодированных в ДНК. Поэтому подавляющее большинство генов клетки в обычных условиях заблокировано, гены не готовы для запуска процесса синтеза белка. Каждый ген или кооперативная группа генов, имеет так называемый акцепторный участок ДНК, который отвечает за экспрессию (начало работы) или репрессию (прекращение работы) гена.

Условия, в которых должна произойти экспрессия гена, представляют собой определённый набор факторов, часть из которых (обычно некоторые появившиеся молекулы) так воздействуют на акцепторную зону, что запускается ферментативный процесс раскручивания кодирующего участка ДНК и разделение его на две нити. На одной из этих нитей, которая является кодирующей, с помощью фермента РНК-полимеразы, при наличии свободных нуклеотидов, начинается матричный синтез иРНК (транскрипция). У эукариот этот процесс протекает в ядре. После некоторых химических преобразований готовая иРНК перемещается из ядра в цитоплазму, где начинает протаскиваться через реакционный центр специальных немембранных органоидов – рибосом. Реакционный центр рибосом устроен так, что в нём одновременно могут разместиться два триплета. Вокруг рибосом находятся молекулы тРНК. На одном конце каждой тРНК имеется триплет, комплементарный одному из триплетов иРНК, а на другом конце – соответствующая молекула аминокислоты. Все молекулы находятся в хаотичном тепловом движении, но как только триплеты 2-х тРНК оказываются рядом с комплементарными триплетами в рибосоме, они тут же фиксируются водородными связями и ферменты рибосомы соединяют аминокислоты пептидной связью. После этого рибосома перемещается вдоль иРНК к следующему триплету, присоединяя аналогичным образом следующую аминокислоту и т. д. Процесс синтеза белка с участием иРНК, тРНК и рибосом называется трансляцией. Трансляция представляет собой превращение последовательности нуклеотидов (триплетов) в последовательность аминокислот полипептидной цепи. Образовавшаяся полипептидная цепь сворачивается в третичную структуру и начинает участвовать в соответствующих процессах клетки.

При появлении условий, в которых данный белок не нужен, акцепторная зона в результате отсутствия необходимых факторов или при появлении новых факторов изменяется так, что происходит репрессия гена, процесс синтеза данного белка прекращается.

3.9. Изменчивость организмов

До ХIХ столетия в биологии господствовало мнение, что всё разнообразие живых организмов было создано природой или Всевышним творцом одномоментно и является неизменным во все времена. Однако к ХIХ в. стало накапливаться много фактов, свидетельствующих о том, что виды меняются. Причём изучение ископаемых организмов разных геологических эпох показывало, что с течением времени появлялись всё более сложные и совершенные  виды, приспособленные к окружающей среде наилучшим образом. Объяснить подобные явления с точки зрения физических и химических процессов без привлечения понятия жизненной силы казалось совершенно невозможным.

В 1858 г. английские учёные Альфред Уоллес (1823-1913) и Чарльз Дарвин (1809-1882) высказали предположение, что в природе существует естественный процесс случайной, неуправляемой, но наследуемой изменчивости организмов. Эта изменчивость в сочетании с высокой плодовитостью приводит к появлению большого количества организмов с разнообразными свойствами, среди которых могут оказаться свойства, позволяющие лучше приспосабливаться к окружающей среде. Конкуренция, возникающая из-за ограниченности природных ресурсов, приводит к тому, что все представители вида, уступающие новым формам по степени приспособленности, вымирают и появляется новый вид из более совершенных организмов. Такое объяснение эволюции видов получило название теории естественного отбора. Однако оставалось много спорных вопросов, которые нельзя было объяснить, не зная физико-химических основ наследственности и изменчивости.

Такие знания появились к 40-м гг. ХХ столетия. Открытие нуклеиновых кислот и изучение их свойств блестяще подтвердило справедливость идей дарвинизма.

Свойства родителей воспроизводятся у потомков за счёт копирования и передачи по наследству молекул ДНК. Точное копирование не позволяет появляться новым видам, поскольку новый вид – это новая последовательность аминокислот в белках, а следовательно, и новая последовательность нуклеотидов в ДНК. Но из-за большой сложности процесса редупликации он обычно протекает с некоторыми случайными ошибками, которые получили название мутации. Случайные ошибки не могут быть полезными и целесообразными, поскольку всякая случайность и хаотичность приводит к беспорядку и разрушению (энтропия возрастает). Действительно, как показали генетические исследования, проводимые уже более 100 лет, подавляющее большинство мутаций губительны, или, по крайней мере, вредны. Но случаются мутации, которые никак не проявляются в свойствах и поведении организма. Такие изменения генетического материала получили название рецессивных, в отличие от проявляющихся доминантных мутаций.

Нормальная жизнедеятельность организма с рецессивными мутациями возможна, потому что у большинства организмов все гены задублированы, находятся в двух комплектах хромосом. Двойной набор хромосом появляется в результате оплодотворения при половом размножении, когда потомки получают один набор генов от материнского организма, а второй – от отцовского. Такие организмы называются диплоидными (см. п.3.13). Случайный процесс не может приводить к одновременной одинаковой мутации двух генов. Поэтому в случае мутации одного гена второй остаётся без изменений и обеспечивает нормальную жизнедеятельность.

В результате редупликации ДНК и размножения организмов рецессивные гены  накапливаются в популяции. В результате многочисленных скрещиваний возникает множество различных генетических комбинаций, среди которых изредка могут оказаться более удачные, чем существовавшие ранее. Организмы с такими новыми, более совершенными свойствами оказываются конкурентноспособными, эффективней добывают пищу, или лучше защищены от вредных факторов, или являются более плодовитыми и т.д. В результате конкуренции менее приспособленные особи постепенно вымирают и замещаются более совершенными организмами. Появляется новый вид. Этот процесс выживания наиболее приспособленных особей и был назван Чарльзом Дарвином естественным отбором.

3. 10. Клеточная организация живого

С появлением первых примитивных микроскопов в XVII в. удалось обнаружить, что тела организмов состоят из микроскопических ячеек. Впервые это увидел в 1665 г. английский учёный Роберт Гук (1635-1703), рассматривая под микроскопом срез пробки. Обнаруженные ячейки стали называть клетками. Чуть позднее, в 1680 г., голландский учёный Антонии ван Левенгук (1632-1723) обнаружил существование микроскопических одноклеточных организмов, хотя одноклеточными они были признаны только в 1848 г. [8, с.8]. Наблюдения, накопленные в течение почти 2-х веков применения микроскопа, привели биологов к убеждению, что из клеток состоят все живые организмы. В 1838 г. немецким ботаником Якобом Шлейденом (1804-1881) и в 1839 г. немецким зоологом Теодором Шванном (1810-1882) были сформулированы соответствующие теории клеточного строения растений и животных. Окончательным утверждением общей клеточной теории можно считать 1858 г., когда немецкий биолог Рудольф Вирхов (1823-1902) сформулировал одно из основных положений, согласно которому все клетки происходят только путём деления существующих клеток. Шлейден и Шванн не могли объяснить происхождение клеток и предполагали, что они могут образовываться из неклеточного вещества.

Клетки являются настолько сложными и разнообразными системами, что до настоящего времени не удаётся дать им краткое, точное и общее определение. Одно из распространённых, но явно не исчерпывающих, современных определений клетки звучит так: Клетка – это ограниченная активной мембраной упорядоченная структура биополимеров, осуществляющая самоподдержание, саморегулирование и самовоспроизведение за счёт постоянного обмена с окружающей средой веществом и энергией. Клеточная мембрана (см.п.3.11) является границей живой клетки и называется плазмалеммой.

Основные постулаты клеточной теории.

  1.  Всё живое состоит из клеток. Клетка – элементарная единица жизни. Вне клеток жизнь не существует.
  2.  Клетки всех организмов гомологичны по строению, т.е. имеют общее происхождение и общие принципы строения. Основу клеток составляют белки, управляющие ходом всех процессов в клетке. Строение белков закодировано в молекулах ДНК. Основные жизненно важные процессы в клетках (размножение, синтез белка, получение и использование энергии) имеют общую биохимическую основу.
  3.  Размножение клеток осуществляется только путём деления существующих (постулат Р. Вирхова)
  4.   Многоклеточные организмы – это сложные комплексы клеток, дифференцированных в различные ткани и органы, согласованное функционирование которых осуществляется под управлением надклеточных гуморальной и нервной систем регуляции.
  5.  Все клетки многоклеточного организма тотипотентны. Это означает, что каждая клетка организма имеет полный набор информации о строении всего организма (закодированное в ДНК строение всех белков). Тотипотентность свидетельствует о наличии потенциальной (принципиальной) возможности вырастить точную копию организма из одной клетки. Такой процесс называется клонированием.

Клонирование достаточно легко реализуется у растений, которые могут быть выращены из клетки в пробирке с питательной средой и добавлением гормонов. Клонирование животных из-за очень сложных взаимоотношений эмбриона с материнским организмом пока не может быть осуществлено вне организма, поэтому является очень сложной, трудоёмкой и дорогостоящей процедурой с большой вероятностью нарушений в развитии организма.

Все известные клетки принято делить на прокариотов и эукариотов. Прокаритными являются более древние по происхождению и примитивно устроенные клетки. Основным их отличием является отсутствие ядра - специального мембранного органоида, в котором хранится ДНК у эукариотных клеток. Прокариотными клетками являются только бактерии, которые в большинстве случаев представлены одноклеточными и, реже, нитчатыми организмами из клеток, соединённых цепочку. К прокариотам относят также сине-зелёные водоросли, или цианобактерии. В большинстве случаев клетки бактерий по своим  размерам не превышают нескольких микрометров, и  не имеют сложных мембранных органоидов. Генетическая информация обычно сосредоточена в одной кольцевой молекуле ДНК, которая расположена в цитоплазме и имеет одну точку начала и окончания редупликации. Этой точкой ДНК закреплена на внутренней поверхности плазмалеммы, ограничивающей клетку. Цитоплазмой называют всё внутреннее содержимое клетки.

Все остальные клетки, от одноклеточных организмов до многоклеточных грибов, растений и животных, являются эукариотными (ядерными). ДНК этих клеток представлена различным количеством отдельных не кольцевых (имеющих два конца) молекул. Молекулы связаны с особыми белками – гистонами и образуют палочковидные структуры – хромосомы, хранящиеся в ядре в изолированном от цитоплазмы состоянии. Клетки эукариотных организмов более крупные и имеют в цитоплазме помимо ядра множество разнообразных мембранных органоидов сложного строения.

Основной отличительной чертой клеток растений является наличие особых органоидов – хлоропластов с зелёным пигментом хлорофиллом, за счёт которого осуществляется фотосинтез с использованием энергии света. Растительные клетки обычно имеют толстую и прочную клеточную стенку из многослойной целлюлозы, которая формируется клеткой за пределами плазмалеммы и является неактивной клеточной структурой. Такая стенка обусловливает постоянную форму клеток и невозможность их перемещения из одной части организма в другую. Характерной особенностью растительных клеток является наличие центральной вакуоли – очень крупной мембранной ёмкости, занимающей до 80-90 % объёма клетки и заполненной клеточным соком, находящимся под большим давлением. Запасным питательным веществом растительных клеток является полисахарид крахмал. Обычные размеры растительных клеток составляют от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров.

Клетки животных обычно мельче растительных, имеют размеры  около 10-20 мкм, не имеют клеточной стенки, и многие из них могут менять свою форму. Изменчивость формы позволяет им перемещаться из одной части многоклеточного организма в другую. Особенно легко и быстро перемещаются в водной среде одноклеточные животные (простейшие). Клетки отделены от окружающей среды только клеточной мембраной, которая в особых случаях имеет дополнительные структурные элементы, особенно у простейших. Отсутствие клеточной стенки позволяет использовать, помимо всасывания молекул, и процесс фагоцитоза (захват крупных нерастворимых частиц) (см. п.3.11). Энергию животные клетки получают только в процессе дыхания, окисляя готовые органические соединения. Запасным питательным продуктом является полисахарид гликоген.

Клетки грибов имеют общие свойства как с растениями, так и с животными. С растениями их сближает относительная неподвижность и наличие жёсткой клеточной стенки. Поглощение веществ осуществляется так же, как и у растений, только всасыванием отдельных молекул. Общими чертами с животными клетками является гетеротрофный способ питания готовыми органическими веществами, гликоген в качестве запасного питательного вещества, использование хитина, который входит в состав клеточных стенок.

Неклеточными формами жизни являются вирусы. В простейшем случае вирус представляет собой одну молекулу ДНК, заключённую в оболочку из белка, строение которого закодировано в этой ДНК. Такое примитивное устройство не позволяет считать вирусы самостоятельными организмами, поскольку они не в состоянии самостоятельно двигаться, питаться и размножаться. Все эти функции вирус может осуществлять только попав в клетку. Оказавшись в клетке, вирусная ДНК встраивается в ДНК клетки, многократно размножается клеточной системой редупликации с последующим синтезом вирусного белка. Через несколько часов клетка заполняется тысячами готовых вирусов и погибает в результате быстрого истощения. Освободившиеся вирусы получают возможность инфицировать новые клетки.

3.11. Упорядоченность процессов в клетке
и биологические мембраны

Основное отличие жизни – это строгий порядок протекания химических процессов в клетке. Этот порядок в значительной степени обеспечивается такими клеточными структурами, как биологические мембраны.

Мембраны представляют собой тонкие (6-10 нм) слои упорядоченно расположенных молекул. Анализ химического состава мембран показывает, что их вещество представлено преимущественно белками (50-60 %) и липидами (40-50 %). Полярная глицериновая часть липидных молекул (на рис.3.5 изображена в виде овалов) является гидрофильной и всегда стремится повернуться в сторону молекул воды.

Длинные углеводородные цепи жирных кислот, наоборот, будучи гидрофобными, выталкиваются из воды, и им ничего не остаётся, как повернуться навстречу друг другу. Поэтому в водных растворах при наличии достаточного количества липидных молекул они самосборкой укладываются в билипидный слой. Самосборка означает, что перемещение молекул происходит исключительно за счёт диффузионных процессов, без участия ферментов и без затрат биохимической энергии АТФ.

Билипидный слой представляет собой жидкокристаллическую структуру, обеспечивающую строгий порядок расположения молекул, одновременно с возможностью свободного их перемещения, как в жидкости, в пределах одного липидного слоя. Переместиться в другой слой молекула липида не может, поскольку для этого надо протащить гидрофильную часть через толстый гидрофобный слой.

Белки встраиваются в билипидный слой различными способами (мозаично), в зависимости от распределения гидрофобных (на рис.3.5 заштрихованы) и гидрофильных участков. Целиком гидрофильные белки (1) оказываются связанными с гидрофильной поверхностью мембраны. Целиком гидрофобные (2) – оказываются внутри гидрофобного слоя. Белки, имеющие гидрофобные и гидрофильные участки (3,4), размещаются так, что гидрофобные зоны располагаются внутри билипидного слоя, а гидрофильные – снаружи.

Белки с гидрофильно-гидрофобными свойствами (3,4) являются неподвижными и сохраняют строгий порядок расположения в мембране. Целиком гидрофильные (1) или гидрофобные (2) белки, напротив, относительно подвижны и могут служить связующими элементами между неподвижными белками.

Мембраны делят клетку на отдельные зоны (компартменты), не позволяя смешиваться растворам разного химического состава, формируют мембранные органоиды с различными функциями. Эти функции определяются составом ферментов (см. п. 3.6), встроенных в мембрану органоида. Строгий порядок расположения ферментов в мембране обеспечивает заданную последовательность превращения молекул. Взаимодействие мембранных органоидов обеспечивается встроенными в мембраны рецепторными белками, которые распознают тип контактирующей мембраны и инициируют необходимые в данной ситуации химические и физические превращения.

Мембранными органоидами клетки являются ядро, митохондрии, пластиды растительных клеток, различные вакуоли, аппарат Гольджи и эндоплазматическая сеть, представляющая собой сложную систему полостей и каналов, в разных частях которой происходят различные химические процессы, связанные как с синтезом, так и с деструкцией различных молекул.

Одной из основных функций мембран в клетке является транспорт веществ. Различают активный и пассивный транспорт.

Пассивный транспорт происходит без затрат энергии АТФ. Используется энергия теплового движения молекул. Направление транспорта клеткой не регулируется. Молекулы перемещаются по закону диффузии, из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации). Различают простую диффузию, диффузию через поры и облегченную диффузию.

Простой диффузией через мембрану могут транспортироваться только гидрофобные молекулы, хорошо растворимые в жирах, или очень мелкие молекулы, движущиеся с большой скоростью (различные газы) (рис.3.6).

Гидрофильные молекулы могут перемещаться диффузией через поры, которые представляют собой участки мембраны с прерыванием билипидного слоя. Таким образом, например, в клетку и из клетки транспортируется вода. Движение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану получило название осмос.

Облегченная диффузия осуществляется жирорастворимым белковым переносчиком, на поверхности которого имеется небольшой гидрофильный участок, позволяющий связываться с гидрофильными молекулами. Это позволяет перебрасывать через мембрану молекулы, которые не могут самостоятельно преодолеть билипидный слой.

Активный транспорт осуществляется с затратой энергии АТФ и может идти как против, так и по градиенту концентрации. Каждый вид молекул или ионов, активно транспортируемых в клетку или из клетки, имеет свой собственный белковый переносчик. Большинство переносчиков производят транспортировку за счет энергии мембранного электрического потенциала. Этот потенциал создаётся сложными белковыми комплексами (около 20 белков), получившими название АТФ-азы. Эти комплексы способны расщеплять АТФ на аденозиндифосфорную кислоту (АДФ) и фосфат. При этом выделяющаяся энергия макроэргической связи (см. п.3.7) так конформирует  белки АТФ-азного комплекса, что они перебрасывают положительно заряженные ионы (Н+ или Nа+) с внутренней стороны мембраны на внешнюю.  Таким образом, с внутренней стороны образуется избыток отрицательных ионов (ОН¯, Cl¯, SO42-), а снаружи – положительных.

Средняя величина мамбранного потенциала (около 80 мВ) является важнейшим показателем нормального состояния клеток. Уменьшение этого потенциала свидетельствует о неблагополучном состоянии клетки, а его отсутствие означает смерть. За счёт энергии мембранного потенциала клетка производит самые различные виды работ, в том числе и активный транспорт веществ. Белковые переносчики, осуществляющие активный транспорт, устроены так, что в местах их встраивания в мембрану катионы под действием электрического поля могут проскочить обратно. При этом энергия проскока используется конформирующимися белками для переброски соответствующей молекулы или иона.

Самым сложным видом активного транспорта является фагоцитоз. С его помощью транспортируются крупные частицы и агрегаты молекул. В фагоцитозе участвуют большие участки мембраны и тысячи молекул, среди которых есть рецепторные белки. Эти белки при контакте мембраны с частицей запускают сложную цепочку взаимодействий и перестройки мембраны таким образом, что частица окружается мембраной и оказывается внутри клетки  (рис.3.6). Такое поступление в клетку называется эндоцитозом. Аналогичным образом скопление ненужных отходов может быть выброшено из клетки наружу (экзоцитоз). Фагоцитоз протекает с затратами большого количества молекул  АТФ.

3.12. Энергетические процессы в клетке

Для протекания всех многочисленных процессов в клетке и для функционирования всего организма в целом необходимо потреблять определённое количество энергии. Основным источником энергии для живых организмов, как и для большинства процессов на планете, является солнечная радиация. Потребление энергии живыми организмами начинается с поглощения растениями части видимого электромагнитного излучения с длиной волны от 400 до 750 нм.

За счёт поглощённой световой энергии растения осуществляют фотосинтез, который представляет собой сложную многоступенчатую сборку органических молекул из различных неорганических веществ. В очень упрощенном виде фотосинтез может быть представлен в виде химической реакции:                                6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2                        

Из углекислого газа и воды образуется органическое вещество (глюкоза) и кислород. Суть процесса состоит в том, что атомы водорода отрываются от молекул воды и переносятся на углерод, превращая его из минеральной (окисленной) формы в восстановленную органическую. Энергия при этом оказывается запасённой в виде энергии химических связей атомов органических молекул и может в дальнейшем использоваться самими растениями, а также всеми организмами, нуждающимися в готовой органической пище.

Фотосинтез протекает в специальных двумембранных органоидах клеток растений – хлоропластах (рис.3.7).

Внутренняя мембрана хлоропластов образует складчатые структуры, в состав которых входят молекулы зелёного пигмента хлорофилла и многочисленные ферменты, участвующие в процессе фотосинтеза. Часть такой мембраны схематично изображена на рис.3.8.

Фотосинтез может быть представлен в виде световой и темновой стадий. Световая стадия начинается с попадания  кванта света  в молекулу хлрофилла (Хл) и выбивания электрона (ē), который начинает перемещаться по цепочке ферментов, постепенно теряя полученную от фотона энергию.

Хлорофилл, потерявший электрон, отрывает его от молекул воды с образованием радикалов ОН0. Неустойчивые радикалы быстро регенерируют в молекулы воды и молекулярный кислород О2. Процесс разложения воды с образованием кислорода называется фотолизом.

Оставшийся без электрона ион водорода Н+ (протон) под действием электрических сил начинает перемещаться вслед за движущимся электроном и в конечном итоге соединяется с молекулой фермента-восстановителя. Восстановитель далее используется в темновых реакциях для восстановления углерода.

Некоторые ферментные комплексы, по которым движется электрон, конформируются энергией его движения таким образом, что работают как ионные насосы, перекачивающие протоны с одной стороны мембраны на другую. Возникает мембранный потенциал, за счёт которого работает ферментный комплекс АТФ-синтетаза. Этот комплекс похож по строению на рассмотренную выше АТФ-азу (п.3.10, рис.3.6), но выполняет противоположную функцию синтеза АТФ из АДФ и фосфата. АТФ-синтетаза имеет протонный канал, по которому ионы водорода под действием мембранного потенциала проскакивают обратно, а энергия проскока используется для синтеза АТФ. Накопленная таким образом энергия макроэргических связей затем используется в темновых реакциях фотосинтеза.

Мембраны, подобные внутренним мембранам хлоропластов, осуществляющим синтез АТФ, называются энергообразующими в отличие от остальных мембран клетки, являющихся энергопотребляющими.

Способы питания, подобные фотосинтезу, при которых органические вещества синтезируются из неорганических, называются  автотрофным питанием, а организмы, использующие такое питание, называются автотрофами. Растения, в частности, являются фотавтотрофами.

Вторым основным способом получения энергии, которым пользуются абсолютно все организмы, является дыхание. В этом случае энергия получается путём окислительной деструкции готовых органических веществ с превращением их в минеральные. Такой способ питания называется гетеротрофным, а организмы, живущие исключительно за счёт дыхания, называются гетеротрофами. За счёт дыхания живут и все незелёные ткани растений (внутренние ткани стволов, корни, клубни, луковицы), а также зелёные ткани в периоды отсутствия света.

Дыхание – это также сложный многоступенчатый процесс, который в упрощенном виде можно записать как процесс, обратный фотосинтезу:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O .

В такой записи процесс подобен горению (соединению кислорода с органическим веществом). В отличие от горения дыхание не приводит к сильному разогреву и воспламенению, поскольку энергия в многоступенчатом ферментативном процессе выделяется постепенно, небольшими порциями и накапливается в молекулах АТФ, лишь частично превращаясь в тепло. КПД дыхания составляет приблизительно 56%

В дыхании  принято выделять три стадии: подготовительный этап, бескислородное (анаэробное) дыхание и кислородное дыхание.

Подготовительный этап представляет собой гидролитическое расщепление полимерных молекул (крахмал, гликоген) до глюкозы. Энергии при этом выделяется мало и АТФ не образуется. Анаэробное дыхание является разложением молекулы глюкозы на две трёхуглеродные молекулы пировиноградной  кислоты (ПВК). При этом на одну распавшуюся молекулу глюкозы (или 2ПВК) образуется 6 молекул АТФ. Эта стадия является основой всех процессов брожения (спиртового, уксуснокислого, молочнокислого и др.). При брожении образуются различные низкомолекулярные органические продукты неполного разложения глюкозы. Исключительно за счёт анаэробного дыхания и брожения живут многие микроорганизмы и некоторые анаэробные многоклеточные животные, особенно внутренние паразиты, испытывающие недостаток кислорода.

У аэробных организмов ПВК подвергается дальнейшему разложению с участием кислорода. Кислородная стадия протекает в специальных органоидах клеток – митохондриях. При этом  расщепление 2 молекул ПВК на 6 молекул углекислого газа приводит к образованию 30 молекул АТФ. Таким образом, полный энергетическиё выход кислородного дыхания, включая анаэробную стадию, составляет 36 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы.

Митохондрии (рис.3.9), как и хлоропласты, представляют собой двумембранные органоиды, внутренняя мембрана которых также образует складки и является энергообразующей. Участок такой мембраны показан на рис. 3.10. В мембрану встроены ферментные комплексы, переносящие электроны и протоны от молекулы органического вещества (RH) на кислород. При этом некоторые ферменты также используют энергию переноса электрона для  создания мембранного потенциала, за счёт которого с помощью АТФ-ситетазы образуется АТФ.

Ещё одним способом питания, который не так широко распространён, является хемосинтез, или хемоавтотрофный способ питания. Энергия при этом способе питания получается за счёт окисления неорганических веществ и используется для синтеза органических веществ из минеральных. Слабая распространённость этого способа обусловлена тем, что современная атмосфера с высоким содержанием кислорода является окислительной, большинство неорганических веществ находятся в соединении с кислородом и не могут служить источником энергии. Хемоавтотрофами являются некоторые виды бактерий, окисляющих серу (серобактерии), железо (железобактерии) и ряд других. Общей чертой хемоавтотрофов с фотоавтотрофами  является использование для питания только минеральных веществ. А сходство с гетеротрофами обусловлено тем, что источником энергии является процесс окисления.

3.13. Размножение организмов

Все организмы состоят из клеток или являются одноклеточными, поэтому все виды размножения сводятся к делению клеток. Промежуток времени от начала одного деления до начала следующего называется клеточным циклом. Перед делением клетка должна удвоить количество всех веществ (вырасти) и осуществить редупликацию ДНК. Эти процессы происходят между двумя делениями, занимают бόльшую часть жизненного цикла и представляют собой период, называемый интерфазой. Иногда накопление веществ между делениями не происходит, тогда деление называется дроблением, но редупликация ДНК между делениями происходит всегда. Исключением является интерфаза между двумя делениями мейоза (см. ниже).

По количеству хромосом все эукариотные клетки можно разделить на диплоидные и гаплоидные. Диплоидными называются клетки, хромосомы которых являются парными. Хромосомы в каждой паре называются гомологичными. Одна из хромосом каждой пары достаётся данному организму от  отцовского, а вторая – от  материнского организма в половом процессе. Обе хромосомы в каждой паре имеют одинаковые наборы генов, т.е. каждый ген в диплоидной клетке задублирован.

Гаплоидными являются клетки, которые содержат ровно половину диплоидного набора хромосом, и все хромосомы являются не парными. Количество  хромосом в гаплоидном наборе у каждого биологического вида составляет строго определённую величину от 1 (например, у аскариды) до нескольких десятков и даже сотен (у некоторых папоротников). Гаплоидное число хромосом принято обозначать латинской буквой «n». До редупликации каждая хромосома представляет собой одну упакованную молекулу ДНК. В этом состоянии число молекул ДНК (обозначается «с») равно количеству хромосом: n=с, а состояние клетки обозначается как nc. После редупликации каждая хромосома содержит две одинаковых молекулы ДНК. Каждая молекула формирует одну продольную половинку хромосомы, которая называется хроматида. Состояние такой клетки является гаплоидным по числу хромосом и диплоидным по числу молекул ДНК, обозначается как n2c. Соответственно, диплоидная клетка до редупликации  ДНК имеет состояние 2n2c, а после редупликации – 2n4c 

Гаплоидность является исходной и более древней формой организации генетического материала эукариот. Диплоидность возникла позднее в результате появления полового процесса. Преимущество диплоидности состоит в том, что уменьшаются вредные последствия мутаций, так как одновременная мутация двух одинаковых генов маловероятна. Диплоидность также повышает генетическое разнообразие организмов и повышает эффективность естественного отбора.

В ходе биологической эволюции на Земле сформировались разнообразные группы организмов с различными соотношениями гаплоидных и диплоидных форм: 1) виды, существующие в основном в гаплоидной форме  (преимущественно примитивные древние формы); 2) диплоидные виды, у которых гаплоидны только половые клетки (преимущественно высшие многоклеточные животные); 3) виды с чередованием гаплоидных и диплоидных поколений (многие виды растений и низших животных).

Существует несколько способов деления клеток, из которых основными для эукариотных клеток можно считать митоз и мейоз.

Митоз (кариокинез) – самый распространённый способ деления. Им могут делиться как диплоидные, так и гаплоидные клетки, сохраняя при этом свою диплоидность или гаплоидность.

Во время митоза распадается ядро клетки, каждая молекула ДНК плотно упаковывается, образуя видимую в микроскоп хромосому. Затем две хроматиды каждой хромосомы отделяются друг от друга, расходятся и формируют на полюсах клетки два новых хромосомных набора (рис.3.11). После этого образуются два ядра и материнская клетка делится на две дочерних клетки, обладающих абсолютно идентичными генотипами. Генотип – полный набор генов одного организма.

Митозом делятся клетки во время роста многоклеточных организмов или клетки повреждённых тканей (регенерация), а также клетки одноклеточных организмов при бесполом размножении. Продолжительность деления составляет 15-20 % клеточного цикла, который в зависимости от размеров клетки может длиться от 0,5 ч  до нескольких суток.

Мейоз – способ деления, связанный с половым размножением организмов. Мейозом делятся только диплоидные клетки 2n4c.

Особенность мейоза состоит в том, что он представляет два следующих друг за другом деления, между которыми отсутствует редупликация ДНК (рис.3.12).  В первом делении мейоза в новые клетки расходятся гомологичные хромосомы, имеющие в своём составе по 2 хроматиды каждая. В результате из одной клетки 2n4c образуется две клетки с генотипом n2c. Эти клетки проходят второе деление мейоза, в котором во вновь образующиеся клетки расходятся хроматиды каждой хромосомы. В конечном итоге образуются 4 клетки с генотипом nc каждая.

Мейоз имеет ещё одну важную особенность в виде обмена генами между гомологичными хромосомами, который происходит в первом делении мейоза и называется кроссинговером. Это приводит к увеличению генетического разнообразия половых клеток (гамет) и потомства, что в свою очередь расширяет возможности естественного отбора и ускоряет эволюцию. На рис.3.12 кроссинговер не показан. В действительности с учётом кроссинговера образовалось бы не два, а четыре сорта гамет, т.е. все четыре клетки были бы генетически различными.

У разных групп организмов мейоз может протекать на разных этапах жизненного цикла: у гаплоидных организмов мейозом делится зигота, у диплоидных – мейоз предшествует образованию гамет, а при чередовании гаплоидных и диплоидных фаз развития в результате мейоза образуются гаплоидные споры.

Бесполым является размножение, осуществляемое одним организмом. Этим способом могут размножаться все организмы за исключением высших многоклеточных животных. Новый организм образуется из неполовых (соматических) клеток, образованных митозом (кроме бактерий) и отделяемых различными способами от материнского организма. К примерам такого размножения можно отнести деление митозом одноклеточных организмов, почкование кишечнополостных, развитие многоклеточных организмов из специально отделяемых скоплений или из одиночных соматических клеток. При этом если одиночные клетки приобретают особое строение и не выполняют других функций, кроме размножения, то они называются спорами. Аналогично выделяющиеся по строению группы соматических клеток становятся специализированными органами бесполого размножения. У высших животных такая способность размножения в ходе эволюции была утрачена.

Высшие растения могут образовывать новые особи из различных вегетативных органов, для которых размножение не является основной и единственной функцией. Это могут быть корни, побеги, листья, клубни, луковицы, почки. В таких случаях размножение может рассматриваться как  частный случай бесполого и называется вегетативным.

Половое размножение связано с объединением генетических наборов двух организмов. Первоначально такой процесс появился у одноклеточных в виде слияния (копуляции) двух гаплоидных клеток с образованием диплоидных организмов. Затем появилась способность производить специальные половые клетки – гаметы. Гаплоидные гаметы могут образовываться диплоидными организмами путём мейоза, или гаплоидными организмами путём митоза. При слиянии гамет образуется диплоидная клетка – зигота, из которой развивается диплоидный организм или после деления мейозом производятся гаплоидные клетки, из которых развивается гаплоидное поколение.

Совершенствование полового процесса привело к появлению его разновидностей (рис.3.13). Самым примитивным является процесс в виде слияния двух одинаковых по строению и свойствам гамет. Такой процесс называется изогаметным или изогамным. Более совершенным является анизогамный (гетерогамный) половой процесс, когда одна гамета (женская) является более крупной и менее подвижной, а вторая (мужская) имеет меньшие размеры и движется быстрее. Гетерогаметность исключает самооплодотворение, т.е. обеспечивает генетическое разнообразие. Предельным случаем гетерогамии является оогамный половой процесс, при котором очень крупная и неподвижная гамета называется яйцеклеткой, а очень мелкая и подвижная – сперматозоидом. У некоторых примитивных гаплоидных многоклеточных существует способность слияния специальных выростов тел (соматических клеток) с последующим формированием диплоидной стадии. Такой половой процесс получил название  соматогамия.

Ещё одним способом, который можно рассматривать как вариант, при котором сочетаются признаки полового и бесполого размножения, является партеногенез. При партеногенезе новый организм развивается из яйцеклетки  без её оплодотворения. Такой способ размножения встречается у растений, многих насекомых, некоторых видов земноводных и пресмыкающихся. В растениеводстве таким способом получают бессемянные партенокарпические плоды.

  

4. ВСЕЛЕННая  И  ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ

4.1. Гипотезы возникновения жизни

В предыдущей главе было показано, что в основе всех основных свойств жизни (сложность строения и поведения, многообразие живых организмов, размножение и наследственность, изменчивость и появление новых форм) лежат относительно простые процессы, определяемые исключительно законами физики и химии. Причём представленные объяснения не требуют привлечения таких понятий как «жизненная сила», «дух», «душа» и т. п. Поэтому резонно ожидать аналогичного объяснения и процессов возникновения жизни. Но сторонники физикализма пока не могут предоставить достаточно строгой научной теории и пользуются лишь некоторым набором гипотез.

Здесь уместно напомнить разницу между теорией и гипотезой. Теория – это объяснение, которое полностью подтверждается практическим опытом (экспериментами и фактами). Гипотеза – это тоже объяснение, но которое первоначально не имеет полного подтверждения на практике и, в конце концов, с получением подтверждения превращается в теорию. Если же объяснение не получает практического подтверждения, то оно признаётся неправильным и попытки построить на данной гипотезе теорию прекращаются.

Все попытки экспериментального воспроизведения живой клетки, большинство из которых приходятся 20-е столетие, не привели к успеху. Причину этого виталисты видят в том, что не учитывается наличие жизненной силы или духовного начала.

Возникновение жизни является сегодня самой важной загадкой не только биологии, но и вообще всего научного знания. Можно предположить, что её решение будет очередным крупным толчком в развитии науки и приведёт к научной революции и к смене парадигмы.

Гипотезы возникновения жизни можно разделить на научные (базируются на научных теориях и фактах) и не научные (объясняют жизнь как божье творение или соединение материи с духом [32,  42] и т.д.). Рассмотрим основные научные гипотезы.

  1.  Занесение жизни на Землю какой-либо инопланетной цивилизацией. В этой гипотезе можно выделить два варианта. Первый - несознательный занос микроорганизмов на нестерильной поверхности приборов и снаряжения при посещении инопланетянами нашей планеты. Так может произойти при посылке человеком аппаратов и экспедиций на Марс и другие тела Солнечной системы. Второй - умышленное заселение Земли в качестве эксперимента. В этом случае мы не знаем, ограничивалось ли это заселение только микроорганизмами.
  2.  Гипотеза панспермии. Предполагает, что участие в заселении Земли разумных существ необязательно. Зародыши жизни (микроспоры) рассеяны повсюду в космосе и при попадании в благоприятные условия дают начало её бурному развитию. Сторонником такой гипотезы был В.И. Вернадский.

Обе указанные гипотезы пока не имеют экспериментального подтверждения. Исследования планет, их спутников, астероидов и других тел Солнечной системы не обнаружили ни следов жизни, ни её зародышей, ни инопланетных цивилизаций. Не получено пока таких данных и при наблюдении дальнего галактического и внегалактического космоса. Кроме этого, обе гипотезы не снимают вопроса о том, как возникают зародыши жизни в других частях Вселенной. Некоторые учёные полагают, что живое и не живое во все времена сосуществуют во Вселенной.

3. Гипотеза естественного самозарождения жизни. У слова «самозарождение» в научно-популярной литературе существует двойное толкование. Чаще самозарождением называют ненаучную теорию (гипотезу) по которой черви, например, происходят из гнилого мяса, мыши – из зерна, перемешанного с мусором, а человекообразное существо – гомункулюса можно вырастить в банке, в которую натолкали кишок, перемешали с кровью и другими добавками, совершили набор магических  действий и произнесли определённые заклинания.

В нашем же объяснении мы будем понимать самозарождение в научном смысле - как естественный процесс эволюции материи, приводящий в определённых условиях, в соответствии с законами физики и химии к появлению сложных самоорганизующихся молекул с каталитическими свойствами. В результате последующей эволюции этих молекул появляются примитивные одноклеточные организмы.

Для исключения неоднозначности, связанной с двойным толкованием термина «самозарождение», его обычно заменяют термином  «биохимическая эволюция». Под таким названием гипотеза появления жизни на Земле получила наибольшее признание. Именно она в большинстве случаев берётся за основу при планировании экспериментов, поскольку имеет ряд экспериментальных подтверждений, обсуждение которых представлено в          п.4.6.

Одно из направлений экспериментального изучения возникновения жизни сводится к воссозданию условий, в которых могла зародиться жизнь на Земле примерно 4 млрд лет назад. Именно к этому времени относятся наиболее глубокие геологические отложения, в которых начинают обнаруживаться первые слабые проявления жизни. Выявить эти условия можно только путём изучения хода эволюции звёздных,  планетарных систем и в целом - всех процессов, протекающих во Вселенной.

4.2. Вселенная, её происхождение и строение

Вселенная – это всё, что можно обнаружить на самых далёких расстояниях любыми средствами, включая различные технические устройства. А поскольку техника, движимая нашими потребностями и научным прогрессом, развивается, то меняется и наше представление о Вселенной.

До начала ХIХ столетия источником знания о Вселенной являлись наблюдения за сравнительно небольшой частью нашей галактики в виде ближайших к нам звёздных скоплений. Эта часть и принималась за всю Вселенную. Причём считалось, что Вселенная – это раз и навсегда данное,  застывшее образование, подчиняющееся в основном законам механики и существующее вечно. Дальнейшее развитие науки и появление новых мощных средств наблюдения показало, что даже вся наша галактика – это лишь одно из звёздных скоплений, которых во Вселенной существуют миллиарды и кроме сил гравитации и инерции в них действуют и другие силы, относящиеся к электромагнитным, сильным и слабым взаимодействиям.

Применение появившейся в начале ХIХ в. теории относительности А. Эйнштейна позволило российскому учёному Александру Александровичу Фридману (1888-1925) теоретически предсказать возможность нестационарного состояния Вселенной. Его расчёты показывали, что Вселенная может расширяться или сжиматься в зависимости от величины её полной массы. Несколько позднее наблюдения американского астронома Эдвина Паула Хаббла (1889-1953) показали, что при переходе к более далёким звёздам длина излучаемых ими электромагнитных волн закономерно увеличивается. Поскольку из видимых электромагнитных волн наибольшей длиной обладают волны, соответствующие красному свету, обнаруженное явление получило название красного смещения. Оно, в соответствии с законами физики, означало, что далёкие галактики удаляются от наблюдателя, и чем дальше, тем быстрее.

Данный факт привёл к созданию гипотезы происхождения Вселенной, в результате Большого взрыва. По этой гипотезе считается, что примерно 15-20 млрд лет назад вся материя была сконцентрирована в небольшом объёме. Данный возраст Вселенной определён на основании оценки расстояния до самых далёких галактик (миллиарды световых лет) и скорости их разбегания, которая сравнима со скоростью света. Объём и форму состояния материи до Большого взрыва при современном знании оценить невозможно. Хотя в литературе встречаются разные предположения об объёмах порядка километров или даже размеров атомов. Такие рассуждения, вероятно, мало полезны, поскольку напоминают рассуждениям средневековых схоластов, которые на своих заседаниях бывало по нескольку дней без отдыха, в жарких спорах, с очень серьёзными выражениями на лицах обсуждали такой, например, весьма важный, по их мнению, вопрос: «Сколько чертей может уместиться на острие иглы?»

Для науки вопросы, которые нельзя проверить экспериментально, не имеют смысла. Мы не можем воспроизвести в лаборатории и даже теоретически оценить гравитацию, температуру, давление и прочие условия при концентрации в небольшом объёме таких масс, как вся Вселенная. Неизвестно, как проявляются и существуют ли вообще в этом состоянии силы, обусловливающие гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия.

Нужно также принимать во внимание трудности оценки пространственных отношений в данных условиях. В соответствии с теорией относительности в сильных гравитационных полях и при протекании процессов со световыми скоростями искривлённое и сжатое  пространство совсем не соответствует тому, что обычно существует в нашем воображении. Например, нельзя говорить о месте, из которого начался разлёт. Нельзя считать, что есть неподвижный центр, от которого остальные галактики удаляются. Это можно показать на модели двумерного пространства в виде раздуваемого шара, на поверхности которого нанесены точки. Эти точки будут одинаково удаляться друг от друга, и невозможно указать, какая из них является центром разбегания. В этой модели рассматриваемое пространство двумерно, центр разбегания находится в третьем измерении. Отличием реальной расширяющейся Вселенной от двумерной модели является то, что она трёхмерна и устройство нашего сознания не позволяет представить центр разбегания в четвёртом измерении. Единственная возможность решения этой проблемы – формулирование её в виде математических формул.

Здесь уместно вспомнить о том, как сам А. Эйнштейн определил суть своей теории, когда его попросили сделать это предельно кратко. По словам Эйнштейна, если раньше, до теории относительности считалось, что после исчезновения материи остаётся пустое пространство, то теперь исчезновение материи означает, что исчезает и пространство.

Помимо наблюдаемого разбегания галактик есть и ещё один существенный факт, который можно трактовать как свидетельство в пользу гипотезы Большого взрыва. Это так называемое реликтовое излучение. Теоретически оно было предсказано в 1953 г. американским учёным Георгием Антоновичем Гамовым (1904-1968). Его расчёты показывали, что в результате интенсивных взаимодействий на начальных этапах разлёта должно было возникнуть сильное электромагнитное излучение, следы которого могут присутствовать и по сей день. Излучение действительно было обнаружено в 1965 г. американскими учёными Арно Аланом Пензиасом (р.1933) и Робертом Вудроу Уилсоном (р.1936), удостоенными за это открытие Нобелевской премии. Настраивая новый радиотелескоп, эти учёные никак не могли избавиться от мешающего фонового излучения. Дальнейший анализ характера этого излучения показал, что оно постоянно во времени и одинаково по интенсивности во всех направлениях и в разных точках космического пространства, как и предсказывала гипотеза Гамова. Излучение относится к микроволновому радиодиапазону с длиной волны 7,35 см.

Исходное состояние Вселенной, с которого начался разлёт материи и формирование её современных форм, называется сингулярным. С некоторой определённостью можно сказать, что в этом состоянии не могут существовать такие формы материи, как фотоны, элементарные частицы и атомы, которые составляют основу современной Вселенной.

В настоящее время совместными усилиями многих стран построены дорогостоящие экспериментальные установки, на которых учёные надеются воссоздать некоторые виды высокоэнергетических взаимодействий, подобных взаимодействиям частиц материи во время Большого взрыва.

Состояние в начальные моменты разбегания из-за высоких скоростей и интенсивных взаимодействий материи принято называть горячей Вселенной. В результате взрыва, природа которого пока остаётся загадкой, вступили в действие уже известные нам законы квантовой механики, отвечающие за образование фотонов, элементарных частиц и атомов, начали действовать и законы классической ньютоновой механики.

Самыми простыми по строению являются атомы водорода. Они же в соответствии с законами квантовой механики являются и наиболее устойчивыми. Поэтому атомы водорода образовывались с наибольшими скоростями и составляли на начальных стадиях основную массу Вселенной. В настоящее время их доля определяется величиной около 90 % общего количества атомов.

В условиях горячей Вселенной при движении с громадными скоростями столкновения атомов водорода приводили к разрушению электронных оболочек и объединению ядер. В результате процесса, состоящего из нескольких этапов, четыре протона, из которых два превращаются в нейтроны, образуют ядро гелия – второго элемента таблицы Менделеева. Этот элемент также является очень устойчивым, но уступает по устойчивости водороду и для своего образования требует более сложных процедур. Его доля в современной Вселенной составляет приблизительно 10 %.

Подобным образом могут синтезироваться и атомы остальных элементов, но они гораздо менее устойчивы и эта устойчивость падает с увеличением порядкового номера и массы атома. Время жизни атомов некоторых тяжёлых элементов измеряется долями секунды. Соответственно их встречаемость во Вселенной находится в обратной зависимости от атомарной массы. Суммарная доля всех элементов, без водорода и гелия, не превышает 1 %.

Как и при любом взрывном процессе, представляющем собой сложную совокупность мощных разрывающих импульсов, разлетающееся вещество Вселенной (преимущественно водород) распределялось очень неравномерно. Возникали скопления совершенно разного характера - от отдельных молекул, пылинок, газовых туманностей и пылевых облаков до мелких тел и относительно крупных концентрированных скоплений масс. Крупные скопления, подчиняясь законам гравитации, начинали сжиматься. Конечный результат сжатия определялся величиной сжимающейся массы.

Если масса превышала некоторую критическую величину, например, чуть больше массы самой большой планеты нашей Солнечной системы Юпитера (п.4.5), то гравитационная энергия сжатия, превращаясь в тепло, разогревала космическое тело до млн градусов. При такой температуре начинаются термоядерные процессы синтеза гелия из водорода, зажигается звезда.

Если же сжимаемая гравитацией масса не очень велика, то разогрев достигает тысяч градусов. Этого не достаточно для начала ядерных реакций и образуется раскалённое, постепенно остывающее тело, обычно спутник звезды (планета) или спутник крупной планеты. У более мелких масс разогрев происходит только в центральной части, они остывают быстрее и также становятся планетами или спутниками планет.

И, наконец, совсем мелкие тела не разогреваются. Малая масса не позволяет им эффективно удерживать летучие водород и гелий, которые рассеиваются за счёт диффузии в космическом пространстве. Этому, в частности, способствует и «выдувание» лёгких молекул «звёздным ветром» (поток быстро летящих элементарных частиц). Поэтому в составе не очень массивных тел преобладают тяжёлые элементы (например, кремний или железо) или простые соединения, например, вода в виде льда. Эти тела, в зависимости от размеров и конкретных условий, становятся кометами, астероидами, мелкими спутниками, образуют кольца обломочного материала вокруг планет или носятся в просторах космоса в виде метеоритов, пока не столкнутся с другими телами или не будут захвачены  их гравитацией.

По поводу дальнейшей судьбы расширяющейся Вселенной пока нельзя дать окончательного ответа, поскольку не известна точная масса и средняя плотность материи. Расчёты показывают, что в зависимости от принимаемой величины массы можно ожидать как бесконечное разбегание галактик, так и постепенное замедление расширения под действием гравитации с последующим переходом к сжатию. Второй вариант позволяет выдвинуть гипотезу, в соответствии с которой в масштабе сотен миллиардов лет Вселенную можно рассматривать как пульсирующую систему, периодически возвращающуюся в сингулярные состояния, с последующими взрывами и расширениями.

4.3. Происхождение и строение звёзд

Звёзды – это обычно термоядерные реакторы, к числу которых относится и наше Солнце. Они имеют самые разные размеры, отличаются характером свечения, температурой и необязательно должны быть одиночными.

Статистический, вероятностный характер взаимодействия различных масс в процессе формирования Вселенной естественным образом приводит к тому, что многие тела, как холодные, так и звёзды, могут образовывать совокупности из самого различного количества объектов. Возможность образования таких совокупностей будет определяться соотношением масс, скоростей и направлением движения взаимодействующих тел.   

Такие комплексы образуются тогда, когда траектории взаимодействующих тел сближаются и тела летят с не очень большими различиями в скоростях. Траектории сближающихся объектов искривляются под действием взаимной гравитации, и начинается вращение вокруг общего центра тяжести. Устойчивость такой системы возможна только в случаях, когда центробежные силы уравновешиваются силами гравитации. Именно по такой схеме и образуются все кратные звёздные системы или планеты со спутниками.

Когда же тела, расположенные близко, оказываются неподвижными относительно друг друга,  или,  что одно и то же, летят параллельно с одинаковой скоростью, то взаимная гравитация обязательно приведёт их к столкновению. Столкновение может быть также и лобовым, при движении тел навстречу друг другу или при пересечении траекторий под разными углами. Если скорость столкновения невелика, то образуется одно более массивное тело. При высокой скорости тела могут разрушиться на куски разного масштаба примерно с радиальными, векторами (направлениями) скоростей. Дальнейшая их судьба будет зависеть от случайного соотношения скоростей образовавшихся кусков. Большие куски могут оказаться звёздами. Мелкие тела с высокой скоростью разлёта улетят путешествовать далее по космосу до следующих взаимодействий. Мелкие куски с низкой скоростью затормозятся гравитацией больших тел и упадут на них.

Из сказанного следует, что образование двойных звёзд более вероятно, чем одиночных. Это подтверждается и астрономическими наблюдениями. Нередки также и системы другой кратности: 3, 4 и т.д., но вероятность их встречаемости уменьшается, поскольку с увеличением числа объектов в системе повышается вероятность их столкновения. На спутниках (планетах) таких кратных звёзд утренний рассвет может выглядеть в виде появления над горизонтом последовательно одного, двух, трёх или даже большего количества Солнц.

Наиболее крупными вращающимися скоплениями являются галактики, число звёзд которых может достигать сотен миллиардов.

Таким образом, во Вселенной могут относительно устойчиво существовать только вращающиеся системы с равновесием центробежных и центростремительных сил. Все остальные состояния являются временными и встречаются как редкие исключения.

Остаётся объяснить факт вращения подавляющего большинства тел (звёзд и планет) вокруг собственной оси. Причину этого легко понять на тривиальных бытовых примерах. Нужно лишь вспомнить, как обычно летят любые брошенные нами предметы. Они почти никогда не летят поступательно, всегда вращаются. Это объясняется законами механики, в соответствии с которыми любое тело, получившее импульс (воздействие другого тела), не будет вращаться только в том случае, если приложенная сила F направлена точно в центр тяжести (ц.т.) (рис.4.1). Такое событие имеет ничтожно малую вероятность, поскольку количество возможных точек приложения силы, грубо говоря, составляет тысячи. Соответственно, из тысяч столкновений только одно может закончиться движением без вращения. Во всех остальных случаях тело будет вращаться, и тем быстрее, чем дальше (r) от центра тяжести расположена точка приложения силы.

По видимой яркости на ночном небе звёзды поделены ещё древними астрономами на 6 классов звёздных величин. Самые яркие звёзды относятся к 1-му классу звёздной величины, а едва различимые – к 6-му. Блеск этих классов отличается примерно в 100 раз. Все остальные звёзды, с ещё меньшим блеском, видимые только в телескопы, относятся к классам от 7-го до 25-го.

Звёзды заметно различаются по температуре. Чем выше температура, тем больше энергия излучаемых квантов и короче длина волны. Поэтому в спектре излучения горячих звёзд преобладают голубые лучи с короткой длиной волны. Звёзды с относительно низкой температурой имеют излучение с преобладанием желтых и наиболее длинноволновых красных квантов. Среднетемпературные звёзды имеют примерно одинаковое соотношение разных лучей и называются белыми. По соотношению разных волн звёзды делят более чем на 10 спектральных классов, обозначаемых буквами латинского алфавита.

Для удобства ориентирования и описания все видимые невооружённым глазом на ночном небе звёзды были разделены на созвездия. Каждое созвездие получило собственное имя.  По международному соглашению сегодня выделяют 88 таких созвездий. Именами 12 из этих созвездий, по которым проходит траектория Солнца, названы астрологические знаки зодиака. Самые яркие звёзды в каждом созвездии принято обозначать буквами греческого алфавита, в порядке убывания их яркости: самая яркая - , вторая по яркости - и т.д.

Массу звёзд принято оценивать по отношению их массы к массе Солнца (МС = 2*1030 кг). Большинство звёзд имеют массу в диапазоне 0,1 – 50МС. Наше Солнце, таким образом, представляет собой не крупную звезду и относится к классу жёлтых карликов.

Из-за большой разности в плотности звёзд их размеры могут отличаться гораздо более существенно, чем их массы. Плотность нашего Солнца почти такая же, как плотность воды, и составляет 1,5·103 кг/м3 при диаметре 1,4 млн км. Плотность белых карликов, подобных звезде Сириус Б, приблизительно равна 2·106 кг/м3, а радиус измеряется несколькими километрами или десятками километров. У нейтронных звёзд плотность может превышать 1017 кг/м3. Плотность звёзд - гигантов и супергигантов обычно не превышает плотности воздуха у поверхности Земли (1,225 кг/м3).

Время жизни обычно больше у некрупных звёзд (до 1010 лет), так как они меньше разогреваются и водород в них выгорает медленнее. Жизнь массивных звёзд из-за высоких скоростей ядерных реакций может ограничиваться млнами (106) лет.

Следующие после выгорания водорода стадии эволюции звёзд точно предсказать невозможно, поскольку длительность этих стадий измеряется млнами и миллиардами лет и опытная проверка невозможна. Но один из приблизительных сценариев для звёзд средней величины может выглядеть таким образом. По мере превращения водорода в гелий температура звезды понижается, что переводит её в спектральный класс красных звёзд. При этом снижение внутреннего давления позволяет гравитации сжать звезду до размеров красного карлика. Происходит некоторый разогрев, с образованием атомов углерода из трёх атомов гелия. После выгорания гелия могут начаться процессы образования железа, после чего эволюция звезды как излучающего свет объекта закончится. Она превратится в твёрдое холодное тело. Для некоторых типов звёзд переход из одной стадии в другую может сопровождаться взрывом с выбросом в космическое пространство колоссальных масс вещества и энергии в виде излучения. В астрономии такие события получили название вспышки сверхновых звёзд.

Очень массивные звёзды после завершения всех возможных ядерных реакций, не испытывая их разрыхляющего действия и обладая сильной гравитацией,  создают во внутренних областях такое значительное давление, что электронные оболочки атомов разрушаются, а ядра и электроны упаковываются в сверхплотное вещество, состоящее из одних нейтронов. Образуется нейтронная звезда с плотностью порядка 1018 кг/м3.

Если же остывшая звезда является сверхмассивной, то после уплотнения, аналогичного нейтронной звезде, возникает настолько сильная гравитация, что даже фотоны не могут выйти за её пределы. Любые формы материи, оказывающиеся в зоне этой гравитации, захватываются ею навсегда. Звезда превращается в чёрную дыру. Обнаружить её можно только по поведению близлежащих, пока ещё не захваченных объектов. Предполагают, что наиболее вероятные области существования черных дыр - центральные части галактик.

Кроме стабильно светящихся звёзд, таких как наше Солнце, в галактиках нередко встречаются звёзды с пульсирующим излучением. Такими звёздами могут быть двойные звёзды, которые снижают яркость, когда одна звезда заходит за другую. Если звезды вращаются в плоскости, перпендикулярной линии наблюдения, яркость изменяться не будет.

Другую группу переменных звёзд составляют некоторые гиганты. У них из-за больших размеров возникают трудности в отведении тепла, которое накапливается в центральной части и затем залпом выбрасывается, приводя к колебанию размеров и интенсивности излучения с периодом от нескольких часов до нескольких суток. Такие звёзды получили название цефеиды по имени первой обнаруженной звезды Цефея.

Ещё одну группу пульсирующих звёзд составляют пульсары. Это быстровращающиеся нейтронные звёзды с периодами вращения,  измеряемыми секундами. Их пульсирующее излучение обусловлено тем, что они обладают очень сильным магнитным полем, ось которого не совпадает с осью вращения звезды. Магнитное поле разгоняет потоки захватываемых космических частиц до колоссальных энергий, что приводит к излучению направленного пучка электромагнитных волн в рентгеновском диапазоне.

Высокая скорость вращения пульсаров возникает в результате действия закона сохранения момента импульса. Величина такого момента зависит от массы, радиуса и угловой скорости. В соответствии с этим законом при уменьшении радиуса вращающейся массы момент инерции сохраняется, но при этом увеличивается скорость вращения. При сжатии звёзд – гигантов их радиус уменьшается в сотни млн раз, соответственно возрастает и скорость их вращения. Этот эффект становится хорошо понятным при наблюдении за вращением спортсменов - фигуристов на коньках. Начиная относительно медленное вращение и затем прижимая к себе первоначально далеко отведённую ногу и раскинутые руки, спортсмен значительно увеличивает скорость своего вращения.

4.4. Галактики и метагалактика

Наиболее крупные и относительно обособленные скопления космической матери с высокой долей светящихся объектов принято называть галактиками. Ранее считалось, что это преимущественно звёздные скопления. Более детальное изучение в последние десятилетия характера движения их внутренних частей показало, что невидимая масса в них может многократно превышать массу видимых звёзд. Причём бόльшая часть невидимой материи находится за пределами видимой части галактик. Вид этой материи пока неизвестен, но вполне очевидно, что это не могут быть массивные тела или большие скопления космической пыли. Такие объекты легко регистрируются на фоне более далёких светящихся галактик. По одному из предположений невидимая масса может быть представлена скоплениями нейтрино.

Современные характеристики форм и размеров галактик основаны на оценках их видимых (светящихся) частей.  Размеры могут быть самыми различными, вплоть до того, что существуют одиночные звёзды и небольшие их скопления, не входящие ни в какие галактики. Указать размеры, начиная с которых следует считать скопления галактиками, невозможно. Обычно галактиками называют скопления, число звёзд в которых превышает сотни млн. Число звёзд в наиболее крупных галактиках может достигать триллионов (≈1012), а размеры – сотен тысяч световых лет.

Форма галактик также может быть самой различной. Но, поскольку устойчивыми являются только вращающиеся скопления, многие галактики имеют форму тел вращения (эллиптические или сферические галактики). Преобладают же во Вселенной спиральные галактики. Это объясняется тем, что большие массы миллиардов звёзд ведут себя подобно некоторым объёмам текучих газовых или жидких сред, состоящих из частиц с относительно слабыми связями. Из законов гидро- и газодинамики известно, что, получая какие-либо импульсы энергии (внешние воздействия), такие массы приходят в движение с образованием вихрей. Особенностью такого  движения является постепенное убывание угловой скорости от центра вихря к периферии и, наоборот, линейная скорость от центра к периферии возрастает. Нечто подобное происходит и при образовании галактик, поэтому большинство из них являются спиральными. Фотография одной из таких галактик представлена на рис.4.2.

Рис.4.2. Спиральная галактика

Подобное строение имеет и галактика, в которую входит наша Солнечная система. Наша галактика, которую иногда называют «Млечный путь», представляет собой диск толщиной 1500 и диаметром около 100 тыс. световых лет (≈1018 км).

В центральной части диска находится ядро сферической формы, диаметр которого примерно в несколько раз больше толщины диска. Сильная светимость ядра обусловлена высокой концентрацией звёзд, которая в 108 раз превышает их концентрацию в диске. Диск образован двумя закручивающимися спиральными ветвями, как бы исходящими из ядра. Млечный путь на ночном небе соответствует направлению экваториальной плоскости (диска галактики).

Место, приблизительно соответствующее расположению нашего Солнца, отмечено на рис.4.2 квадратом. В действительности Солнце находится в относительно разряжённой области между двумя спиральными ветвями, на расстоянии приблизительно 30 тыс. световых лет от центра галактики. Солнце, вместе с ближайшими звёздами, движется вокруг центра галактики со скоростью 250 км/с и делает один оборот за 250 млн лет.

Расстояние до ближайшей к нам звезды α-Центавра составляет около  3 световых лет. Это означает, что в разрежённых областях галактик расстояния между звёздами превышает размеры самих звёзд примерно в десятки млн раз. Средние межзвёздные расстояния в ядре на два порядка меньше. Преодолеть такие расстояния, летя со скоростью света, можно за несколько дней или недель. Вероятность случайного столкновения звёзд в галактике оценивается величиной примерно одного за 15 млрд лет.

Количество звёзд в нашей галактике составляет порядка 1011. Число видимых на небосводе звёзд зависит от остроты зрения и оценивается величиной в среднем по 2 тысячи в каждом полушарии. То есть все видимые звёзды – это лишь одна стомлнная часть галактики. На рис. 4.2 такое количество не выходит за пределы самой мелкой, едва различимой точки.

Звёзды во всех частях галактики распределены неравномерно, в виде одиночных звёзд, рассеянных и шаровых скоплений. Рассеянные скопления содержат до нескольких тысяч, а шаровые – до сотен тысяч звёзд. На рис.4.2 шаровые скопления выглядят в виде светящихся средних и крупных точек. В нашей галактике таких скоплений насчитывается около 100.

В спиральных ветвях часто обнаруживаются крупные газовые туманности, слабо рассеивающие свет, и пылевые облака с сильным поглощением света. Так, шаровая галактика в созвездии Центавра выглядит в виде двух половинок, разделённых гигантским пылевым скоплением.  Концентрация атомов водорода в газовых туманностях составляет тысячи на см3, в то время как в обычном межзвёздном пространстве эта величина не превышает 0,1 на см3. По данным В.И. Вернадского [9],  в космическом пространстве помимо водорода обнаруживаются и атомы тяжёлых элементов:  натрия (Na) – 6, калия (К) – 0,1 и кальция (Са) – 0,001 на м3. Для сравнения отметим, что концентрация молекул в нижних слоях атмосферы Земли определяется величиной порядка 1019 на 1 см3.

Количество галактик, наблюдаемых в настоящее время, исчисляется миллиардами. Среди них встречаются и так называемые радиогалактики, как, например, радиогалактика в созвездии Лебедя. Излучение таких галактик в радиодиапазоне многократно превышает их излучение в видимой части спектра. В центрах многих галактик протекают активные процессы, пока неизученной природы, сопровождающиеся выбросами материи, годовой объём которой соответствует млнам Солнц.

Галактики, как и звёзды, распределены в пространстве неравномерно и образуют местные скопления различной величины. Расстояние между галактиками может быть самым разным. Иногда они почти соприкасаются друг с другом, но обычно в местных скоплениях промежутки между ними сопоставимы с размерами самих галактик.

Наша галактика входит в относительно небольшое скопление (около 20), имеющее размеры не более 1 млн световых лет. Ближайшими спутниками нашей галактики являются две неправильные галактики: Большое и Малое Магеллановы облака. Чуть дальше находится спиральная галактика Туманность Андромеды, которая подобна нашей галактике и вместе с ней составляет основу местного скопления. Туманность Андромеды крупнее нашей галактики и имеет пару мелких эллиптических галактик-спутников. Очень крупное скопление галактик, расположенное от нас на расстоянии 400 млн св. лет, наблюдается в созвездии Волосы Вероники и состоит из 40 тыс. галактик.      

Совокупность всех наблюдаемых в настоящее время галактик принято называть метагалактикой и отождествлять её со всей Вселенной. По мнению некоторых учёных, со временем от такого отождествления придётся отказаться из-за возможности обнаружения других метагалактик.

Исследования последних десятилетий показывают, что кажущаяся хаотичность распределения галактик в масштабах млн световых лет, начинает проявлять определённую закономерность, если рассматривать совокупности в масштабах миллиардов световых лет. Была разработана компьютерная модель, которая позволяла получить расположение млн галактик, изображенных точками в трёхмерном пространстве. Оказалось, что образующаяся структура напоминает объёмные ячейки, подобные пчелиным сотам или ячейкам пористой губки. Стенки этих ячеек составлены скоплениями галактик, а центральные части (пустоты) практически не содержат галактик. Объяснение этому явлению пока не дано.

4.5. Солнечная система

Солнце – небольшая звезда, расположенная на периферии галактики и имеющая девять планет. Возраст Солнечной системы оценивается 5 млрд лет. Диаметр Солнца 1,4 млн км, масса 1,99•1030 кг, мощность излучения 3,86•1020 МВт., температура в центре ≈15 млн оК, поверхности -  5806 - оК.

Примерные относительные размеры планет Солнечной системы показаны на рис.4.3, основные физические параметры представлены в табл. 4.1. Девять планет Солнечной системы принято делить на две относительно обособленные по физическим параметрам группы. В первую входят пять более мелких планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс и Плутон), которые называются планетами земной группы. Во вторую – четыре планеты-гиганта (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун).

 Рис. 4.3. Солнце и планеты

Кроме указанных планет в Солнечной системе существует множество мелких твёрдых тел – астероидов, наиболее крупные из которых достигают в поперечнике десятков километров. Основная масса этих астероидов сосредоточена  в виде пояса между орбитами  Марса и Юпитера.

Планеты-гиганты (в табл.4.1 выделены серым фоном) помимо большой массы характеризуются более низкой плотностью из-за малого содержания тяжёлых элементов. Почти всю их массу составляют водород и гелий, поэтому они не имеют твёрдой поверхности в нашем обычном понимании. Их преимущественно водородная атмосфера по мере движения к центру при определённом давлении переходит в жидкость, затем в твёрдое состояние. Предполагается даже, что на Юпитере в условиях колоссального давления твёрдый водород в центре планеты начинает проявлять металлические свойства. Таким образом, твёрдая поверхность планет группы Юпитера находится на дне океанов глубиной в тысячи километров, состоящих из жидкого водорода

Все эти планеты-гиганты имеют спутники, число которых у Юпитера и Сатурна более десяти. Самые крупные из этих спутников напоминают по строению планеты, некоторые имеют атмосферу, воду в твёрдом состоянии, обладают вулканической активностью или имеют следы былой вулканической деятельности. Помимо спутников вокруг крупных планет вращаются большие массы обломочного материала, образующего кольца, которые особенно выражены у Сатурна.

 

Таблица 4.1

Планеты Солнечной системы [37, с.82]

Планета или
спутник

Расстояние от Солнца,
а.е.*

Диа-
метр,
км

Масса,
_кг_
М+**

Плотность,
кг/м3

Период обращения

Период вращения

Наклон орбиты,
град***

Газы
атмосферы,
%

Температура,

оС

Меркурий

0,39

4878

3,28·1023
0,055

5500

88
суток

58,7
суток

 7

Нет

167

Венера

0,72

12102

4,87·1024
0,82

5250

224,7 суток

243 суток
(вращение обратное)

3,4

СО296,
N23-5

460

Земля

1,0

12756

5,98·1024
1

5510

365,26 суток

23ч 56мин 4,1 с

0

N2 78,
О2 21,
СО2 0,03

16

Луна

0,00257

3474

7,34·1022
0,012

3340

27,3
суток

27,3
суток

5,15

Нет

0

Марс

1,52

6794

6,42·1023
0,11

3930

686,98 суток

24ч
37 мин

1,85

СО295, N22-3,
Ar1-2

-55

Юпитер
****

5,19

142800

1,9·1027
318

1330

11,86 года

9ч 55мин 29 с

1,3

Н2, Не

≈-150

Сатурн

9,54

120000

5,7·1026
95

960

29,46 года

10ч
40,5 мин

2,5

Н2, Не

-180

Уран

19,18

51800

8,7·1025
14,6

1710

84,01 года

17ч
14 мин

0,77

Н2, СН4

≈-200

Нептун

30,1

48600

1,03·1026
17,2

2300

164,79 года

16ч
3 мин

1,77

Н2, СН4

-215

Плутон

Хорон

39,53

2290

1186

1,3·1022
0,002

2100

247,7 года

6,38
суток

17,3

СН4

-220

* а.е. – астрономическая единица 149,6 млн.км; ** М+ - масса Земли; ***относительно орбиты Земли.   ****Серым фоном выделены планеты-гиганты.

Планеты земной группы имеют более высокую плотность, поскольку в их составе преобладают тяжёлые элементы, прежде всего железо, кремний, кислород, углерод и другие. Многие минералы этих планет напоминают земные, и некоторые могут иметь связанную воду.

Газообразный водород на всех планетах земной группы практически отсутствует. Это можно объяснить малой массой планет, которая из-за слабой гравитации не позволяла длительно (миллиарды лет) удерживать лёгкие молекулы. На первых четырёх планетах испарению водорода также способствовали повышенная температура и Солнечный ветер, обусловленные близостью Солнца.

Из планет земной группы несколько выделяются Венера и последняя, самая маленькая планета Плутон. Особенностью Венеры является очень медленной вращение вокруг своей оси (1 оборот за 243 дня) и к тому же в обратную сторону относительно вращения всех остальных планет. Таким образом, за один венерианский год (225 суток) день и ночь сменяют друг друга только 1 раз. Вероятно, в процессе образования планет Венера испытала какое-то сильное случайное воздействие.

Отличительными особенностями Плутона, помимо малой массы и максимальной удалённости, являются более низкая плотность и большой наклон плоскости орбиты (17,3о) по сравнению с орбитами всех остальных планет. Низкая плотность может быть обусловлена тем, что в его составе относительно мало тяжёлых элементов и, возможно, много метана и воды в виде льда. Поэтому можно предположить, что планета Плутон образовалась не одновременно с остальными планетами, а представляет собой космическое тело, случайно захваченное гравитацией Солнечной системы.

Следует подчеркнуть, что ни на одной из планет Солнечной системы, кроме Земли, не обнаруживается в больших количествах молекулярный кислород, из чего можно сделать предположение, что кислород нашей атмосферы появился как результат развития жизни.

4.6. Земля как место зарождения жизни

Радиоизотопный метод позволяет оценить возраст наиболее древних пород на Земле приблизительно в 4,8 млрд лет, что можно ориентировочно принять за возраст нашей планеты. На первом этапе формирования Земля представляла собой разогретое до нескольких тысяч градусов тело, быстро теряющее большие массы водорода и обогащающееся тяжёлыми элементами.

Надёжным подтверждением такого хода событий являются современная раскалённая Венера, расположенная ближе к Солнцу и более холодный, чем Земля, Марс, расположенный дальше от Солнца (табл.4.1). После снижения температуры ниже 1000 оС на Земле началось образование твёрдой земной коры. Вся вода в таких условиях находилась в парообразном состоянии в виде сплошного облачного покрова толщиной несколько тысяч километров. Солнечное излучение не могло достигать поверхности Земли, которая освещалась лишь непрерывными молниями и раскалёнными массами лавы, изливающейся из многочисленных вулканов (рис.4.4) и разломов молодой земной коры.

Рис.4.4. Первобытная Земля

Через несколько сотен млн лет температура поверхности упала ниже 100оС, пошёл горячий дождь, началось образование первичного океана. Появились условия для накопления первых абиогенных органических веществ, синтез которых мог начаться ещё задолго до формирования самой планеты. Свидетельством этого являются факты обнаружения с помощью спектрального анализа следов различных органических веществ (в том числе аминокислот и нуклеотидов) в космическом пространстве. Органические вещества обнаруживаются и в составе некоторых метеоритов.

Исходными веществами для образования органических молекул могли быть компоненты атмосферы, представленные в табл. 4.1, а также вода с растворёнными минералами и различные вулканические газы (SO2, H2S, NH3, HCl и др.), которые выделяются и в настоящее время при извержениях вулканов. Образование органических веществ из неорганических требует наличия источников энергии, которых на Земле было немало.

В первую очередь это солнечная радиация (ультрафиолет, рентгеновские лучи, гамма-излучение), которая обеспечивала протекание реакций между газообразными веществами в верхних слоях атмосферы. Судя по составу атмосфер Венеры, Марса и других планет (табл.4.1), а также по составу вулканических газов, все необходимые для синтеза химические элементы (С, Н, О, N, S) были в наличии. Возникающие в ходе химических реакций тяжёлые органические молекулы оседали и растворялись в океане.

На поверхности Земли и океана также могли протекать соответствующие реакции за счёт энергии постоянных грозовых разрядов, контактов лавы с водой и минералами, ударов метеоритов и пока ещё интенсивно протекающих процессов радиоактивного распада.

Для накопления в достаточных количествах в условиях высоких температур органические вещества должны были обладать достаточной химической устойчивостью. Такой проблемы не существовало в высоких охлаждённых слоях атмосферы. Там имелась другая проблема – низкой концентрации исходных молекул, что по законам химической кинетики снижает скорость образования продуктов реакций.

Теоретическим показателем устойчивости молекул является изменение энергии Гиббса при их образовании: ∆G = ∆H - T·∆S. Здесь Н – энтальпия (выделение (+∆H) или поглощение (-∆H) тепла), Т – абсолютная температура в оК, S – энтропия. ∆G является результирующей составляющей между энергией, выделяющейся при образовании данного вещества из простых веществ, ∆G которых принимается равной нулю, и энергией, которую необходимо затратить на преодоление энтропийных тенденций. Простыми принято считать такие вещества, в состав молекул которых входит только один элемент: Н2, О2, N2, С(графит). Если при образовании молекул ∆G=0, то процессы образования и распада уравновешены. Если ∆G<0 (отрицательно), то вещество устойчиво и равновесие смещено в сторону образования. Если ∆G>0 (положительно), то вещество неустойчиво, равновесие смещено в сторону распада.

Применение данной теории  показывает [34], что большинство органических молекул, составляющих основу живых организмов, имеют отрицательное значение ∆G, следовательно, такие молекулы могут накапливаться. На первобытной Земле этот процесс дополнительно был смещён в сторону образования органических веществ из-за восстановительных свойств атмосферы, не содержащей свободного кислорода.

Одним из первых, кто экспериментально доказал в 1953 г. возможность синтеза органических веществ из неорганических, был американский биолог Стенли Ллойд Миллер (р.1930). Он в течение нескольких дней пропускал высоковольтные электрические разряды через подогреваемую в герметичной колбе смесь водорода, воды, метана и аммиака. Последующий химический анализ образовавшейся смеси показал наличие в ней аминокислот и некоторых других низкомолекулярных органических веществ.

В дальнейшем аналогичные эксперименты проводились другими исследователями с несколько иными смесями и применением в качестве источников энергии лазеров, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма - излучений. В результате всегда получался некоторый набор органических молекул. В отдельных случаях удавалось получить даже последовательности нуклеотидов и полипептидные (белковые) цепи. Таким образом, можно считать доказанным, что в некоторых участках первичного океана мог образовываться так называемый «первичный бульон».

Лабораторные исследования образующихся растворов органических веществ показали, что при достижении определённой концентрации эти вещества начинают проявлять тенденцию к образованию микрокапелек с концентрацией молекул, которая многократно превышает их концентрацию в окружающем разбавленном растворе. Такие капли в зарубежной литературе получили название микросферы, а в отечественной литературе – коацерваты. Они отдалённо напоминают клетки живых организмов.

Каждая коацерватная капля отделена от окружающего разбавленного раствора слоем упорядоченно расположенных молекул. Такая структура, по законам физической химии, всегда образуется при наличии границы двух несмешивающихся сред и по строению напоминает биологическую мембрану. Коацерваты могут поглощать из окружающей среды и выделять различные молекулы (аналогия обмена веществ). Могут увеличиваться в размерах и распадаться на более мелкие капли (аналогия роста и размножения). Но это очень грубые аналогии, имеющие весьма отдалённое сходство с живыми клетками.

Внутри коацерватов нет никакой упорядоченности, химические процессы протекают абсолютно хаотично. Даже если в коацервате обнаруживаются нуклеиновые кислоты и полипептидные цепи, они характеризуются совершенно случайными последовательностями нуклеотидов, аминокислот и функционально никак не связаны друг с другом. Вопрос о том, как произошёл переход от коацерватов к первой примитивной живой клетке, в которой каждый белок  имеет строгий порядок соединения аминокислот, записанный в виде последовательности нуклеотидов, пока остаётся для учёных загадкой.

Изложенная гипотеза коацерватного происхождения жизни впервые была сформулирована в 20-е гг. ХХ столетия советским академиком Александром Ивановичем Опариным (1894 - 1980). Однако эта гипотеза до сих пор не продвинула нас существенно в разгадке появления жизни. Вследствие этого некоторые учёные считают это направление исследований тупиковым [29].

Основным отличием живого от неживого является наличие большого разнообразия химических реакций, протекающих под действием белков-катализаторов. В связи с этим, по мнению многих учёных зарождение жизни в первую очередь связано не с коацерватами, а с появлением высокомолекулярных, автокаталитических самовоспроизводящихся молекул. На этом направлении исследований и следует ожидать решение проблемы возникновения жизни [30].

Последние результаты экспериментальных исследований в этом направлении показали, что автокаталитическими свойствами, позволяющими молекулам самовоспроизводиться, обладают некоторые последовательности нуклеотидов, синтезированные искусственно в лабораторных условиях. Причём такими молекулами могут быть как однонитчатые фрагменты ДНК, так и РНК [16].

В итоге сегодня начальные этапы химической эволюции и зарождения жизни можно представить в виде примерной схемы, (рис. 4.5.).

Рис.4.5. Схема предбиологической химической эволюции Земли

4.7. Геохронологическая схема эволюции жизни и биосферы

С момента появления первичной земной коры начались горообразовательные процессы в виде формирования складок за счёт наползающих друг на друга литосферных плит, плавающих по поверхности раскалённой магмы. Одновременно начал протекать и противоположный, энтропийный процесс разрушения твёрдых пород, рассеивания обломочного материала и образования осадочных горных пород. На сегодняшний день толщина таких отложений в отдельных местах планеты превышает 4-5 км. Возраст каждого слоя может быть определён радиоизотопным методом по соотношению количества атомов, образующихся в результате радиоактивного распада.

Сопоставление химического состава разных слоёв показало, что геологические процессы протекали неравномерно. Относительно длительные, спокойные периоды, продолжавшиеся десятки или сотни млн лет, чередовались короткими периодами бурной геологической активности. Степень активности можно определить по величине слоя накопленного однородного материала за определённый интервал времени. Чем выше интенсивность геологических процессов, тем больше осадочных пород накапливается за один и тот же период. Изучение более поздних слоёв Земли позволило обнаружить периодичность и в развитии жизни.

С учётом всех периодических процессов была разработана шкала геологической истории Земли. Самые крупные интервалы этой шкалы получили название эры, а более мелкие – периоды.

Химическая эволюция первобытной Земли продолжалась около 1 млрд лет и завершилась появлением первых простейших организмов, получивших название пробионты (рис.4.6). Первая эра истории Земли,
предшествующая появлению жизни, получила название катархей.
В следующей архейской эре с появлением пробионтов началась биологическая эволюция, основанная на мутациях и естественном отборе.  

Предполагается, что пробионты были мелкими одноклеточными прокариотными анаэробными гетеротрофами, питающимися абиогенной органикой. Фотоавтотрофный способ питания (фотосинтез) был невозможен из-за высокого содержания в атмосфере паров воды, не пропускавших свет. Хемоавтотрофное питание (окисление неорганических веществ) было затруднено из-за восстановительных свойств атмосферы.

Скорость абиогенного синтеза была на много порядков ниже скорости ферментативного биологического синтеза, определяющего быстрое размножение потребителей органики. Кроме того, быстрому расходованию органической пищи способствовало анаэробное дыхание, которое по эффективности (6АТФ/молекулу глюкозы) многократно уступает аэробному дыханию (36-38 АТФ/молекулу глюкозы). Разница скоростей абиогенного синтеза и биологического потребления должна была на определённом этапе привести к первому на нашей планете экологическому кризису – кризису исчерпания абиогенной органики.

Кризис мог разрешиться появлением высокоскоростного биологического синтеза органики из неорганических веществ. Это стало возможным в результате дальнейшего остывания Земли, уменьшения  облачности и появления света. Организмы, которые приобрели способность использовать энергию света, получили преимущество. Появился бактериальный (бескислородный) фотосинтез. Его особенностью является то, что он протекает без образования молекулярного кислорода, поэтому называется аноксигенным. Для восстановления углерода используется не водород воды, а чистый водород, или водород, отщепляемый от бескислородных молекул: CH4, H2S, NH3. В результате в биосфере началось накопление свободной серы (залежи которой и сегодня весьма обширны), а также стала увеличиваться  доля молекулярного азота в атмосфере (современное содержание 78 %).

Вода не могла быть использована первыми фотоавтотрофами в качестве источника водорода, поскольку их примитивные ферментные системы  были неспособны  расщеплять прочные химической связи кислорода и водорода (табл.4.2). Появление быстро растущих фотоавтотрофов обеспечило и быстрое развитие гетеротрофов, в результате чего возник второй экологический кризис – исчерпания источников водорода. 

Таблица 4.2

Энергия химической связи водорода в различных молекулах [19, с.82]

 

Молекула

H2O

H2

CnC2n+2

H2S

NH3

Связь

O-H

H-H

C-H

S-H

N-H

Энергия, кДж/моль

460

435

360-410

360

350

Этот кризис был разрёшён совершенствованием ферментных систем  фотоавтотрофов и появлением оксигенного фотосинтеза, который и по сей день составляет основу биологической продуктивности биосферы. Источником водорода для оксигенного фотосинтеза являются практически неограниченные запасы воды. Считается, что первыми организмами, с появлением которых атмосфера Земли начала обогащаться кислородом, были предки современных сине-зелёных водорослей (цианобактерий), от которых в дальнейшем и произошли все высшие и низшие растения.

С увеличением концентрации кислорода появились прокариоты с более эффективным аэробным дыханием,  а также возникли условия для развития хемоавтотрофии. Хемоавтотрофы получают энергию для синтеза органических веществ из минеральных за счёт окисления неорганических веществ (см п.3.12).

Таким образом, уже на уровне прокариотных одноклеточных организмов на Земле сформировались все известные на сегодня основные способы питания: гетеротрофия с анаэробным и аэробным дыханием, фото- и хемоавтотофия.

Совершенствование способов получения энергии, развитие физиологических и биохимических механизмов были тесно связаны с усложнением морфологии клеток. В некоторых случаях увеличивались их размеры, появлялись разнообразные внутренние структуры в виде мембранных и не мембранных органоидов. Возникли первые ядерные клетки – основатели надцарства эукариотных организмов. По современной общепринятой гипотезе, аэробные эукариоты появились в результате захвата анаэробными клетками, с помощью фагоцитоза, мелких аэробных прокариот (без их переваривания) с последующим превращением в митохондрии. В пользу этого свидетельствует тот факт, что митохондрии всех современных эукариотных организмов обладают многими свойствами бактериальных клеток. Когда же аэробные эукариоты захватывали аналогичным способом прокариотные фотосинтезирующие клетки, то превращались в эукариотных фотосинтетиков с хлоропластами и митохондриями.

Все указанные превращения продолжались в океане сотни млн лет и во второй половине архейской эры привели к появлению многоклеточных эукариотных организмов. Эти организмы первоначально представляли собой нитчатые, однослойные или объёмные скопления (колонии) однотипных клеток, которые в ходе эволюции разделили между собой основные жизненные функции (питание, движение, размножение, защита и др.) и постепенно превратились в многоклеточные организмы со сложными системами тканей и органов.

Обладая широким спектром приспособительных возможностей, эти организмы получили возможность начать освоение воздушно-наземной среды обитания. Это стало возможным, когда в результате накопления кислорода образовался озоновый слой, защитивший органическую материю от разрушающего действия жёстких ультрафиолетовых лучей.

В конечном итоге за 3,5 млрд лет эволюции появилось большое многообразие биологических видов, число которых в настоящее время оценивается величиной около 2 млн. По мнению некоторых учёных эта величина явно занижена и с учётом числа пока неизвестных мелких и микроскопических организмов – обитателей мало изученных тропических лесов и глубин океанов может превысить десятки миллтонов. Но даже и такое  количество видов будет многократно уступать числу видов, обитавших на нашей планете в прошлые геологические эпохи.

По современной классификации все виды принято объединять по принципу иерархии в отдельные группы, характеризующиеся некоторыми общими признаками. Такие группы принято называть таксономическими единицами, или таксонами. Чем больше принципиальных различий в строении и функционировании организмов, тем к более высокому рангу относится таксономическая единица, в которую они входят, или по-другому, чем крупней таксономические единицы, тем больше отличий между входящими в них организмами.

Самыми крупными таксонами являются 4 царства: бактерий, растений, грибов и животных (рис.4.6). Царство растений принято делить на отделы. Некоторые из основных наиболее распространённых отделов также указаны на рис.4.6. Этому же рангу в царстве животных соответствуют таксономические единицы, называемые типами. Основные типы животных также указаны на рис.4.6. Типы и отделы и в ботанике, и в зоологии делятся на классы. На рис.4.6 указаны основные классы типа хордовых. Классы в царстве растений делят на порядки, в царстве животных – на отряды. Порядки и отряды делятся на семейства, семейства делятся на роды. Роды делят на биологические виды. Каждый обнаруженный новый вид получает латинское название, состоящее из двух слов. Первое слово (на латыни пишется с заглавной буквы) означает название рода, второе – название вида. Например, Taraxacum officinale – одуванчик лекарственный является видом из семейства сложноцветных, порядка астровых, класса двудольных, отдела покрытосеменных (цветковых) растений.

При необходимости могут применяться промежуточные таксономические единицы. Например, подтип является более мелкой единицей, чем тип, но более крупной, чем отряд. Другим примером могут являться три царства: растений, грибов и животных, объединяемых по признаку ядерного строения их клеток в надцарство эукариот. Вторым надцарством являются все организмы с безъядерными клетками, представленные одним царством бактерий (дробянок).

5. ЧЕЛОВЕК  КАК  ВЫСШАЯ  ФОРМА  
ОРГАНИЗАЦИИ  МАТЕРИИ

5.1. Человек в системе животного мира

Человек как биологический вид обладает всеми признаками, по которым определяется класс млекопитающих. А по таким признакам, как хватательные конечности, плоские ногти, наличие 1 пары молочных желёз, хорошо развитые ключицы,  человек может быть отнесён к отряду приматов, хотя многие люди наотрез отказываются признавать свое родство с обезьянами. К сожалению, палеонтологами и археологами обнаружен почти непрерывный ряд постепенно совершенствующихся форм приматов от примитивных древних до современного человека. Единственным утешением для сторонников уникальности человека может служить мнение некоторых учёных о том, что современные обезьяны, даже самые совершенные, являются тупиковой ветвью, не способной эволюционно превратиться в разумное существо. Хотя непонятно, на чём подробные утверждения могут быть основаны.

Последние данные по расшифровке последовательностей нуклеотидов (секвенированию) в ДНК человека и современных обезьян позволяют количественно оценить их биологическое сходство. У человека и у наиболее близких к нему из современных видов обезьян, шимпанзе и гориллы, доля одинаковых нуклеотидных последовательностей ДНК составляет соответственно 98,5 и 98 %.

Отряд приматов делится на три подотряда: полуобезьяны, обезьяны и человекообразные обезьяны (антропоиды). Общими признаками человека и антропоидов является большое количество извилин головного мозга, четыре группы крови, развитие мимической мускулатуры.

То, что человек является результатом длительной эволюции позвоночных, доказывается и анализом его эмбрионального развития. На ранних стадиях эмбриогенеза закладывается двухкамерное сердце, шесть пар жаберных дуг (признаки рыб), перепонки между пальцами (признак амфибий), хвостовой отдел позвоночника, несколько пар млечных желёз, нет извилин головного мозга, как и у примитивных млекопитающих. Дети до пяти лет имеют менее совершенную, чем у взрослых, терморегуляцию.

Отличиями человека являются: прямохождение, сильная мускулатура нижних конечностей, особое строение сводчатой стопы, позвоночник с четырьмя изгибами, кисть руки с дифференцированной мускулатурой и сложными движениями. Относительно большая масса мозга, относительно небольшая лицевая часть черепа.

Приматы произошли в третичном периоде 60 млн лет назад от примитивных насекомоядных, перешедших к жизни на деревьях. Их эволюция шла по пути совершенствования хватательных конечностей и плечевого пояса с большой амплитудой движений. Необходимость сложной координации движений стимулировала развитие управляющей системы – головного мозга. Происходило совершенствование цветного бинокулярного зрения и слуха.

Антропоиды выделились 30 млнлет назад. Около 10 млн лет назад появилась группа дриопитèков, от которой и берут начало виды шимпанзе, горилла и человек. Следующие за дриопитеками ископаемые останки австралопитèка, имеющие возраст 3,5 – 4 млн лет, были найдены в Южной Африке. Представители этого вида имели вес тела 20 – 50 кг, рост 120 – 150 см, могли ходить на двух ногах. Зубы австралопитèка по строению были ближе к человеческим, чем к обезьяньим. Объем мозга составлял 500 – 550 см3, как у современной гориллы. Эти существа вели стадный образ жизни, свободные руки позволяли им заниматься трудовой деятельностью,  что приводило к усложнению мозга.

К ископаемым останкам с возрастом 2,5 млн лет принадлежит человек умелый, который при объёме мозга 660 – 700 см3 умел изготавливать каменные орудия труда. Спустя примерно 1 – 1,5 млн лет появился человек выпрямленный с объёмом мозга 600 см3, вероятно пользовавшийся огнем, речевыми сигналами, который вёл коллективную деятельность. Все это позволило расселиться ему по всей Африке, Средиземноморью, Южной Азии.

Границей между обезьянами и человеком принято считать объем мозга 750 см3. При такой массе мозга ребенок начинает овладевать речью. Ископаемые формы антропоидов, особенно близкие к современному человеку, имеют возраст в пределах 2 млн лет. Из них наиболее древней обнаруженной группой являются питекáнтропы, имеющие возраст 1,9 млн – 650 тысяч лет.  Представители этой группы могут рассматриваться как промежуточная форма между австралопитеком и родом Homo (человек). Их отличительными чертами были мощные надбровные валики, отсутствие подбородочного выступа, массивная нижняя челюсть, покатый лоб, мозг 850 – 1100  см3, большие коренные зубы, развитые клыки.

  Следующей эволюционной группой считается синáнтроп (возраст около 600 тыс. лет), который характеризуется средним объёмом мозга 1075 см3, увеличенной высотой черепной коробки, появлением слабого подбородочного выступа, менее массивной нижней челюстью и менее крупными коренными зубами. Эти древние люди были охотниками, разделывали туши каменными инструментами, готовили пищу на костре.

Все перечисленные виды антропоидов не представляют собой звенья одной непрерывной эволюционной цепи и не являются прямыми предками человека. Это лишь различные ветви дерева эволюции. Одновременно существовало много форм древних людей, в том числе и эволюционное направление гигантизма, но выживали наиболее организованные сообщества.

Ещё более близкими к современному человеку свойствами обладал неандерталец, обнаруженный в долине Неандерталь (Германия). Его возраст 200 тыс. лет. У неандертальцев можно выделить две ветви.

Первая ветвь характеризуется крепким физическим развитием при росте 155 – 165 см. Объём мозга составлял 1300 – 1500 см3, имелся сплошной надглазничный валик, скошенный лоб, низкий затылок, слабо развитый подбородочный выступ, крупные зубы. Представители этой ветви пользовались членораздельной речью, были распространены в  Европе 50 тыс. лет назад.

Вторая ветвь неандертальца характеризуется тонкими чертами лица, высоким лбом, более развитым подбородком. Представители этой ветви вели совместную деятельность. Считается, что от них 35 – 40 тыс. лет назад произошел человек разумный.

Некоторое время неандертальцы и современные люди существовали совместно. Примерно 26 тыс. лет назад неандертальцы были вытеснены современным типом человека, который получил название кроманьонец. Он имел рост до 160 см, мозг 1600 г., изготавливал совершенные орудия труда, строил жилища, шил одежду. Биологическая эволюция кроманьонца в значительной степени превратилась в социальную.

Считается, что окончательное формирование современного типа человека произошло 10 – 12 тыс. лет назад. С этого времени человек широко расселился по всей планете и в силу возникшей географической изоляции распался на ряд популяций, которые явились предшественниками различных современных рас, отличающихся цветом кожи, формой головы, носа, цветом волос, частотой определенных генов и определяемыми этими генами биохимическими особенностями. Расы не являются самостоятельными видами, так как могут давать полноценное крепкое, здоровое потомство. С развитием человеческой цивилизации и международного сотрудничества усиливается тенденция генетического смешения рас и объединения в целостную человеческую популяцию.

5.2. Физико-химические и биологические
основы сложного поведения

Человек имеет вполне определенные отличительные физические, биохимические и биологические особенности. Но главной особенностью является значительно более сложное поведение. Сложность поведения определяется способностью различать в окружающей обстановке громадное количество разнообразных явлений, многие из которых не доступны для восприятия даже наиболее совершенным животным. Превосходство в этом отношении не является абсолютным, поскольку есть факторы окружающей среды, которые человеком не воспринимаются или воспринимаются хуже, чем некоторыми животными. Например, человек не слышит ультразвук, который хорошо улавливается собаками и летучими мышами. Некоторые домашние животные ощущают слабые колебания земной коры (инфразвуки), предшествующие землетрясению. Инфракрасное электромагнитное излучение воспринимают змеи. Запахи очень хорошо распознают собаки. Хищные птицы обладают очень острым зрением и т.д.

Уступая в некоторых отдельных компонентах восприятия среды, человек превосходит животных по способности осуществлять комплексный анализ всего многообразия поступающих природных сигналов и совершать на основе этого анализа строго скоординированные сложные действия. Совокупность всех сложных поведенческих реакций обеспечивается мышлением и проявляется в виде психической деятельности. В свою очередь на основе мышления и психической деятельности формируется еще более сложный тип поведения – совместная трудовая и социальная деятельность. Из этого следует, что эволюция человека шла в направлении не столько совершенствования биологических и биохимических особенностей, сколько в направлении совершенствования поведения.

Восприятие сигналов, их анализ и управление поведением осуществляется специальным органом – нервной системой, которая состоит из особого типа клеток, называемых нейронами. Нейроны сильно отличаются по внешнему виду от клеток всех остальных тканей.

Основным отличием является наличие отростков, представляющих собой тонкие выросты цитоплазмы. Существуют короткие отростки – дендриты. Их у одной клетки может быть несколько, но не менее одного. И имеется всегда один длинный отросток – аксон. Концы дендритов и аксонов сильно ветвятся,  и каждое из многочисленных нервных ответвлений образует на своём конце небольшое расширение, плотно примыкающее к соседней клетке. Место такого контакта называется синапсом.

Основной функцией нейрона является генерирование нервных импульсов и передача их от клетки к клетке по нервным отросткам. Природа биоэлектрического импульса отличается от электрического тока в металлических проводниках. Нервный импульс формируется на основе мембранного потенциала плазмалеммы, нормальная величина которого составляет минус 60 мВ. Потенциал поддерживается за счет работы ионных насосов, использующих для работы энергию дыхания (АТФ из митохондрий) (см. п.3.11). При воздействии раздражителя (физическое или химическое воздействие) на мембрану, ее структура нарушается. Мембрана теряет способность изолировать разделенные ионы, они устремляются по градиенту электрического поля, и возникает электрический ток (рис.5.1, а). Электрический потенциал мембраны уменьшается до нуля (рис.5.1, б). Процесс самосборки быстро восстанавливает структуру мембраны, и за счёт работы ионных насосов, создающих обратный электрический ток, восстанавливается электрический потенциал. Время с момента действия раздражителя до возвращения потенциала к прежнему состоянию составляет около 3 миллисекунд. Возникший таким образом круговой ток является раздражителем для соседнего участка мембраны, в котором также возникает прямой и обратный ток. В результате круговой ток быстро распространяется вдоль мембраны, что и представляет собой нервный импульс.

Скорость распространения импульса зависит от типа нервного волокна и измеряется величиной несколько метров в секунду, а в особо ответственных волокнах превышает 100 м/с.

Когда импульс достигает синапса, в синаптическую щель выбрасывается определённое количество биохимически активного вещества ацетилхолина. Это вещество в норме накапливается в синаптическом расширении нервного отростка в виде большого количества мелких вакуолей. Ацетилхолин вызывает возбуждение плазмалеммы соседней клетки и начинается распространение нового электрического импульса. Вещества, подобные ацетилхолину и исполняющие роль посредников между нервными клетками, называются медиаторами.

Синапсы могут быть тормозящими и возбуждающими. Все синапсы, контактирующие с дендритами или непосредственно с телом клетки, являются возбуждающими, а контактирующие с аксоном – тормозящими (рис 5.2). Медиаторы тормозящих и возбуждающих синапсов имеют различное химическое строение.

Многие природные вещества, являющиеся ядами или наркотиками, по своей химической структуре близки к медиаторам. При попадании в организм они оказывают на синапсы чрезмерно тормозящий или чрезмерно возбуждающий эффекты и при длительном действии приводят к истощению и разрушению нервных клеток. Примером чрезмерно возбуждающего вещества является токсин столбнячной бактерии, который вызывает до такой степени  сильное сокращение мускулатуры (судороги), что могут произойти разрывы сухожилий и вывихи суставов. Противоположным действием обладают яды многих змей, например кураре, которые полностью блокируют проведение импульсов, в результате чего наступает общий паралич, прекращается работа всех мышц, в том числе дыхательных и сердечных.

Наличие сильно разветвлённых отростков позволяет одной клетке одновременно контактировать с тысячами других клеток. Возникает сложная система взаимодействий, которая и обеспечивает крайне разнообразное поведение всего организма в целом.

В упрощенном варианте можно считать, что нервная клетка имеет всего два рабочих состояния. Она либо молчит, либо генерирует импульсы (в действительности, импульсы могут быть разной частоты). В таком случае требуется объяснить, каким образом система, состоящая из примитивных элементов с двумя рабочими состояниями, может обеспечить очень сложное поведение, включающее мышление и разум?

Детальное объяснение природы сложных явлений будет дано в следующей главе. Здесь же ограничимся рассмотрением аналогии между мозгом и современным компьютером. Основным рабочим элементом компьютера является простейшее устройство – транзистор, который также характеризуется двумя возможными состояниями: он либо проводит ток (открыт), либо не проводит (закрыт), а состояние транзистора в данный момент зависит от того, подано или отсутствует электрическое напряжение на один из его трёх контактов, называемый базой. Как видим, работа транзистора даже проще, чем нервной клетки, но, соединяя много таких простых элементов в систему, можно создать  машину с практически неограниченными возможностями поведения.

5.3. Эволюция нервной системы
и поведения животных

В ходе биологической эволюции нервные клетки, а вместе с ними и нервная система, прошли путь постепенного усложнения. Одновременно менялись и основные типы поведения организмов, что привело в конечном итоге к появлению мышления и разума. Выявив основные принципы усложнения работы нервной системы, можно установить и специфические особенности поведения человека.

Нервная система могла появиться только у многоклеточных животных. Среди них к наиболее простым можно отнести кишечнополостных с сидячим образом жизни. Тело этих животных представляет собой мешок из двух слоёв клеток с отверстием на головном конце. Нервная система по строению напоминает сеть из одинаковых нервных клеток, разбросанных равномерно по всему телу и соединённых короткими отростками. Основные поведенческие реакции в упрощенном варианте сводятся к сжиманию тела при возникновении опасного фактора и к возвращению в прежнее состояние после его исчезновении. У некоторых более сложных представителей наблюдается повышенная концентрация нервных клеток на головном конце вокруг рта. Это является предвестником появления нервных узлов, а в будущем и центральной нервной системы. У червей нервные клетки характеризуются наличием более развитых отростков и концентрируются в виде нервных узлов, образующих брюшную и спинную цепочки. Особенно много нервных узлов появляется на головном конце, что можно рассматривать как прототип  будущего высшего отдела нервной системы – головного мозга.

Основной тип поведения низших животных складывается из элементарных нервных реакций, называемых безусловными рефлексами. Это врождённые реакции на жизненно важные раздражители. Такие реакции сохранились и имеют важное значение для поведения высших животных, в том числе и человека. Управляют этими реакциями низшие, наиболее древние отделы нервной системы. У человека таким отделом является спинной мозг. Для осуществления простейшего безусловного рефлекса достаточно системы из  двух  нервных  клеток (рис.5.3):  чувствительной,  которая расположена  в нервном узле задних корешков спинного мозга, и двигательной, расположенной в передних рогах серого вещества.

Получив сигнал от рецепторных клеток по аксону (центростремительному нерву), чувствительная клетка передаёт его по дендриту на двигательную клетку, которая в свою очередь по своему аксону (центробежному нерву) посылает управляющий сигнал исполнительному органу (мышце, железе, кровеносным сосудам и т.д.). Данная система управления получила название безусловно-рефлекторной дуги. В действительности две указанные клетки обычно соединяются не напрямую, а через третью клетку – вставочный нейрон, который расширяет возможности взаимодействия дуги с другими отделами нервной системы.

В ходе усложнения нервной системы у высших животных появились разнообразные комплексы рецепторов в виде сложных органов чувств. Сигналы от этих рецепторов обрабатывались уже в высших отделах головного мозга. Животные получили возможность воспринимать большое разнообразие природных сигналов, подавляющая часть которых не являются жизненно важными, но обычно сопутствуют различным безусловным раздражителям. Такие сигналы являются условиями, в которых действует тот или иной безусловный раздражитель. Например, высокая температура пожара всегда сопровождается световым излучением, запахом, характерными звуками и т.д. При одновременном раздражении нервных центров, воспринимающих эти сигналы, и действии безусловного раздражителя между всеми участвующими клетками за счёт разветвлённой сети отростков возникает врèменная, относительно устойчивая нервная связь. Наличие этой связи позволяет животному заранее, по одним только сопутствующим сигналам, подготовиться к действию безусловного раздражителя. В такой ситуации исполнительная клетка рефлекторной дуги получает сигнал не от самого безусловного раздражителя, а от высших отделов центральной нервной системы, воспринимающих и анализирующих условные раздражители. Вероятность выживания при таком поведении существенно возрастает. А само поведение получило название условно-рефлекторного.

Теория условного рефлекса была разработана русским академиком Иваном Петровичем Павловым (1849 – 1936), который за исследование процессов  пищеварения получил Нобелевскую премию 1904 г.

Количество условных рефлексов в течение жизни (в онтогенезе) животного возрастает, и поведение становится более целесообразным. Таким образом, организм получает возможность накапливать жизненный опыт. Человек обладает очень хорошей способностью к выработке условных рефлексов. Но эта способность не выделяет его из животного мира, а скорее подчёркивает общность принципов поведения с животными.

В ходе эволюции возник ещё более сложный тип поведения, который характерен только для человека. Это было связано с дальнейшим усложнением органов чувств, нервной и мышечной систем. У человека усложнилась мускулатура лица, гортани, рук, сильно увеличилась кора головного мозга, которая состоит из нескольких десятков миллиардов клеток. В результате появилась способность совершать большое количество очень тонких и разнообразных поведенческих реакций. К ним можно отнести мимику, жесты, звуки. Часть этих разнообразных реакций, которые можно рассматривать как искусственные сигналы, человек стал использовать для обозначения природных сигналов.

Это сделало жизнь человека ещё более безопасной, поскольку уменьшилась необходимость получать опыт только через непосредственный контакт с природой. Такой контакт всегда создаёт определённую опасность. Постепенно первоначально примитивная и отчасти хаотичная система жестов и звуков усложнилась и превратилась в членораздельную речь. Речевое общение, при всей своей кажущейся нематериальности и условности, явилось мощным средством выживания. Продемонстрируем это на образном примере.

Первобытный охотник, ещё не владеющий речью, находясь далеко от своей пещеры, замечает на удалении, допустим, полукилометра тигра. Имея хорошие условные рефлексы, охотник, не дожидаясь безусловного раздражителя (болевого воздействия), поворачивает обратно и поспешно возвращается в пещеру. В данной ситуации видна большая польза условного рефлекса. Но на практике, скорее всего, условный рефлекс в данной ситуации не поможет. Почему? Потому что тигр – высокоразвитое животное, тоже с хорошими рефлексами, обладает хорошим зрением, слухом, запахи чувствует намного лучше человека, бегает быстрее, прекрасно плавает, при желании может даже вскарабкаться на дерево. Поэтому если человек заметил тигра, то тигр, по всей вероятности, учуял человека ещё раньше. Исход такой ситуации вполне ясен. Человек останется живым только в том случае, если тигр незадолго до этого очень сытно наелся.

Теперь рассмотрим вариант, когда человек владеет речью. Тогда данная ситуации вообще не возникнет, поскольку человеку с малолетства объяснят, что такое тигр, где он живёт, и человек заранее будет знать, где ему можно бродить в одиночку, а где не следует.

Помимо уже указанной безопасности, перечислим ещё некоторые основные преимущества использования речи.

  1.  Возможность использовать не только свой собственный опыт, но и опыт всех соплеменников, с которыми возможно речевое общение.
  2.  Эффективная организация сложных коллективных действий (охота, строительство, скотоводство, земледелие).
  3.  Появление письменной речи даёт возможность использовать знания не только современников, но и всех предшествующих поколений.
  4.  Возможность получать быстро и много знаний. Обучение с помощью словесного объяснения называется вербальным. Удобства такого обучения настолько велики, что в современном образовании оно является преобладающим.
  5.  Появление речи способствовало развитию абстрактного мышления.

С развитием общения и речи у человека появилась особая обширная зона коры головного мозга, расположенная в лобной части. Эта зона отвечает за восприятие и анализ речевых сигналов. У животных, даже таких, как обезьяны, подобная зона отсутствует. Систему нейронных взаимодействий, которая управляет сложным поведением, основанным на словесном общении,  И.П. Павлов предложил называть второй сигнальной системой в отличие от первой, которая анализирует естественные природные сигналы. Первая сигнальная система существует как у человека, так и у животных, и обеспечивает условно-рефлекторное поведение, а вторая сигнальная система имеется только у человека и обеспечивает разумное поведение.

Деление на первую и вторую сигнальные системы является весьма условным. Невозможно указать разницу между воспринимаемым природным звуком и звуком человеческой речи. И в том и в другом случае ухо реагирует на физический процесс быстрых перепадов давления воздушной среды. В обоих случаях от ушных рецепторов начинают двигаться в центральную нервную систему электрические импульсы. Разница, вероятно, в том, что количественные характеристики воздушных колебаний (частота) в природном сигнале отличаются от колебаний в словесном сигнале. В результате в разных случаях возбуждаются разные рецепторные клетки, настроенные на разную резонансную частоту. Наборы  волокон, загруженных электрическими импульсами, будут для двух случаев различными. Таким образом, имея некоторое общее происхождение, но отличаясь физическими параметрами, внешние сигналы приведут к возбуждению или торможению внутри мозга разных групп нервных клеток. При этом различить какая клетка восприняла сигнал от слова, а какая от шелеста листвы затруднительно, учитывая, что и в шелесте листвы, и в речи могут быть звуки одинаковой частоты. Различие существует только лишь для каждого набора звуков в целом.

5.4. Мышление

Многие склонны считать мысль нематериальным явлением, плодом нематериальной субстанции – духа. Однако всё, что до сих пор рассматривалось в данной книге, не содержит никаких доказательств существования духа. Забегая вперёд, отметим, что далее (п. 6.3) сделана попытка определить смысл понятий дух и душа с позиций физики и химии.

В классической философии и психологии мышление определяется как процесс отражения окружающего мира в головном мозге, опосредованный словом. Отражение означает, что процессы, протекающие в мозге, имеют связь и зависят от окружающих явлений. Иметь связь и зависеть означает обмениваться энергией – взаимодействовать.

Какие взаимодействия могут при этом осуществляться, мы знаем исходя из того, что изложено в главах 1 – 5 этой книги. Тогда мышление можно определить как совокупность материальных процессов в центральной нервной системе. Эти процессы тесно связаны с воздействиями, поступающими из окружающей среды. В результате происходит взаимодействие нервных клеток путём передачи нервных импульсов. В свою очередь формирование таких импульсов требует наличия сложной физико-химической системы, какой является биологическая клетка. Все процессы в клетке подчиняются известным законам физики и химии и обеспечиваются совокупным действием всех клеток организма, обменивающихся веществом и энергией друг с другом и с окружающей средой.

Таким образом, мы имеем сложную совокупность различных процессов в организме, обусловленную явлениями окружающего мира. Часть этой совокупности, связанную преимущественно с головным мозгом, мы и относим к явлению, получившему название мышление.

Основная работа мозга (нервной системы) – проведение электрических импульсов нервными клетками. Что происходит в мозге, какие импульсы, сколько их и куда они передаются, зависит от того, как соединены между собой клетки и какие воздействия поступают из среды. К воздействиям следует относить и влияние внутренних органов, которые также находятся под контролем нервной системы. Вся работа, запускаемая совокупностью воздействий, заканчивается формированием управляющих сигналов (импульсов) к исполнительным органам. Организм совершает какие-то действия. Именно по поведению, по внешним проявлениям мы и определяем, что внутри нас нечто происходит, хотя сегодня импульсы можно замерять и непосредственно в мозге, разместив там электроды.

Ответить на вопрос о том, есть у наблюдаемого объекта мышление или нет, мы можем путём сопоставления воздействия с результатом поведения. Если поведение целесообразное, то мы считаем, что мышление есть, если же поведение нецелесообразное, то делается вывод, что мышления либо нет, либо оно неправильное.

Целесообразность – это свойство поведения обеспечивать достижение цели. Цель – состояние, в котором должна находиться система (совокупность всех её параметров и характеристик). В нашем случае система – это человек (или живой организм), а целью можно считать выживание (поддержание всех параметров в пределах соответствующих живому состоянию).

Казалось бы, вопрос решается очень просто: есть целесообразность поведения – есть мышление, нет целесообразности поведения – нет мышления. Но возникает некоторое противоречие. Если цель – выживание , то дождевой червь имеет мышление. Его поведение вполне обеспечивает выживание. Между прочим, растения тоже успешно выживают.

Можно попытаться переопределить цель для человека и таким образом развести его с другими живыми организмами. Например, считать целью достижение успеха в определённой сфере человеческой деятельности. Но, во-первых, это равносильно заявлению, что человеческое – это то, что походит на человеческое, а, во-вторых, для чего человек добивается успеха(?) – для того, чтобы лучше обеспечить своё выживание.

Сделаем ещё одну попытку. Определим цель как успех в деятельности, которая является общественно полезной. Но такой цели добиваются пчёлы, когда жалят врага, при этом к тому же и не выживают. Единственным доводом остаётся то, что растения, черви, пчёлы и прочие животные, в отличие от человека, не осознают, что действуют ради определённой цели. Тогда надо определить, что такое сознание. Но мы это и пытаемся сделать через понятие «мышления».

Из классического определения следует, что к мышлению надо относить только те процессы в мозге, которые базируются на анализе речевых сигналов. Но это, как мы только что выяснили, не принципиально. Речевые сигналы – это те же физические звуковые (на уши) и световые (на глаза) воздействия, превращаемые с помощью химии клеток в нервные импульсы. А импульсы уже одинаковы как после воздействия слов, так и  после воздействия природных сигналов.

Остаётся заключить, что животные обладают своей примитивной формой мышления без использования речи, а человек – своим более сложным мышлением. Причём границу точно указать невозможно. Например, собака выполняет словесные команды хозяина, совершая весьма целесообразные действия: если она не будет выполнять команды, с выживанием у неё будут проблемы.

Надо отметить, что разделением мышления человека и животных проблема не решается, потому что, например, между поведением человека и собаки различий явно меньше, чем между поведением собаки и амёбы или даже между собакой и дождевым червём. По всей вероятности, есть непрерывный ряд усложнения нервной системы и поведения, в конце которого стоит человек. Мы только можем условно разделять этот ряд на части в меру наших способностей и потребностей.

В частности, более древнюю часть нашего мышления, которая имеет общие черты с животными, принято называть образным мышлением. Имеется в виду, что это мышление ориентировано преимущественно на восприятие и обработку естественных сигналов. А то, что происходит при этом в головном мозге, есть процедура оперирования образами. Возникает вопрос, что является образом в нашем мозге, когда мы смотрим на природный объект, допустим, видим дерево.

Восприятие дерева происходит в результате отражения определённых фотонов от различных частей дерева и попадания этих фотонов на сетчатку глаза. На сетчатке появляется изображение, подобно картинке на плёнке фотоаппарата. Это последнее, что в нашем организме ещё как-то напоминает сам объект. Далее какие-либо сходства с объектом заканчиваются. Каждая колбочка или палочка (их в глазу несколько сотен тысяч), получив свой фотон, посылает импульсы по своему отростку. В определённом участке зрительной зоны коры головного мозга возникает строго определённый комплекс возбуждённых и заторможенных нервных клеток, который соответствует дереву, но таковым совершенно не является. Эти клетки начинают взаимодействовать с клетками других участков нервной системы. В этих взаимодействиях и состоит процесс обработки сигналов.

После того, как глаз переводится на другой объект, картина распределения фотонов на сетчатке меняется и в зрительной зоне появляется другой комплекс возбуждённых и заторможенных клеток. Меняется и система взаимодействия этой зоны с другими частями нервной системы. Таким образом, каждому набору сигналов из окружающей среды соответствует свой набор возбуждённых и заторможенных клеток и своя система их взаимодействия. Последней стадией этих взаимодействий является комплекс сигналов,  направляемых к исполнительным органам, которые и совершат целесообразные действия по отношению к воспринимаемым объектам и условиям среды.

Заметим, что всё описанное представляет собой совокупность физических и химических процессов и не требует привлечения каких-либо нематериальных сил. Остаётся только один вопрос: как неразумные физико-химические системы – клетки узнают, в каком порядке или по какой системе им надо соединиться, чтобы результирующие импульсы их взаимодействий пошли к тем исполнительным органам, которые выдадут полезную приспособительную реакцию?

Ответ кроется в естественном отборе. Сложные биологические конструкции современных высших организмов и человека развивались и совершенствовались постепенно, начиная с примитивных клеток бактерий, путём проб и ошибок в течение 4 млрд лет. Мутации поставляли новые белки-ферменты. Эти ферменты изменяли ход химических реакций, за счёт которых строились новые структуры. Эти структуры меняли свойства клеток, а затем и свойства многоклеточных организмов. Неудачные варианты организмов, у которых импульсы шли туда, куда не надо, естественно, не выживали. Поэтому и не существует организмов с нецелесообразным поведением. А если мы и посчитаем поведение каких-либо существующих в природе объектов нецелесообразным, то надо учесть, что целесообразность с точки зрения выживания в природе, может совершенно не соответствовать целесообразности с точки зрения некоторых людей.

Человек, в дополнение к достаточно совершенной системе образного мышления, приобрёл ещё более совершенную систему абстрактного мышления. Эта система, используя те же принципы взаимодействия нервных клеток, осуществляет обработку не самих природных сигналов, а их условных обозначений в виде искусственных сигналов-слов.

Преимуществом абстрактного мышления является его простота и скорость. Слово в виде набора звуков или изображения на бумаге представляет собой гораздо более простой объект, чем природная система, которую это слово заменяет. В абстрактных символах заключены главные существенные  особенности и не учитывается множество «второстепенных» свойств сложных природных явлений.

Рассмотрим, к примеру, слово «волк». Для большинства людей оно означает примерно то, что это опасное животное, которое живёт в лесу, и туда лучше одному не ходить. А в качестве природного объекта волк является бесконечно сложной системой, характеризующейся множеством физических и химических параметров: масса, температура, плотность тканей, теплопроводность покровов, скорость передвижения, характер движения крови, клеточное строение, химический состав,  скорость размножения, численность особей, условия жизни, виды пищи и т.д. и т.п. Можно перечислять бесконечно долго, и всё это в словесной системе заменяется всего лишь четырьмя символами-буквами. К тому же есть материальные явления, которые вообще невозможно воспринять одномоментно, и представление о них формируется длительным жизненным опытом. В качестве примера можно привести такие понятия как «война», «революция», «сила воли» и пр.

Именно быстрая и лёгкая обработка словесных сигналов по сравнению со сложными природными делает абстрактное мышление быстрым и удобным, а вербальное обучение очень выгодным. Благодаря этому человек овладевает таким объёмом знаний об окружающем мире, которое не идёт ни в какое сравнение с возможностями животных.

Но в природе ничего не даётся бесплатно. При всех своих неоспоримых преимуществах словесное обучение имеет и существенный недостаток: теряется многообразие природных явлений, знания оказываются не полными. Хорошо известно, что словесные объяснения должны сочетаться с практическими действиями. Только практические действия позволяют ощутить те многообразные тонкости материальных объектов, которые невозможно отразить в сжатых словесных формулировках.

5.5. Скорости и пути дальнейшей эволюции человека

Появление речи и мышления вывело человека в новую, совершенно особую экологическую нишу – сферу разума. Выход в эту сферу настолько резко меняет закономерности эволюции, что они уже не могут быть отнесены к сфере биологии. Началась социальная эволюция человека, в основе которой лежит процесс познания окружающего мира, Появилась такая специфическая деятельность, как наука. Знания позволяют людям успешнее защищать себя от неблагоприятных условий и гораздо эффективнее удовлетворять свои потребности, чем это удается сделать животным. На основе достижений науки быстро совершенствуются орудия производства и создаются новые технологические процессы, позволяющие преобразовывать природу. Социальная эволюция протекает очень быстро. На ее фоне скорость биологической эволюции практически равна нулю. К тому же многие биологические факторы эволюции полностью теряют свое значение. Например, в природе важнейшими факторами являются различные инфекционные заболевания, воздействие хищников, различные физические и химические параметры среды. Многие из этих факторов достаточно хорошо контролируются человеком, а отдельные вообще сведены к нулю. На планете исчезли некоторые опасные и тяжёлые заболевания, почти исключено влияние хищников, многие параметры среды могут искусственно поддерживаться на необходимом уровне за счёт использования одежды, зданий, систем кондиционирования воздуха и воды.  

Можно заметить, что особенностью биологической и социальной эволюции является увеличение их скорости со временем. Если на появление всего разнообразия одноклеточных организмов на Земле ушло от 1,5 до 2 млрд. лет, то сложная и разнообразная группа позвоночных сформировалась за 400 – 500 млн лет. Вся эволюция жизни на Земле заняла приблизительно 4 млрд лет, человека – 1 – 2 млн лет, научно-технического прогресса – 200 – 300 лет. Если эволюцию жизни принять за сутки (24 ч), то тогда получится, что человек эволюционировал как биологическое существо 30 с, а научно-технический прогресс – 0,01 с.     

Какова будет следующая форма организации материи? Особенности эволюции таковы, что её ход предсказать точно невозможно, но можно попытаться ориентировочно указать некоторые варианты. Во-первых, ясно, что биологическое совершенствование если и будет как-то сказываться, то в весьма ограниченном объёме. Во-вторых, уже сейчас хорошо видно, что прогресс обеспечивается в основном за счёт развития знаний и техники. Возможности человеческого мозга по восприятию и переработке знаний ограниченны, а скорость развития мозга не сопоставима со скоростью технического прогресса.  Поэтому одним из возможных направлений может явиться постепенный переход информационно-интеллектуальных функций к техническим средствам, как это уже произошло с технологическими функциями более ста лет назад, когда началось интенсивное  применение машин и механизмов. При этом на определённой стадии развития интеллектуальной техники появятся самовоспроизводящиеся автоматы, в миллионы раз превосходящие по своим возможностям человека. В конечном итоге может оказаться, что существование человека вообще окажется бессмысленным. Человеку можно, конечно, попытаться держать под своим контролем развитие этих автоматов, например, не допуская создания систем их самовоспроизведения и всегда контролируя «выключатели» (каналы), через которые технические устройства получают вещества и энергию. Но тогда это будет явным тормозом эволюции материи.

Возможен и несколько иной, не приводящий к указанному противоречию, вариант, который также просматривается уже в сегодняшнем научно-техническом прогрессе. Многие достижения биологической эволюции («патенты природы») мы начинаем использовать в технических системах, например, конструируем молекулярные машины с помощью нанотехнологий. И наоборот, некоторые несовершенные и выходящие из строя биологические системы мы пытаемся заменить техническими устройствами (искусственные суставы, искусственные глаза и почки, насосы, заменяющие сердце и пр.). Пока эти технические системы весьма несовершенны, но со временем они превзойдут биологические, и мы превратимся в биотехнические гибриды, а затем и в полностью самовоспроизводящиеся технические системы. Результат тот же, что и в предыдущем варианте эволюции, но без противоречий.

Таким образом, получается, что следующей ступенью эволюции материи может быть, если так можно выразиться, социотехническая (или биотехническая) форма организации материи. Для технических существ не будет проблем с освоением планет, которые абсолютно не пригодны для жизни человека. Даже современные технические аппараты могут работать в вакууме, в ядовитых средах, при отрицательных и положительных температурах в сотни градусов Цельсия, при громадных давлениях и ускорениях. Может случиться и так, что технические существа захотят сохранить в научных целях биологических существ в заповеднике под названием «Земля».

Перспектива освоения планет наталкивает на вопрос, почему при миллиардах звёзд только в нашей галактике и при ещё большем количестве планет мы не имеем свидетельств о существовании других очагов жизни и цивилизаций? Отсутствие следов биологической жизни в космосе объясняется достаточно просто. Условия для этого встречаются  редко. Но даже если жизнь и зародилась где-то в других планетных системах, то, не достигнув уровня технической цивилизации, она не в состоянии послать нам сигнал о своём существовании. А в ближайшее время мы можем посетить только планету Марс.

С объяснением отсутствия следов цивилизаций дело обстоит сложнее. Если цивилизации и очень редки, то всё равно они могли бы посылать сигналы во Вселенную, по которым их можно было бы обнаружить. Варианты объяснения могут быть различными. Во-первых, возникновение цивилизации (а возможно, и жизни) – явление на много порядков менее вероятное, чем нам кажется. Во-вторых, расстояния между цивилизациями могут быть так велики, что невозможно создать сигнал необходимой мощности. В- третьих, мы не достигли уровня технического прогресса, необходимого для обнаружения сигналов. И, в-четвёртых, по мнению некоторых учёных, цивилизации могут иметь сроки жизни, ограниченные несколькими тысячелетиями. Для нас, например,  время, в течение которого мы уже можем посылать допотопные сигналы, не превысило ещё и 100 лет. Тогда, с учётом редкого возникновения и масштабов времени во Вселенной в миллиарды лет, цивилизации должны проявляться как редкие микросекундные вспышки с почти нулевой вероятностью их совпадения во времени. Надо учесть и то, что время перемещения сигнала от одной галактики до другой в большинстве случаев превышает миллионы лет.

Можно не согласиться с тезисом ограниченности периода существования цивилизации. Это вполне правомерно, поскольку, ограничив срок, надо указать и причину такого ограничения. Одной из причин могут быть космические катастрофы, редкие столкновения крупных космических тел. Но, судя по продолжительности существования жизни, таких сверхкатастрофических событий на Земле не было. Но могут быть и другие причины. Некоторые из них мы в последние десятилетия достаточно хорошо почувствовали. У нас, например, была возможность полностью уничтожить себя глобальной ядерной войной. Катастрофы удалось избежать. Но никто не может ручаться, что подобная ситуация не повторится.

Существует и возможность варианта экологической катастрофы. Мы начинаем тонуть в собственных отходах, ведём себя так, что параметры биосферы быстро меняются и создаётся угроза гибели цивилизации. Люди вместо того, чтобы объединиться, создать справедливое высокоинтеллектуальное общество и направить общие усилия на решение экологических проблем, делятся на нации, религии, государства, обворовывают друг друга, воюют, занимаются терроризмом, тратят бόльшую часть своих средств на вооружение. 

Причин возникновения такой ситуации много, но одной из основных является использование, принципа рыночных отношений, получившего широкое распространение и взятого за основу развития общества. Теоретически этот принцип должен стимулировать развитие общества. На деле же, в силу особенностей человеческой психики, он превращается в принцип «загребай, сколько можешь». Вся современная система средств массовой информации настраивает человека так, чтобы его главной целью было попасть в «загребатели». А, попав туда, человек, почему-то напрочь забывает, что его средства, потраченные на яхты, самолёты, мраморные дворцы с позолотой и бронированные автомобили, могли бы обеспечить нормальную безбедную жизнь многим людям, погибающим сегодня от болезней, нищеты и голода.

Сможем ли мы решить эту проблему? Это сложный вопрос. Но думать над ним надо.

6. СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ

6.1. Определение понятия «сложность»

Анализ специфики живых и разумных систем, сделанный в предыдущих главах, показал, что практически все наблюдаемые свойства этих систем можно объяснить с помощью законов физики и химии. И в то же время любой из нас осознаёт, что между живым и неживым имеется существенная разница, которую сторонники витализма объясняют наличием особой жизненной силы, духа, души и т.д. Научные исследования не дают никаких доказательств наличия таких сил и явлений.

Современное научное знание объясняет специфику жизни особой сложной организацией атомов в молекулах и сложным взаимодействием молекул в клетках. В качестве примера оценки сложной организации живых систем можно привести высказывание одного из крупных учёных ХХ столетия, английского физика Джона Бернала (1901 – 1971): «Даже простейшие из живых организмов в тысячу или миллион раз превосходят по своей абсолютной сложности самые сложные системы, изобретённые человеком. В самом деле, если бы ранние биологи имели хоть какое-нибудь представление о порядке сложности объектов, которыми они занимались, у них, вероятно, не хватило бы духу приняться за это дело, ибо, как отмечал  Карл Маркс, человек не берётся за проблемы, если не обладает средствами для их решения» [2].

Попробуем выяснить, имеем ли мы сегодня в своём распоряжении необходимые средства для познания сложных систем? Поможет нам в этом испытанный метод аналогии. Представим себе средневековых учёных, в распоряжение которых попали все известные сегодня классы вычислительных машин. Эти машины явились бы для них чем-то непонятным, требующим изучения, как и живые системы для современных учёных. Основное, с чего могли бы начать средневековые учёные – это описание размеров, веса, формы, цвета машин. Пользуясь этими признаками, они попытались бы разделить машины на классы. Позднее, научившись вскрывать эти машины, описав их внутреннее содержимое (количество деталей, их размеры, форму, окраску), они уточнили бы свою классификацию, и она уже могла бы в некоторой степени отражать историю происхождения этих машин. А после того, как учёным удалось бы  учесть также температуру агрегатов, наличие или отсутствие механических движущихся частей и т.д., классификация стала бы ещё более реальной.

Было бы такое изучение бесполезным? Ни в коем случае. Методом проб и ошибок, нажимая кнопки и клавиши, учёные научились бы в примитивном, но всё расширяющемся объёме пользоваться этими машинами. И наконец, хорошо изучив чисто механически внутреннее строение, они смогли бы переставлять исправные агрегаты с одного компьютера на другой, делая из двух неисправных один исправный.

Но смогли бы древние учёные, не имея наших современных знаний физики, химии и математики, понять суть строения и функционирования таких машин? Смогли бы они сами изготовить такие машины? Конечно, нет. Не имея всех ответов, средневековые учёные считали бы, что перед ними существа, наделённые душой. Только дальнейшее развитие всех отраслей знания позволило бы выяснить, что душа – это ничто иное, как совокупность определённых физических и химических процессов.

Просматривается явная аналогия с классической биологией, описывающей внешние формы и внутреннее строение растений и животных, классифицирующей всё живое, например, на теплокровных и холоднокровных. Мы научились неплохо пользоваться живыми системами, пересаживать органы, получать новые виды и т.д. Но полностью живое пока не познали, поскольку не можем, например, воспроизвести его из неживого.

Однако констатирование сложности не решает проблемы, поскольку научный подход требует строгих, точных определений и количественных оценок. Необходимо определить, что такое сложность и попытаться найти способ количественного измерения сложности. Тогда можно будет указать насколько живые системы сложнее неживых, а также сравнить живые системы друг с другом по их сложности.    

На интуитивном, бытовом уровне мы достаточно легко отличаем сложные системы от простых. Любой из нас скажет, что стиральная машина сложнее авторучки, автомобиль сложнее стиральной машины, а самолёт сложнее автомобиля. Несколько сложнее дать строгое определение, что такое сложность. Здесь, естественно, следует начать рассмотрение с наиболее простых систем. Например, мы пользуемся двумя видами авторучек, из которых некоторые явно сложнее, потому что имеют механизм выдвижения и убирания  стержня. Их отличие в том, что они состоят из бόльшего количества взаимодействующих деталей. Взаимодействие есть передача энергии, результатом чего является изменение системы (смена состояния). Смену состояний можно назвать поведением системы. Авторучка с выдвигающимся стержнем имеет два состояния, авторучка с невыдвигающимся стержнем имеет меньше деталей и одно состояние.

Надо отметить, что большое количество частей не всегда означает большую сложность. Например, куча песка содержит миллионы песчинок, однако назвать её сложной системой можно лишь с большими оговорками. Очевидно, важным является не только количество частей, но и их разнообразие.

Таким образом, предварительно можно сказать, что сложность строения системы определяется количеством и разнообразием взаимодействующих частей (элементов) системы. А сложность поведения – это число возможных вариантов взаимодействия этих частей.

Чем больше разнообразных взаимодействующих элементов содержит система, тем больше вариантов взаимодействий (состояний) она имеет и тем сложнее её поведение.

6.2. Математика как средство познания сложных систем

Существует раздел математики, называемый комбинаторикой, который позволяет рассчитывать количество возможных комбинаций по известному числу элементов. Одна из простейших формул комбинаторики позволяет определить число Pn возможных линейных перестановок  заданного n количества элементов:

                                                  Pn = n!                                                  (6.1)

Знак «!» называется факториалом и означает, что нужно перемножить целые числа от 1 до  n.

Например, для трёх элементов, которые мы обозначим как 1, 2, 3, количество перестановок в соответствии с формулой 6.1, равно 6, т.е.: 123, 231, 312, 132, 213, 321. Соответственно, при n =5  Pn = 120 и т.д.

Сразу следует обратить внимание на то, что количество вариантов Pn очень быстро растёт с увеличением числа элементов. В указанных примерах изменение числа элементов с 3 до 5 привело к увеличению количества вариантов перестановок с 6 до 120. Вероятно, в этом и кроется причина высокой сложности биологических, да и многих других материальных систем.

Теперь покажем, как данные математические абстракции можно связать с конкретными биологическими системами.

Пример 1. При кодировании последовательности белковых аминокислот в молекулах ДНК используются линейные выборки по три нуклеотида из четырёх возможных (А, Т, Г, Ц).  Соответствующая формула комбинаторики для числа таких выборок PnN по N элементов из n возможных с допустимостью их повтора будет выглядеть: PnN = nN,  и при n=4 и N=3 даёт значение PnN = 64. Все эти комбинации используются в природе. Но поскольку в состав природных белков входят только 20 аминокислот, то некоторые аминокислоты кодируются двумя, тремя, а отдельные даже четырьмя разными триплетами.

Пример 2. Каждый белок состоит из строго определённой линейной последовательности аминокислот. Изменение положения хотя бы одной аминокислоты меняет свойство белковой молекулы, следовательно, и свойство организма. Поэтому можно попытаться определить количество возможных вариантов строения белковой молекулы, используя это количество как меру  возможной сложности организмов, состоящих из таких молекул.

Для простоты попробуем рассчитать искусственную гипотетическую ситуацию, при которой в природе существовало бы 64 аминокислоты, каждая кодировалась бы только одним триплетом, и в каждом белке было бы ровно по 64 аминокислоты без повторов. Для такого случая подходит формула 6.1, которая даёт число вариантов (64!)=1,26886•1089. Для сравнения напомним, что число атомов во Вселенной оценивается величиной порядка 1073. Это означает, что число вариантов относительно просто устроенной белковой молекулы превышает число атомов во Вселенной в десять квадриллионов (1016) раз!

Число аминокислот в реальных белках, с учётом того, что количество повторов одной аминокислоты теоретически не ограничивается, может достигать нескольких сотен. Соответственно и количество вариантов строения реальных белков несоизмеримо больше рассмотренного искусственного примера. Отсюда становится более понятно, откуда происходит громадное разнообразие наблюдаемых на Земле живых организмов.

Здесь надо учитывать, что мы пока рассматривали примеры в виде комбинаций десятков или сотен элементов. А реальный многоклеточный организм – это десятки тысяч видов молекул и миллиарды взаимодействующих клеток.

6.3. Теория графов и её применение
в описании сложных систем

Есть ещё раздел математики, который также позволяет понять причину большой сложности систем, состоящих из взаимодействующих элементов. Это теория графов. Граф – это фигура, состоящая из точек (вершины графа), соединённых отрезками (рёбра графа). Пример на рис 6.1.

Как обычно, «привяжем» эту абстрактную фигуру к конкретным природным явлениям.

Пример 1. Точки могут означать биологические виды организмов в экосистеме. Тогда рёбра могут  показывать трофические связи между видами, т.е. определять пути передачи энергии от одного вида к другому (кто кого ест). В этом случае рёбра должны иметь вид однонаправленных стрелок, поскольку энергия обычно передаётся в одном направлении. Граф с рёбрами в виде стрелок называется ориентированным.

Пример 2. Точки могут означать нервные клетки, а рёбра – нервные волокна, их соединяющие. В этом случае стрелки могут быть противоположно направленными (↔), поскольку электрические импульсы могут двигаться между двумя клетками в противоположных направлениях по разным волокнам.

Из примеров понятно, что с помощью графов можно описывать любые множества систем, взаимодействующих определённым образом. При этом теория графов позволяет рассчитать число возможных вариантов взаимодействий (число возможных графов) при заданном количестве вершин. Например, если количество вершин n = 1, то  количество графов Pg = 1; при двух вершинах (n = 2, Pg= 4)   мы получим следующие 4 варианта графов:

                      1)                      2)                         3)                         4)

Общая формула имеет вид: Pg = 2n(n-1). Можно заметить, что количество графов с ростом n растёт гораздо быстрее, даже чем n!, что показано в табл.6.1. В этой же таблице для сравнения приведены хорошо известные быстрорастущие функции: Р = n2  и  Р = n3.

Таблица 6.1

Зависимость вариантов взаимодействий от числа
взаимодействующих элементов «n»

Количество элементов (вершин)

n

1

2

3

4

5

6

Количество перестановок    Pn

n!

1

2

6

24

120

720

Количество
графов Pg

2n(n-1)

1

4

64

4096

1048576

1073741824

Кубическая
парабола

n3

1

8

27

64

125

216

Парабола

n2

1

4

9

16

25

36

Одним из первых учёных, кто обратил внимание на комбинаторную природу сложности материальных и особенно живых систем, был английский биолог и специалист в области кибернетики У.Р. Эшби [46]. В одной из своих статей [44] он приводит следующий пример. В ящике, разделённом на 400 ячеек (20х20), в каждую ячейку вмонтирована лампочка. Требуется рассчитать, сколько вариантов зажигания лампочек может быть в данной системе? Эшби определил искомую величину как 1010120 и отметил, что человеческий разум не в состоянии оценить масштаб таких чисел. Для того чтобы всё-таки попытаться это сделать, он предложил рассмотреть ничтожно малую долю от указанного числа. А именно, взять долю, какую составляет один атом от всей Вселенной, т.е. данное число надо разделить на 1073. Для упрощения расчётов Эшби делит 1010120 на 10100 и приводит результат 1010118, из чего делает справедливый вывод, что даже такая малая доля числа 1010120, как один атом от миллиардов и миллиардов вселенных, остаётся величиной не подвластной оценке нашего разума.

Забавность описанной ситуации состоит ещё в том, что результат 1010118 является ошибочным. В действительности вместо показателя степени 118 должен быть показатель 119, 99…9   ,  т.е. число 1010120 после

                                         

                                                       118 девяток

деления на 10100 в обыденном понимании можно считать практически неизменившимся.

Далее Эшби пишет, что никакие даже самые фантастические вычислительные машины не способны обрабатывать подобные числа. Если бы удалось создать машину, в которой каждый атом фиксирует 1 число, то на один грамм такой машины приходилась бы производительность 1047 двоичных разрядов в секунду (лучшие современные машины имеют производительность 1012 операций в секунду). При общих размерах с нашу Землю, такая фантастическая машина, работая непрерывно с момента образования планеты (4,8 млрд. лет), успела бы перебрать не более чем 1073 вариантов.

Теперь мы можем попытаться разрешить спорный для физикалистов и виталистов вопрос: «Возможно ли, опираясь на физику и химию, рассчитать с помощью математики и предсказать поведение сложных систем?».

С одной стороны, учёные не обнаруживают в живом ничего, кроме физических и химических процессов, и, казалось бы, можно надеяться со временем разработать соответствующую математическую теорию строения и функционирования живых организмов.

С другой стороны, описанная комбинаторная сложность природных систем ставит под сомнение такую возможность. По крайней  мере, рассчитывать на решение данной проблемы в ближайшее время не приходится. Тем более, что все приведённые выше рассуждения касались  относительно простых систем с числом элементов, не превышающих нескольких десятков или сотен. Количество же, например, нервных клеток в головном мозге составляет величину порядка 1011.

Становится ясным, почему, в частности, не существует математической теории шахматной игры. При наличии такой теории ни один шахматист не выигрывал бы у вычислительной машины. Смысл игры был бы полностью утерян. Всегда выигрывал бы игрок, делающий первый ход. Напомню, что шахматы – это 64 клетки шахматной доски и 32 фигуры, итого 96 элементов.

По этой же причине не существует и теоретической химии, которая могла бы без проведения экспериментов предсказать образование всех возможных молекул в виде комбинаций примерно ста известных химических элементов.

Даже физика, обладая строгими законами механики, успешно рассчитывая траектории космических аппаратов, становится беспомощной, если надо, скажем, точно рассчитать на какое место и за какое время упадёт на пол листок бумаги.

Теперь понятно, откуда возникла потребность утверждать, что человеком и животными управляет нематериальная субстанция – душа. И тело наше превращается в физическую и химическую массу только тогда, когда душа его покидает. Человек (малограмотный) просто иначе не может объяснить сложность поведения живых систем. Точно также дикарь из амазонских джунглей, впервые увидевший телевизор, абсолютно будет уверен, что когда телевизор включают, то в него вселяется душа, а когда телевизор выключают, душа улетает. Но мы-то с Вами знаем, что душой в телевизоре и не пахнет.

7. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД как средство
преодоления СЛОЖНОСТИ

  1.  Общая теория систем Л. Берталанфи

Из сказанного в гл.6 следует, что обескураживающая сложность живых систем может явиться серьёзным препятствием при разработке теоретической биологии, которая обладала бы, как и физика, высокой степенью математизации. Однако история науки учит, что человек обычно находит средства для преодоления первоначально кажущихся непреодолимыми трудностей.

Некоторые крупные учёные считают, что разработка теоретической биологии в принципе возможна. Так, например, специалист в области математической логики, философ, лауреат Нобелевской премии по литературе 1950 г. Бертран Рассел (1872 – 1970) в книге «Человеческое познание, его сфера и границы» пишет: «…имеются серьёзные основания думать, что всё в поведении живой материи может теоретически быть объяснено в терминах физики и химии» [26, c. 68]. У.Р. Эшби считает, что выход из данного затруднительного положения должен заключаться в поиске способов упрощения [45, с.78]. Российский учёный Ю.А. Шрейдер считает, что при создании теории биосистем необходимо учитывать и саму познающую систему, т.е. человека с его способностью познавать, чего совершенно не требуется в теоретической физике [41, с.149 – 171]. И наконец, некоторыми учёными высказывается мнение, что современная методика мышления человека в принципе не приспособлена для понимания биосистем и необходимо разработать специальную биологику [11, с. 7].

Одной из достаточно серьёзных попыток приблизиться к решению данной проблемы можно считать разработку общей теории систем (ОТС). Основателем этой теории принято считать австрийского биолога - теоретика Людвига фон Берталанфи (1901 – 1972) [45], хотя системные идеи в неявной форме использовали и другие разработчики теоретической биологии: Э.С. Бауэр в России [1],  Н. Рашевский в США [27] и др.

Первые публикации Л. Берталанфи  с системными идеями в зачаточной форме появились в 1927 г. В более проработанном виде они были опубликованы в печати в конце 40-х гг. ХХ в. На русском языке основные положения ОТС Берталанфи начали печататься с 1969 г. [3, с.7 – 29]

Центральным понятием ОТС является понятие системы. Это понятие для науки не является новым. Аналоги такого понятия, наверное, использовались ещё древними учёными сотни, а то и  тысячи лет назад для обозначения объектов, состоящих из нескольких частей, когда части находятся в определённом отношении друг к другу. Но до создания ОТС понятие использовалось в редких конкретных случаях. Специалисты в разных областях знания вкладывали в него свой, специфический для данной конкретной науки, смысл.

Даже в современном широком понимании понятие «система» трактуется разными учёными по-разному. Наиболее широко определяет систему У.Р. Эшби. Он считает, что система – это любая совокупность явлений, какая Вам только заблагорассудится (например, температура воздуха в данной комнате, его влажность и курс доллара в Сингапуре), лишь бы был задан принцип, позволяющий рассматривать эту совокупность как систему. Далее Эшби уточняет, что анализ на основе здравого смысла приведёт к разумному ограничению всего такого множества систем, которое в результате будет представлено только реальными системами.

Берталанфи определяет систему более конкретно, как любое множество элементов любой материальной природы, которые находятся в определённом отношении друг к другу. Недостатком такого определения можно считать, что оно ограничивается только материальными системами, а идеальные системы из него выпадают. В частности, математику мы определили как систему знаков, с помощью которой моделируются явления действительности. Это вполне строгая, определённая система, но если взять за основу определение Берталанфи, то получится, что математика к системам не относится.

Приведём ещё одно определение системы, которое даёт специалист в области кибернетики С. Бир: система – это всё, что состоит из связанных между собою частей [4]. Но в окружающем мире всё, так или иначе, связано друг с другом. Тогда, чтобы определение Бира не потеряло смысла, его следует дополнить тем, что связи внутри системы должны быть сильнее связей системы с окружающей средой.

Основной практический смысл современного подхода к понятию «система» состоит в том, что всё научное знание ставится на общую основу. Особенности современной науки таковы, что она в ходе развития естественным образом распалась на самостоятельные отрасли и стала теряться общая картина мира. Учёные разных областей не в состоянии понять друг друга. Даже математика начала разделяться на самостоятельные, плохо связанные между собой разделы. Пришлось прилагать специальные усилия для постановки математики на общую аксиоматическую базу. Этим занялась группа французских математиков, выпустившая под псевдонимом Бурбаки многотомный труд, в котором все разделы математики рассматриваются с единых позиций.

Современное естествознание также не может обойтись без понятия система в его наиболее общем смысле. По этой причине, всё что было изложено в предыдущих главах настоящей книги, по умолчанию было сделано с использованием системного подхода.

Задачей такого подхода является выявление законов строения, образования, поведения и развития любых реальных систем живой и неживой природы.

Основные принципы системного подхода

  1.  Принцип иерархии. Любая система есть комплекс более простых систем, называемых, в зависимости от степени сложности, либо подсистемами, либо элементами системы. Термин «элемент» предполагает, что в пределах ведущегося рассуждения данная часть системы может приниматься как более неделимая. В то же время сама система может являться частью системы более высокого ранга. В соответствии с этим принципом один из вариантов иерархии материальных систем может быть представлен такой последовательностью: …кварки → элементарные частицы →  атомы → молекулы →  агрегаты молекул → органоиды клеток → клетки → ткани → органы → организмы → популяции → экосистемы → биосфера → Земля → солнечная система → галактика → метагалактика… Если жизнь считать необязательным, случайным явлением, то в указанной последовательности между агрегатами молекул и Землёй может находиться иерархическая система геологических структур.

2. Принцип динамичности. Системы находятся в постоянном движении, непрерывно меняют свои характеристики: теряют одни элементы и приобретают другие, сами входят или выходят из систем более высокого уровня. Мерой изменений является энергия (см. п.2.1). Неизменность некоторых систем – явление условное, зависящее лишь от масштабов времени. Материальных систем существующих бесконечно долго, не бывает.

  1.  Принцип целостности (организованности, или интегративный принцип). Система не есть простая механическая сумма частей. Свойства системы не могут быть выведены из свойств её элементов. Система обладает некоторым набором свойств, которые определяются только совокупным взаимодействием её частей. Такие свойства  называются эмерджентными. Причём элементы, объединяясь в систему, могут терять часть своих свойств, которые они имели в свободном состоянии. Так, например, атомы натрия и хлора в свободном состоянии являются крайне агрессивными в химическом отношении, и любой контакт с ними живых клеток приводит к сильным  нарушениям структуры и гибели. Соединившись же в систему молекул хлористого натрия, они становятся крайне полезным компонентом любых клеток, совершенно не проявляя никаких вредных свойств, за исключением случаев накопления в сверхвысоких концентрациях. Из принципа целостности следует, что организацию систем невозможно изучать путём их разложения на элементы с последующим изучением свойств этих элементов. Бесперспективность такого подхода к изучению систем особенно очевидна, если учесть сказанное в п.6.2, 6.3.

Из указанных системных принципов только третий можно считать относительно новым, специфичным именно для ОТС.

Принцип иерархии использовался человеком всегда при создании любых систем классификаций больших множеств элементов (классификация живых организмов, десятичная система исчисления и пр.)( подробнее см. п. 1.4, 4.7, рис. 4.6).

Принцип динамичности является менее древним. Был период в истории науки, который можно назвать метафизическим, когда считалось, что природа вечна и неизменна. Появление идеи изменчивости принято связывать с высказыванием древнегреческого мыслителя Гераклита (520 – 470 гг. до н.э.) о том, что нельзя дважды войти в одну реку. Впоследствии эта идея стала выражаться словами: «всё течёт, всё изменяется» и в конечном итоге привела к появлению теории эволюции жизни и Вселенной.

7.2. Детерминированные и вероятностные системы

Констатация того, что мир есть множество взаимодействующих систем, ещё не является радикальным решением проблемы познания сложной природы. Окружающий мир крайне многообразен, и требуется найти способ как-то ориентироваться в этом многообразии. Поэтому в рамках ОТС были предприняты многократные попытки разработать классификацию систем, что, в общем-то, не решено и по сегодняшний день. В качестве примера можно привести классификацию С. Бира. Он предложил различать простые, сложные и очень сложные системы на основании количества входящих в них элементов и способов их взаимодействия. Было также предложено учитывать определённость или неопределённость поведения систем путём их деления на детерминированные и вероятностные (табл.7.1).

Таблица 7.1

Классификация систем по С. Биру [4]

Системы

Простые

Сложные

Очень
сложные

Детерминированные

Оконная задвижка,
механический станок

Цифровая ЭВМ,
Автоматическая система управления технологическим процессом

Нет

Вероятностные

Подбрасываемая монета, движение медузы, статистический контроль качества
продукции

Условный
рефлекс,
промышленное предприятие

Крупная фирма, экономика государства, мозг

Детерминированными называются системы, которые после строго определённого повторяемого воздействия всегда оказываются в одном и том же строго определённом состоянии.

Вероятностными являются системы, которые при одном и том же строго определённом повторяемом воздействии могут оказываться в разных состояниях. Указать, в каком состоянии они окажутся в каждом конкретном случае, невозможно. Можно только указать множество возможных состояний и вероятность каждого состояния.

Вполне понятно, что подобная классификация не является строгой. Нельзя точно определить, какие системы следует считать простыми, а какие сложными. Например, система из 10 элементов, судя по их количеству, может быть отнесена к простым. Но если взаимодействие этих элементов описывается с помощью теории графов (п.6.3), то теоретически возможное количество состояний системы определяется величиной 290 (≈ 1027).

Кроме того, даже строгое определение детерминированных и вероятностных систем может оказаться на практике не соответствующим действительности. Например, такая явно детерминированная система, как дверной замок в случае большого износа может в результате воздействия ключа не всегда переходить из состояния «открыто» в состояние «закрыто» (или наоборот). Разболтанный замок может оказаться системой вероятностной. В то же время можно теоретически допустить возможность создания механизма, который настолько точно будет подбрасывать монету, что она практически всегда будет падать на одну и ту же сторону. Здесь мы лишний раз убеждаемся, что любая строгая теория действует только в рамках определённых ограничений, в пределах которой справедливы заложенные в теорию постулаты (аксиомы).

  1.  Тектология А.А. Богданова

Как уже было отмечено, системные идеи высказывались некоторыми учёными ещё до появления трудов  Л. Берталанфи. Среди этих учёных особое место принадлежит российскому учёному Александру Александровичу Малиновскому (1873 – 1928), который в российской и советской истории больше известен под псевдонимом Богданов.

Системные идеи начали формироваться у А.А. Богданова с самого начала ХХ столетия. В результате он пришёл к выводу, что в человеческом знании нужна теория, которая бы объясняла с общих позиций законы строения и функционирования любых сложных систем. Сам Богданов называл свою теорию «Всеобщая организационная наука». Сокращённое название «Тектология», от древнегреческого слова «строить, строительство».

В нашей стране внимание к этим трудам Богданова появилось лишь в 60-е гг., когда на подъёме были идеи ОТС и учёные стали интересоваться историей данного вопроса [31]. До этого момента Богданов был хорошо известен в нашей стране как крупный политик и философ с идеалистическим уклоном. С появлением марксистского движения в России в конце ХIХ в. он был его сторонником и соратником В.И. Ленина. Позднее, с 1899 по 1911 г. Богданов написал несколько философских книг, в которых подверг критике ряд положений марксизма, из-за чего сторонниками В.И. Ленина был отнесён к группе так называемых марксистов-ревизионистов. Интересно отметить, что к этой группе относили и первого народного комиссара просвещения 1917 – 1929 гг. А.В. Луначарского. До Октябрьской революции Богданов написал также ряд книг по экономике, которые были положительно оценены В.И. Лениным.

Основная идея тектологии А.А. Богданова – признание необходимости подходить к любому явлению со стороны его организации. Весь доступный нашему восприятию мир и особенно мир живого является совокупностью организованных вещей. Все природные объекты (комплексы) отличаются друг от друга степенью организованности. Под организованностью понимается свойство целого быть больше суммы своих частей (элементов). Чем более целое разнится от суммы своих частей, тем более оно организовано [5, с.31]. Тектология рассматривает все явления не как застывшие, а как непрерывные процессы организации и дезорганизации.

Элементы системы Богданов называет «активностями». Комплекс активностей оказывается больше суммы своих частей не потому, что в целом возникают новые активности, а потому, что в совокупности они по-новому взаимодействуют со средой.

Одним из решающих методов тектологии Богданов считает метод упрощения, который выражается в моделировании процессов, поскольку модель есть упрощенный аналог реального явления. Модели он делит на идеальные (мыслительные) и реальные (физические). И те, и другие всегда должны дополнять друг друга. Большое значение Богданов придаёт математике, считая её рано развившейся областью тектологии.

Целью тектологии является установление общих закономерностей организации любых явлений, процессов и систем на всех уровнях. Это необходимо для того, чтобы человеческая деятельность была в любой области наук и производства унифицирована, едина по методам, проводилась по единому плану [6, с.5 – 6].

Таким образом, основные системные идеи были сформулированы Богдановым задолго до появления общепринятых концепций Берталанфи. Неизвестность этих идей была обусловлена конкретными историческими условиями, изолированностью советской науки и философскими взглядами автора. Даже в Большой советской энциклопедии 2-го издания 50-х гг., где о Богданове имеется по энциклопедическим меркам очень большая, на целую страницу, статья, ни слова не говорится о тектологии. В заключение к сказанному интересно процитировать первую и последнюю фразы этой статьи: «Богданов (псевдоним Малиновского) Александр Александрович (1873-1928) - ревизионист; активно боролся против марксизма, извращая его с позиций реакционной махистской философии и вульгарного материализма; по профессии врач.  …Богданов был организатором и с 1926 директором государственного института переливания крови и погиб в 1928, произведя на себе неудачный опыт» [7, с.343]. О некоторых интересных фактах биографии А.А. Богданова и создании тектологии можно узнать из монографии его сына А.А. Малиновского [20].

7.4. Самоорганизующиеся системы и синергетика

Для выяснения особенностей строения и функционирования живых систем весьма полезным и конструктивным оказалось разделение всех систем на изолированные, закрытые и открытые (п. 2.3). Этот подход позволил понять, что классическая термодинамика пригодна в принципе только для описания систем в состоянии термодинамического равновесия с высоким значением энтропии. Такое состояние со статистически равномерным распределением энергии между всеми  частями системы принято называть хаотичным. Классическая термодинамика, утверждая, что все системы стремятся к равновесию, хаосу, не позволяла объяснить, каким образом из примитивных хаотичных систем могут возникать сложные упорядоченные системы, способные понижать свою энтропию.

В ходе решения этой проблемы бельгийским учёным русского происхождения Ильёй Романовичем Пригожиным (р. 1917) была разработана термодинамика  необратимых процессов [24, 25], за которую автор был удостоен Нобелевской премии 1977 г.  Эта теория позволила показать, что в открытых системах в результате возникающих флуктуаций (случайных концентраций энергии) могут возникать устойчивые, термодинамически неравновесные состояния с низкой энтропией. Такие системы при наличии потока энергии способны в дальнейшем понижать свою энтропию и увеличивать упорядоченность. Постоянное потребление энергии для поддержания антиэнтропийного состояния приводит к последующему её рассеиванию (диссипации) в тепло и к возрастанию энтропии окружающей среды. В связи с этим такие системы получили название антиэнтропийных и диссипативных структур.

Дальнейшее развитие идей И. Пригожина привело к разработке немецким физиком и математиком Германом Хакеном (р. 1927 г.) науки, названной автором синергетикой [35, 36]. Слово синергетика означает совместное кооперативное действие разнородных сил и элементов.

Основные идеи синергетики сводятся к тому, что сложные самоорганизующиеся системы состоят из разнородных, тесно взаимодействующих частей. В результате возникают эмерджентные свойства системы, не выводимые из свойств составных элементов и зависящие только от их определённого сочетания. Такие системы могут находиться далеко от состояния термодинамического равновесия и являются подвижными (изменчивыми). Математическое описание изменения параметров таких систем обычно требует применения нелинейных дифференциальных уравнений. Нелинейность означает, что параметры входят в эти уравнения со степенями, отличающимися от единицы, в отличие от более простых линейных физических систем.

Математический анализ нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих диссипативные самоорганизующиеся системы, показывает, что их поведение может быть изображено графически в виде траекторий в многомерном пространстве. Такие траектории имеют тенденцию двигаться в сторону определённых областей этого многомерного пространства, в которых начинают циркулировать неопределённо долго. Такие области получили название аттракторы. При переходе от математической абстракции к конкретным реальным явлениям аттракторы означают устойчивое, но неравновесное состояние системы. Такое состояние часто проявляется в виде колебательного  изменения параметров (аттрактор выглядит как замкнутый цикл) (рис.7.1).  

Система с аттрактором относительно устойчива к внешним воздействиям, но только в определённых пределах. Сильные воздействия могут вывести систему из одного устойчивого состояния и перевести её в другое устойчивое состояние, которое будет свидетельствовать о наличии второго аттрактора и т.д. Могут быть и такие внешние воздействия, при которых траектория не приведёт к образованию аттрактора и система разрушится, перейдёт в состояние термодинамического равновесия (хаоса).                                                                   

Математический анализ самоорганизующихся диссипативных систем показывает и то, что их поведение (траектория) за пределами аттракторов является принципиально не предсказуемым. Это проявляется в том, что в некоторых областях многомерного пространства существуют особые точки, в которых в соответствии с законами математики допустимо наличие более одного решения. При попадании в такие точки, которые получили название точек бифуркации, траектория раздваивается. Наличие точек бифуркации приводит к тому, что предсказать можно лишь определённое число возможных вариантов развития (эволюции) системы. Но какой конкретно вариант будет реализован, предсказать невозможно.

Реальным примером аттрактора можно считать нормальное состояние живого организма, когда его параметры не выходят за границы определённой области, называемой жизнью. Болезнь в таком случае можно рассматривать как выход из устойчивой области (аттрактора) в точке бифуркации, а процесс лечения как возвращение в область аттрактора.

8. КИБЕРНЕТИКА

8.1. Основные понятия и определения

Кибернетика  определяется как наука, изучающая законы управления сложными системами. В дословном переводе с древнегреческого слово кибернетика означает «управление кораблём». Кибернетика возникла в результате бурного развития техники и появления очень сложных технических устройств (авианосцев, подводных лодок, ракет и т.д.) и электроники в середине ХХ столетия. Учёные, которые начали разрабатывать системы управления этими устройствами, заметили, что задачи управления, сформулированные на математическом языке, оказались практически идентичными как в случае описания систем управления сложными техническими системами, так и систем самоуправления живых организмов.

Первым научным трудом, в котором наиболее чётко были сформулированы принципы новой науки, была вышедшая в 1948 г. на английском языке книга американского математика Норберта Винера (1894 – 1964) «Кибернетика или управление и связь в животном и машине» [10].

Поскольку кибернетика тесно связана со сложными системами, многие из решаемых ею задач, оказались общими с общей теорией систем (ОТС). По мере развития обе теории настолько переплелись, что сегодня трудно указать границу между ними. Специалист в области биологической кибернетики А.Б.Коган считает, что ОТС является одним из разделов кибернетики, причём имеющим особо важное значение [15, с.10]. В то же время специалист в области системных исследований М.И. Сетров приводит высказывание, в котором  Л. Берталанфи называет кибернетику составной частью ОТС [31]. Скорее всего, оба эти направления сегодня представляют одно целое, в котором они удачно дополняют друг друга и решают общие задачи.

Центральным понятием кибернетики, как и в ОТС, является понятие системы, которая в данном случае называется кибернетической. Под системой понимается объект, которым необходимо управлять. Здесь можно сразу отметить принципиальную разницу между кибернетикой и ОТС. Особенность кибернетического подхода состоит в том, что кибернетика не занимается анализом происхождения и внутреннего устройства систем. А в ОТС эти вопросы являются чуть ли не первостепенными. Кибернетика, как бы учитывая выводы ОТС о непреодолимой сложности внутреннего строения больших систем, не берётся за решение этой проблемы.

Кибернетическая система считается заданной, если указаны её параметры, воздействие на которые позволяет осуществлять управление, и параметры, по которым определяется эффективность управления. Первые принято называть входами системы и обозначать х1, х2, … хn. Вторые называются выходами системы и обозначаются  у1, у2, … уm ( рис.8.1).

Выходные характеристики системы являются результатом преобразования входных воздействий внутри системы. Как это происходит, как связаны и взаимодействуют составные части  (подсистемы: S1, S2, S3), кибернетику не интересует. Задачей – определить, как должны изменяться х1, х2, х3, чтобы   у1, и  у2  находились в заданных пределах?

Заданные значения выходов называются целью управления. Пока не найдены значения входов, соответствующие достижению цели, система называется чёрным ящиком. Если же необходимые соотношения между входами и выходами найдено, система называется белым ящиком.

Можно изготовить реальную материальную систему, соответствующую абстрактному изображению на рис.8.1. Такой моделью может быть ящик с тремя выключателями в качестве входов и двумя лампочками в качестве выходов. Тогда схема управления (белый ящик) может быть найдена путём перебора всех вариантов положений выключателей с одновременным определением вариантов включённых лампочек. Результат такого поиска может иметь вид табл. 8.1.

Таблица 8.1

Пример возможного соотношения входов и выходов
кибернетической системы рис.8.1

Варианты включённых выключателей

х1

х2

х3

х1, х2,  

х1, х3  

х2, х3  

х1, х2, х3  

Варианты
загоревшихся лампочек

у1   

☼

у2  

☼

у1, у2  

☼

☼

Из этой таблицы следует, что если, например, целью управления является поддержание горящими первой и второй лампочек одновременно, то достаточно держать включенными либо только один первый, либо все три выключателя вместе.

Рассмотрим другой пример, когда имеющийся один выходной параметр представляет собой непрерывно меняющуюся количественную физическую характеристику (мощность излучения лампочки). Входом также является меняющийся физический параметр (угол поворота рукоятки). Тогда система управления может быть изображена в виде математической функции у=f(х) (рис.8.2)

В этом случае, если цель управления определена как необходимость удерживать мощность излучения в интервале 3, то из графика функции у=f(х) следует, что х должен поддерживаться либо в пределах интервала 1, либо находиться в интервале 2.

В некоторых случаях может оказаться полезным рассмотреть в качестве чёрных ящиков подсистемы S1, S2, S3. Но чаще полезна обратная процедура, когда управляемых систем много, то целесообразно рассматривать их как одну систему, поскольку основной задачей кибернетического подхода является нахождение наиболее простых способов описания систем и их поведения.

Если все входы находятся под контролем управляющей системы, то проблем с управлением не возникает за исключением начального этапа, пока не найден белый ящик. Этот этап тоже может создать проблему в случае большого количества входов, поскольку возникает уже обсуждённый в гл. 6 вопрос о числе вариантов комбинаций. Тем не менее, системы с полностью контролируемыми входами не считаются предметами особого внимания в кибернетике.

Для истинно кибернетических систем характерно то, что не все их входы являются контролируемыми, т.е. выходы меняются и под действием не контролируемых входов. В этом случае невозможно пользоваться заранее определённым планом управления. Решения по воздействию на контролируемые входы приходится принимать непосредственно в процессе работы системы. Это можно делать, только получая непрерывную информацию о состоянии выходов. Такое управление, когда изменение входов зависит от изменения выходов, получило название «управление с обратной связью».

В системах с обратной связью, как правило, выделяется часть (управляющая подсистема), задачей которой является приём сигналов о состоянии выходов, сравнение этих состояний с целью управления и посылка сигналов, которые корректируют входные воздействия (рис. 8.3).

Обратные связи бывают положительные и отрицательные. Положительная обратная связь так действует на вход, что начавшееся изменение выходных характеристик начинает происходить ещё быстрее в том же направлении. Отрицательная обратная связь, наоборот, при отклонении выходных характеристик от заданных значений так воздействует на вход, что начавшееся изменение выхода затормаживается и меняется на противоположное. Система возвращается в исходное состояние.

Основная стратегия поведения сложных технических и самоорганизующихся (биологических) систем заключается в сохранении своих характеристик в заданных пределах. Поэтому в этих системах чаще используются отрицательные обратные связи. Например, холодильник или термостат должен поддерживать строго определённую температуру и в случае отклонения её в сторону увеличения или уменьшения возвращать в прежнее состояние. Другим примером является самолёт, летящий на автопилоте. Направление его движения может измениться под действием ветра, дождя, облаков. Это отклонение будет зафиксировано управляющей системой, которая посылкой сигналов к регулировочным механизмам вернёт самолёт на прежний курс.

Системы, которые при возмущающих воздействиях среды эффективно поддерживают постоянными свои параметры, получили название гомеостатических.  Устойчивое состояние таких систем называется гомеостазом.

Системы с положительной обратной связью используются реже, обычно в тех случаях, когда согласно задаче управления требуется ускорить начавшееся изменение и быстро его закончить. Примером такого процесса являются автокаталитические химические реакции. Автокатализ означает, что в результате преобразования данного вещества, образуется продукт, ускоряющий это преобразование. И чем быстрее идёт реакция, тем больше образуется катализатора, процесс ускоряется ещё сильнее. Такие процессы носят взрывной характер и часто приводят к катастрофическим явлениям. Системы резко переходят из одного состояния в другое. К таким явлениям можно отнести снежные лавины, когда случайно появившиеся небольшие комки увеличиваются в размерах и усиливают срывающее воздействие на остальную массу снега. Появляется ещё больше комьев, причём более крупных. При атомном взрыве первоначально появившееся небольшое количество нейтронов разбивает атомы урана с высвобождением ещё большего количества нейтронов и т.д.

На основании сказанного можно заключить, что кибернетика, имея много общего с ОТС, решает несколько более узкую задачу изучения систем управления, не рассматривая физические принципы их организации. Это подтверждают и слова У.Р. Эшби, который в своей книге «Введение в кибернетику» пишет: «Во всей нашей книге принимается, что внешние соображения уже определили цель, т.е. допустимые состояния … нас занимает лишь проблема того, как достичь этой цели, несмотря на помехи и трудности» [44]. Может возникнуть вопрос: «Что означают слова «внешние соображения»? Для человека, незнакомого с принципами кибернетики, ответ может быть обескураживающим. Эти слова могут означать что угодно, что Вас больше устраивает, кибернетику это не интересует. Это означает, что тот, кто занимается управлением, может не знать, откуда и как появилась управляемая система и кто задал цель её управления. В биологии, в естествознании или в ОТС эти слова могут означать «природа».

8.2. Биологические системы и кибернетика

Живые системы созданы природой по её законам. Целью этих систем является выживание. Это означает, что в меняющихся условиях окружающей среды организмы или экологические системы должны сохранять все свои основные параметры в пределах, которые соответствуют состоянию, называемому жизнью.

Входными характеристиками для живых организмов являются все факторы окружающей среды. Многие из этих факторов часто и быстро меняются, что сказывается на изменении различных параметров организмов. Эти параметры можно рассматривать как выходные характеристики.

Живые системы разного уровня организации имеют соответствующие системы регуляции, которые развивались и усложнялись в ходе эволюции жизни. Наиболее сложную и совершенную систему регуляции имеют высшие животные и человек. Эта система представлена двумя подсистемами, одна из которых называется гуморальной, а вторая нервной. В гуморальной системе управляющими сигналами являются химические вещества (гормоны, ферменты и др.). В нервной системе основными сигналами служат электрические импульсы.

Специальные нервные окончания, идущие от центральной нервной системы, контактируют с большим количеством различных рецепторов, часть которых воспринимает внешние воздействия (входы), а другая часть (интерорецепторы) – сигналы о состоянии собственных параметров организма (выходы). После сложной обработки в центральной нервной системе формируются управляющие сигналы, которые так изменяют поведение (входы) организма, что вредные воздействия уменьшаются (отрицательная обратная связь), а положительные воздействия усиливаются (положительная обратная связь).

Регуляторные возможности организмов не беспредельны. Сохранить параметры организма и выжить можно только в том случае, если параметры среды (входы) не выходят за рамки определённых значений. Каждый фактор для данного вида характеризуется определённым интервалом, в пределах которого организмы остаются живыми. Этот интервал называется экологической валентностью, или толерантностью. Эволюция жизни в целом идёт в направлении расширения пределов выживания.

Так, для человека как чисто биологического существа температурный интервал среды выживания при использовании только биохимических и биофизических механизмов терморегуляции ориентировочно находится в пределах 15 – 45оС. Но, используя такую поведенческую реакцию как изготовление одежды, человек смог несколько расширить этот интервал. А позднее, при использовании технических систем, появилась возможность находиться в среде с температурой от космического холода до сотен градусов Цельсия. Среди входных характеристик для человека, помимо уже упомянутой температуры, можно также назвать необходимое количество и качество пищи, воды, физические воздействия: свет, давление, гравитация, биологические факторы в виде инфекций, паразитов, хищников и т.д.

При этом к выходным параметрам можно отнести определённую температуру тела (36 – 37оС), кровяное давление (60 – 140 мм рт. ст.), концентрацию различных веществ в крови (сахар, соли, витамины). Все эти и многие другие параметры находятся под постоянным контролем управляющих систем организма.

Помимо организменно-видового уровня, кибернетический подход хорошо объясняет многие процессы и на других уровнях биологической организации, например, на популяционном или биогеоценотическом. В частности, по принципу отрицательной обратной связи работают гомеостатические механизмы, обеспечивающие постоянство численности особей в естественных популяциях. Классическим примером является взаимодействие популяций хищника и жертвы.  Рост численности жертвы, действуя как положительная связь, способствует росту численности хищника. В свою очередь увеличивающаяся популяция хищника по обратной отрицательной связи уменьшает численность жертвы, в результате снижается и численность хищника (рис.8.4).

Для человека особенно важно эффективно управлять искусственными агроэкосистемами для обеспечения себя пищей. На сельскохозяйственном поле входными воздействиями являются обработка земли, внесение удобрений, освещённость, поступление влаги, тепла, воздействие насекомых- опылителей, вредителей, сорняков и болезней.  В качестве основной выходной характеристики удобно использовать величину полученного урожая. Однако это не позволяет оперативно управлять входными характеристиками. Для оперативного управления желательно использовать такие выходы, которые можно отслеживать непрерывно, например, высоту растений,  диаметр стеблей, количество листьев, величину листовой поверхности, скорость движения воды по сосудам растения, интенсивность испарения воды растениями  и т.д.

Следует иметь в виду, что контроль одной, даже наиболее существенной выходной характеристики не гарантирует надёжного достижения цели – высокого урожая. Биологам хорошо известно, что при определённом сочетании входных воздействий можно добиться очень интенсивного развития листьев и зелёной биомассы, но при этом не получить плодов и семян. Поэтому, чем больше выходных характеристик используется в процессе регулирования, тем  это регулирование надёжней.

Очень важно также иметь как можно больше контролируемых входов. Это обеспечивается созданием систем выращивания растений в закрытом грунте (парники, теплицы), когда можно оптимально управлять светом, теплом, питанием, орошением и более эффективно бороться с вредителями. Но стоимость урожая в таких системах заметно выше.

С развитием кибернетических идей в биологии появились попытки использовать эти идеи и для объяснения эволюционного процесса. Одним из первых это сделал советский биолог И.И. Шмальгаузен [40]. В качестве кибернетической системы Шмальгаузен рассматривает популяцию как элементарную эволюционирующую единицу, способную преобразовываться в новый биологический вид (рис.8.5).

Популяция, как сложная природная система, испытывает множество входных воздействий, часть которых можно сгруппировать в укрупнённые входы. К таким входам, имеющим наибольшее значение для эволюции, можно отнести группу мутагенных факторов (именно они меняют свойства организмов) и группу факторов которые при определённых условиях могут приводить к гибели отдельных особей. Такие факторы называются элиминирующими.

Среди наиболее важных для эволюции выходных характеристик Шмальгаузен также выделяет две основные группы: способность организмов использовать различные природные ресурсы (пища, убежища и т.д.) и способность противостоять элиминирующим факторам (холодоустойчивость, жароустойчивость, устойчивость к инфекциям, инвазиям, защищённость от хищников и т.п.).

Мутации, проявляющиеся в виде доминантных генов, будучи преимущественно вредными, приводят к появлению особей с пониженной способностью к использованию жизненных ресурсов или с пониженной устойчивостью к элиминирующим факторам. Эти отклонения выходов от нормы, действуя как отрицательные обратные связи, усиливают элиминацию (устранение) неполноценных особей, и популяция возвращается в исходное, стабильное состояние, в котором большинство особей нормально взаимодействуют со средой. Реализуется разновидность естественного отбора, которая называется стабилизирующим отбором (гомеостаз).

В случае же накопления в популяции рецессивных (не проявляющихся в виде изменённых свойств организмов) генов, в результате скрещивания начинают возникать различные комбинации, которые в редких случаях могут оказаться более удачными, чем существующие. Новые организмы приобретают способность лучше использовать ресурсы и успешней противостоять элиминирующим факторам. Эти новые свойства усиливают действие элиминирующих факторов на основную массу особей со старыми, менее удачными свойствами. Это проявляется как положительная обратная связь, которая усиливает появившееся положительное отклонение выходов от нормы. В результате особи со старыми свойствами достаточно быстро заменяются новыми, более совершенными организмами. Появляется новый вид, что можно рассматривать как действие движущего естественного отбора.

9. ТЕОРИЯ  ИНФОРМАЦИИ 

9.1. Общая характеристика информационных процессов

Разработка теории сложных систем привела к появлению понятий информация и информационные процессы. Таким образом, появилась потребность рассматривать особые взаимодействия, которые можно назвать информационными. При рассмотрении физических и химических процессов такой потребности не возникало. В рамках физики и химии  достаточно рассматривать все взаимодействия только как энергетические, как процессы обмена энергией между системами. Из всего предыдущего содержания данной книги следует, что живое – это всего-навсего совокупность физических и химических процессов. Каких-то особых явлений, не физических и не химических, в живой материи современная наука не обнаруживает. Тогда следует принять, что информационные явления – это либо разновидности энергетических процессов, либо особый тип взаимодействий, не имеющий к передаче энергии никакого отношения. Многие люди, в том числе и учёные склонны принять второй вариант. Но тогда это снова возвращает нас к представлениям о наличии каких-то нематериальных сил, связанных с понятиями дух, душа, энтелехия, жизненная сила и пр. Поэтому попытаемся выяснить, можно ли объяснить информационные взаимодействия, оставаясь на позициях материализма.

Как следует из гл. 8, каждая сложная система, при описании поведения которой используются понятия управление, цель, информация, сигнал, обычно может быть разделена на две основные подсистемы. Первая из этих систем называется силовой, энергетической или исполнительной. В технических системах она особенно выделяется своим объёмом, массивностью и большим количеством потребляемой и превращаемой энергии. Функция этой подсистемы проявляется в виде движения всей системы в пространстве, в производстве определённой работы с преобразованием больших потоков энергии и веществ.

Вторая подсистема является управляющей, отличается значительно меньшей массивностью и сравнительно небольшим потреблением веществ и энергии. От этой системы зависит, как и куда будет двигаться вся система, какую работу совершать, откуда и сколько будет потреблять веществ и энергии. Её функция состоит в приёме и обработке сигналов, несущих информацию о состоянии системы (выходные характеристики), и о воздействии  окружающей среды (входные характеристики).

У технических систем (можно представить себе судно, самолёт или любую другую машину) силовая часть представлена в виде различных механизмов, двигателей, поршней, рычагов и прочих физических (механических, электрических) и химических подсистем. Управляющая система – это обычно электронные приборы. Преимущественно компьютеры, объединённые в системы с различными датчиками (радиолокаторами, химическими датчиками), которые преобразуют физические и химические воздействия в электрические сигналы. Из этого следует, что управляющие системы, которые предназначены для получения и обработки информации, представляют собой такие же материальные (физические) системы, как и силовые. Все процессы, взаимодействия в этих системах представляют собой преобразования веществ и энергии, подчиняющиеся известным законам физики и химии.

Но преобразование веществ и энергии в системах управления не является их основной целью в отличие от силовых систем. Главная задача управления – это воспринять и обработать по возможности максимальное количество разнообразных сигналов, и сформировать систему управляющих сигналов, которая обеспечила бы с помощью силовой подсистемы надёжное достижение цели всей системы в целом. Чем больше количество и разнообразие принимаемых, обрабатываемых и формируемых сигналов, тем больше возможностей в поведении системы.

Каждый сигнал – это определённая порция энергии, передаваемая от одного элемента управляющей системы к другому. Величина энергии при этом не имеет значения, она только должна быть достаточной для приёма посланного сигнала. Поэтому в технике вещественную и энергетическую ёмкость управляющих систем стараются сделать минимальной при заданной надёжности управления.

Таким образом, можно сделать вывод, что информационные процессы – это обычные вещественно-энергетические взаимодействия, основным отличием которых является высокая сложность их организации (поведения) и относительно небольшая доля потребляемой энергии. Последнее отличие не обязательно.

Вещественно-энергетическая тождественность силовых и информационных систем определяет условность их разделения, и часто бывает трудно определить, к какой подсистеме, силовой или информационной, относится тот или иной элемент. Особенно трудно разделить эти системы у живых организмов. У сложных многоклеточных животных к силовой части можно отнести мышцы, кости, сердце, лёгкие, систему пищеварения и другие внутренние органы, а управляющей можно считать нервную систему с органами чувств. Но некоторые внутренние органы выполняют и секреторную функцию, тормозя или усиливая работу силовых органов за счёт выделения гормонов, служащих химическими сигналами управления.

Конкретным примером является переваривание белков, которое может рассматриваться как силовой процесс преобразования вещества, несущего определённый запас энергии. Начало переваривания приводит к появлению в крови полипептидов – продуктов переваривания. Эти вещества одновременно служат сигналами, усиливающими работу пищеварительных желёз, что ускоряет процесс переваривания, ещё более повышая в крови концентрацию полипептидов, заставляющих пищеварительные железы работать ещё быстрее. Налицо явная регуляция с положительной обратной связью. Причём силовая и регулирующая системы  составляют одно неделимое целое.

Ещё сложнее разделить силовые и информационные процессы у одноклеточных организмов, у которых силовые и сигнальные функции выполняются различными белковыми молекулами, а иногда, возможно, одновременно одной и той же молекулой. На этом основании некоторые биологи вообще сомневаются в наличии информационных явлений у одноклеточных [18, с.26].

На основании всего сказанного можно определить информационные процессы как вещественно-энергетические взаимодействия (обычно малой мощности), от которых зависит порядок протекания других вещественно-энергетических процессов (обычно большой мощности).

9.2. Определение и измерение информации

Понятие «информация» является сложным и ещё до конца не познанным. Поэтому его чёткого общепринятого определения не существует. Разные авторы дают свои оригинальные трактовки, которые в некоторых случаях сводятся к постулированию неких нематериальных субстанций.  Так, на сайте Интернета «Наука и техника» инженер-математик  С.Я. Янковский,  не отрицая материальности самих сигналов, постулирует, что информация, в отличие от энергии и вещества, не подчиняется законам сохранения. Информацию он определяет как субстанцию, которую принимающая система получает, а передающая система при этом ничего не теряет [48].

В обыденном понимании для большинства людей слово «информация» означает то, что люди получают из общения друг с другом, читая книги, журналы и газеты, слушая радио, смотря телевизор. Однако зайцы, дождевые черви и прочая живность газет не читают и телевизор не смотрят, но тем не менее мы их относим к информационным системам. Из этого следует, что информация бывает разная, а чтобы определить какая, нужно провести специальное исследование.

На основании изложенного в п.9.1 информацию можно определить как совокупность воздействий, на основании которой сложная система принимает решение о том, что следует делать, какие взаимодействия с окружающей средой предпринять, что следует изменить в среде или в себе самой для достижения имеющейся цели. Решение, например, может состоять в том, что вообще ничего предприниматься не будет (цель достигнута) или будет принято решение поменять цель.

Для того чтобы произвести любое изменение, необходимо наличие соответствующей энергии. Следовательно, управляющие сигналы, формируемые после обработки поступившей информации, должны приводить систему либо в состояние, в котором имеющаяся энергия расходуется, либо в состояние, в котором энергия поглощается системой из окружающей среды и накапливается для последующего расходования. Для надёжного выживания, успешного достижения цели система должна иметь большой запас энергии, т.е. находиться далеко от состояния термодинамического равновесия. Тогда информацию можно назвать видом взаимодействия системы со средой, при котором обеспечивается поддержание состояния устойчивого неравновесия.

Получая информацию, система из состояния, в котором было не известно как себя вести (какие действия совершать), переходит в состояние, в котором точно известно, что делать. Информация позволяет устранять имеющуюся неопределённость. Это даёт возможность попытаться количественно измерить информацию по величине устранённой неопределённости. В свою очередь неопределённость можно измерить в тех случаях, когда известно количество ожидаемых вариантов. Если полученная информация указывает точно, какой из этих вариантов будет реализован, то неопределённость полностью устраняется. А устранённая неопределённость будет определяться числом ожидаемых вариантов. Это число и можно принять за количество получаемой информации для случаев, когда сообщение предсказывает только один вариант. Чем больше ожидаемых вариантов, тем больше устраняемая неопределённость и больше величина полученной информации. Имеем прямо пропорциональную зависимость. Обозначив количество информации I, а количество вариантов n, получим  предельно простую формулу

                                                          I = kn .                                                   (9.1)

Для начала можно принять k=1.

Может быть и такая ситуация, когда информация указывает на возможную реализацию нескольких вариантов из ожидаемых. Тогда при том же количестве ожидаемых вариантов устраняемая неопределённость становится меньше, поскольку указывается не один реализуемый вариант, а несколько. Причём устраняемая неопределённость, а следовательно, и информация находятся уже в обратной зависимости от указанных в информации вариантах. Если число этих вариантов обозначить m, то формула 9.1 получит вид

                                              I = k(n/m) .                                             (9.2)                                                                         

Например,  в конкретной ситуации известно, что возможны четыре варианта событий, которые обозначим а, б, в, г (n=4). Полученная информация говорит о том, что будет реализовано событие б (m =1). Тогда в соответствии с формулой 9.2 при k=1 имеем количество полученной информации I = 4/1 = 4. Количество информации, указывающей на два события из возможных четырёх, составит: I = 4/2 = 2. Если же сообщение говорит о 4 реализуемых вариантах из четырёх ожидаемых, мы получаем минимальное в данной ситуации количество информации: I = 4/4 =1. Однако в последнем случае получение информации никак не изменило существовавшую неопределённость, она осталась такой же, как и до получения информации. Тогда желательно, чтобы информация в этом случае равнялась нулю. Это можно осуществить, если в формуле 9.2 использовать логарифм:

                                                    I = k logx(n/m) .                                           (9.3)

При  n = m,   I = logx1 = 0. Логарифм единицы при любом основании всегда равен нулю. Осталось выбрать наиболее целесообразную величину основания логарифмов х. Это можно сделать, если принять во внимание, что при устранении минимальной неопределённости желательно, чтобы информация оценивалась единицей. Минимальная неопределённость устраняется при указании одного варианта из двух возможных (n = 2, m = 1), так как при ожидании одного варианта никакой неопределённости не существует вообще. Отсюда следует, что для определения основания логарифмов нужно найти х из уравнения I = 1 = logx2. Получаем х = 2. Тогда окончательная формула будет иметь вид I = k log2(n/m), а для случаев m = 1 и  k = 1   имеем     

                                                             I = log2 n .                                          (9.4)

Минимальное количество информации равное единице, получило название 1 бит (в английском варианте bit).  Не следует путать с используемой в компьютерной технике единицей байт (1 байт = 8 битам).

Формула 9.4 была предложена Хартли в 1928 г. в связи с необходимостью измерения количества информации, передаваемой в технических системах связи. Удобство данной двоичной системы измерения объясняется тем, что в технике часто используют кодирование сигналов в виде комбинации из двух простейших элементов или состояний системы. Например, 0 и 1, точка и тире, наличие или отсутствие электрического импульса, прямой и обратный электрический ток, две меняющиеся частоты переменного тока и т.д.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              

Позднее американский инженер К.Э. Шеннон (1916-2001) предложил заменить в формуле Хартли число возможных вариантов n вероятностью их ожидания 1/ n и перед знаком логарифма поставить минус:

                                              I = - log2 (1/n) .                                        (9.5)

Эта формула даёт те же численные значения количества информации, что и формула 9.4.

Несколько примеров:

  1.  Информацию в один бит  мы получаем, когда узнаём, на какую сторону упала подброшенная монета:    I = - log2 (1/2) = log2 2 = 1 бит.
  2.  Брошенная игральная кость даёт информацию I = - log2 (1/6) = log26 = 2,585 бита.
  3.  Одна карта, взятая из колоды с оставшимися 32 картами, несёт информацию, равную  -log2 (1/32) = 5 бит.
  4.  Путник, идущий по незнакомой дороге из пункта А в пункт Б (рис.9.1), должен на каждой развилке получить от кого-то сведение, по какой из двух дорог ему двигаться дальше. Каждая развилка требует получения информации в 1 бит. А для успешного прохождения всего пути с тремя развилками необходимо получить суммарную информацию 3 бита [33].

5. Каждый сигнал, приходящий по каналу связи, в котором используются только два вида сигналов (например, 0 и 1), несёт 1 бит информации, следовательно, передав n сигналов, мы отправим n бит информации.

6. Если сигналы передаются в виде букв русского алфавита (33 буквы), то количество информации на одну букву в среднем составит: log2 33 = 5,0444 бита. Зная количество букв, можно определить приблизительное количество переданной информации. Приблизительность расчёта определяется тем, что буквы обычных языков обладают сильно отличающимися вероятностями, которые определяются по частоте их встречаемости в текстах данного языка. Поэтому, например, на часто встречающуюся букву «а» будет приходиться гораздо меньше информации, чем на букву «ъ».

Для таких случаев Шеннон предложил использовать формулу

                            

где n – количество видов сигналов,  рi – вероятность (частота встречаемости) каждого i-го сигнала.

Данный подход позволил Шеннону решить  ряд таких важных для систем связи практических проблем, как определение скорости передачи информации, пропускной способности канала, надёжности (способности противостоять помехам (шумам)). Шеннон ввёл понятие избыточности информации как характеристики, определяющей надёжность работы канала связи.

Величина, пропорциональная логарифму вероятности, в математической теории вероятностей называется энтропией [17, с.558]. По этой причине многие авторы используют понятия «энтропия» и «информация» как синонимы.

Не следует смешивать энтропию в математике с энтропией в физике, потому что математическая и термодинамическая вероятности вычисляются по-разному, и формула физической энтропии содержит физическую константу Больцмана (п.2.5). Тем не менее просматривается явная связь между физической энтропией и информацией. Все процессы, связанные с повышением упорядоченности и с удалением материальных систем от термодинамического равновесия, сопровождаются понижением энтропии и увеличением использования информации. При этом энтропия окружающей среды возрастает (п.7.4). Это можно рассматривать как намёк на ошибочность процитированного выше утверждения [48] о том, что система, передающая информацию, сама никак не изменяется.

9.3. Использование теории информации в биологии

Несмотря на то, что теория информации поначалу разрабатывалась исключительно для решения проблем технических систем связи, в 50-е гг. появились попытки использовать её и для описания живых систем.  Одна из первых таких попыток принадлежит Г. Кастлеру [39]. Он совместно с С.Д. Данкофом  в 1953 г. предложил оценивать сложность организмов величиной их информационной ёмкости. Для этого нужно выделить структурные элементы живой системы, определить количество видов этих элементов и численность каждого вида элементов. После этого остаётся вычислить  количество двоичных разрядов, необходимых для полного кодирования всех структур. Основная проблема при этом состоит в решении вопроса, что принимать в качестве структурных элементов?

Авторы приняли, что структурными элементами организма являются молекулы, и что количество видов таких молекул более 500. Количество молекул было оценено исходя из того, что каждая молекула состоит в среднем из 100 атомов, а общее число атомов в организме примерно 7•1027. Было учтено также, что 90% массы представлено не структурообразующими молекулами (например, водой), а структурные молекулы могут иметь 12 различных способов ориентации в пространстве. В итоге полученная оценка информации о строении человека составила 5•1025бит. Если же принять за элементарные структуры атомы, то соответствующая оценка составит 2•1028 бит.

Более плодотворным оказалось применение теории информации для оценки систем передачи управляющих сигналов в живых организмах. К таким системам в первую очередь следует отнести кровеносную систему, которая является каналом передачи гормональных воздействий, и нервную систему, передающую сигналы по нервным волокнам в виде электрических импульсов.

Возможности кровеносной системы могут быть оценены исходя из того, что каждая переносимая по сосудам молекула может являться сигналом для соответствующего рецептора. С учётом средних размеров молекул каждый мм2 сечения сосудов может соответствовать примерно 1014 каналам связи. В действительности этих каналов меньше, поскольку не все молекулы могут выполнять сигнальные функции, а из сигнальных молекул не все двигаются по сосудам одновременно. Тогда с учётом скорости движения крови скорость передачи информации только по одному капилляру может достигать 1000 бит/с [39, с.51].

Аналогичные расчёты для нервной системы, основанные на известных данных о частоте  генерирования нервных импульсов, показывают, что пропускная способность одной нервной клетки также составляет величину не менее 1000 бит/с [39, с. 53]

Самыми мощными рецепторами по восприятию внешних сигналов являются органы зрения. У высокоразвитых организмов на их долю приходится около 90% принимаемой информации. Световые сигналы воспринимаются клетками сетчатки (колбочки, палочки), которые формируют в глазу человека примерно 240 000 рецептивных участков. Каждый такой участок способен реагировать на смену интенсивности света 18 раз в секунду, что даёт 4,2 бит/с, откуда на глаз в целом приходится 106 бит/с [39, с.55].

Теория информации была применена и для оценки информационной сложности экологических систем. В этом случае за элементарную структурную единицу принимается один организм (особь). С 60-х гг. в экологии широко применяется показатель видового разнообразия биоценозов, получивший название индекс Шеннона-Уивера (Н), определяемый по формуле, полностью идентичной формуле (9.5)

Здесь n – количество биологических видов в экосистеме, рi – доля особей данного (i-го) вида в общем количестве особей.

Пример. Сравним видовое разнообразие деревьев в 2 лесных системах (табл.9.1).

Таблица 9.1

Сравнение древесных экосистем по индексу Шеннона-Уивера

Система

Доля каждого вида деревьев, %

Н

Берёза

Осина

Дуб

Сосна

Липа

Клён

Лес 1

60

20

10

5

4

1

1,7071

Лес 2

30

30

30

10

-

-

1,8955

Расчёт по формуле 9.6 показывает:

Н1 = - (0,6 log20,6 + 0,2 log20,2 + 0,1 log20,1 + 0,05 log20,05 + 0,04 log20,04 + 0,01log20,01) = 1,7071;

Н2 = - (0,3 log20,3 + 0,3 log20,3 + 0,3 log20,3 + 0,1 log20,1) = 1,8955.

Первый лес имеет больше видов, но менее разнообразен. Путешествуя по этому лесу, вы чаще всего будете находиться среди берёз, и гораздо реже вам будут попадаться другие виды. Во втором лесу при меньшем количестве видов воспринимаемая картина будет разнообразнее, одновременно будет восприниматься больше видов, чем в первом лесу. Именно эта особенность биоценозов и оценивается индексом Шеннона – Уивера, значение которого можно рассматривать как информационную оценку сообщества с точки зрения его видового состава.

9.4. Виды  информации

Описанный подход к измерению информации, позволяя сравнительно хорошо решать некоторые проблемы технических систем связи, не решает многих проблем, связанных с описанием информационных процессов в более сложных системах. Покажем это на примере.

Человек (потребитель информации), находящийся далеко от дома, имеет канал связи с ограниченными возможностями (1 сообщение в день). Потребитель получает информацию о том, что для него на входе канала есть два сообщения: одно больше, другое меньше, и надо выбрать, какое он желает получить первым. Можно ожидать, что человек захочет получить сначала бόльшее сообщение. Сообщение оказывается таким: «Кошка родила». Количество полученной информации, исходя из 5 бит на букву, составит 55 бит. На следующий  день поступает более короткая информация (35 бит): «Умер дед». Можно представить, насколько негативно отнесётся наш пользователь к такой системе оценки информации. А если вторым сообщением окажется: «Идёт цунами» (50 бит), то наш герой к моменту получения информации, может уже вообще распрощаться с жизнью.

Пример показывает, что информация, измеренная рассмотренным  вероятностным (статистическим) методом, явно нуждается в дополнительных характеристиках. Такими характеристиками можно считать смысл информации, её ценность, полезность, важностью и т.д. В связи с этим имеются попытки разработать новые методы количественной оценки информации, учитывающие указанные свойства. А информация, которую мы измеряли в наших примерах с помощью вероятностного метода, получила название статистической информации.

Статистическая информация, по сути дела, является величиной, оценивающей только количество передаваемых сигналов. На вопросы, что означают эти сигналы, какой смысл они несут для принимающей системы, статистическая информация ответа не даёт.

Информацию, которая представляла бы собой оценку смысла поступающих сигналов предложено называть семантической информацией. Эта информация должна указывать, каким природным объектам или явлениям соответствует та или иная комбинация поступающих сигналов. Как, например, можно узнать, что одному комплексу сигналов, поступающих в мозг животного, соответствует образ хищника, а другому комплексу сигналов  соответствует образ пищи.

Вопрос о методе оценки информации с точки зрения её смысла оказался весьма сложным и не разрешённым до настоящего времени. Многими  авторами предложены различные формулы для вычисления семантической информации. Нот все эти формулы либо не выдерживают критики, либо являются трудными для понимания принципов их построения и практического использования.

Однако и семантическая информация совместно со статистической ещё не обеспечивают полноты описания информационного взаимодействия, поскольку соотнесение сигналов с каким-либо объектом ещё не даёт возможность оценить ценность или полезность данного объекта для воспринимающей системы. Нужен информационный показатель, который позволял бы оценивать получаемую информацию с точки зрения её практической значимости, полезности или вредности. Такой показатель предложено называть прагматической информацией. Для измерения этой информации также предлагаются различные формулы, авторы которых отмечают, что в ряде конкретных случаев прагматическую информацию трудно отличить от семантической информации.

Одной из наиболее удачных и понятных является формула, предложенная А.А. Харкевичем в 1960 г. [39, с.123]:

                                         IП =  log (р1/ р0),                                           (9.7)
где IП – ценность информации (или прагматическая информация),
       р0 – вероятность достижения цели до получения информации,

      р1 – вероятность достижения цели после получения информации.

В этой формуле хорошо видно, что ценность имеется, если (р1> р0). Если же вероятность р1 после получения информации остаётся без изменений (р1= р0), то ценность полученной информации равна нулю ( log 1 = 0). А если вероятность достижения цели после получения информации ещё и уменьшилась (р1< р0), то мы имеем отрицательную прагматическую информацию (логарифм числа, меньшего единицы, всегда отрицателен). Можно сказать, что мы в этом случае получили то, что называется дезинформацией, которую, оказывается, тоже можно измерить.

Хорошо было бы, если кто-нибудь ещё и объяснил, как определить р1 и р0? В указанном источнике [39] такого объяснения не даётся.

Как видим, в теории информации существуют проблемы, которые ещё не решены, а некоторые, возможно, ещё и не сформулированы. Читатель может заняться решением этих проблем, да и всех остальных, упомянутых в этой книге.

10. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ  ПРОБЛЕМЫ

10.1. Строение и функции экосистемы

Знание природы (естествознание) нужно для того, чтобы улучшать жизнь людей,  решать возникающие перед человечеством сложные проблемы. Одной из таких проблем, вышедших сегодня на первое место, является проблема быстрого изменения экологической обстановки. По мнению некоторых учёных мы близки к экологическому кризису. А из кризиса два пути: либо находится способ его преодоления, либо всё заканчивается экологической катастрофой.

Поясним разницу между проблемой, кризисом и катастрофой. Экологическая проблема – это возникшие небольшие трудности выживания конкретного биологического вида, которые сравнительно легко устраняются после определённых изменений в поведении организмов. Экологический кризис - серьёзные неблагоприятные изменения, создающие угрозу выживанию вида или сообщества, и требующие приложения больших усилий для изменения ситуации в благоприятную сторону. Экологическая катастрофа – необратимые изменения условий, при которых никакие усилия не позволяют избежать гибели вида или даже всей системы в целом.

Для того чтобы правильно разобраться в современной экологической ситуации, необходимо выяснить специфику строения и функционирования экологических систем и, применяя современные естественно-научные знания, опираясь на законы природы, определить пути выхода из этой ситуации.

Экосистема – это любая материальная система, в пределах которой находятся живые организмы и между организмами и неживой окружающей средой происходит обмен веществ (круговорот), который поддерживается за счёт потока поступающей и уходящей энергии.

Близким по значению к понятию экосистема является понятие биогеоценоз. Это понятие имеет более узкий смысл и означает сложную, устойчивую, многовидовую, природную экосистему с естественными границами (лес, луг, водоём), сложившуюся в ходе длительной биологической эволюции на поверхности нашей планеты.

Примеры экосистем, не являющихся  биогеоценозами:

  1.  Капля воды с бактериями. Система явно не удовлетворяет определению биогеоценоза. Не является устойчивой, сложное скоординированное сообщество организмов отсутствует, длительной эволюции не имеет, но может считаться естественной системой.
  2.  Помещение с находящимися в нём людьми. Система искусственная, не многовидовая. После ухода людей перестаёт быть экосистемой или превращается в другую экосистему, если в ней остались, например, цветы или тараканы.
  3.  Космический корабль в автономном длительном полёте с людьми на борту имеет все признаки экосистемы, но с биогеоценозом его может сближать только то, что в некоторых случаях он, возможно, будет представлять собой относительно многовидовое биологическое сообщество.

Структуру экосистемы можно представить следующим образом (рис.10.1). Двумя её основными компонентами являются абиотическая среда и совокупность живых организмов – биота (для биогеоценоза – биоценоз). Среда – это всё, что воздействует на организм. Каждое воздействие, которое можно выделить и рассматривать как самостоятельное, называется экологическим фактором. Абиотические факторы принято делить на физические и химические. Химические факторы в свою очередь можно разделить на неорганические и органические вещества.

 

По способу получения энергии всё живые организмы в экосистеме делят на две большие группы: продуценты и консументы. 

Продуценты – автотрофные виды, способные полностью обеспечивать себя органическими веществами, синтезируя их из минеральных, делятся на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Фотоавтотрофами являются все зелёные растения, осуществляющие фотосинтез за счёт энергии света. Хемоавтотрофами являются некоторые виды бактерий, использующие в качестве источника энергии реакции окисления неорганических веществ (см. п.3.12). Растения производят на Земле практически всё органическое вещество, одновременно насыщая атмосферу кислородом.

Консументы получают энергию для жизнедеятельности в виде готовых органических веществ и высвобождают эту энергию в процессе дыхания, разлагая органические вещества с участием кислорода до углекислого газа и воды. Консументы делятся на макроконсументов, которыми являются все крупные многоклеточные животные, и микроконсументов, к которым относятся большинство бактерий, все грибы и одноклеточные животные.

Микроконсументы выделены в отдельную группу, потому что им принадлежит особо важная роль в экосистеме. Они выполняют основную работу по окончательному разложению всей произведённой органики до минеральных веществ, несмотря на то, что эту функцию выполняют все организмы, обладающие дыханием, в том числе и растения. Особая роль микроконсументов определяется очень высокой скоростью преобразования энергии, высокой продуктивностью, приходящейся на  единицу собственной массы. Каждая бактерия в благоприятных условиях тратит на одно деление не боле 0,5 ч. Это значит, что масса бактерий в 200 кг через полчаса может увеличиться до 400 кг. Для того чтобы также изменить массу, например, крупному  копытному животному требуется не меньше одного года. Разница во времени, а, следовательно, и в скорости преобразования вещества составляет десятки тысяч раз. Поэтому именно на микроконсументов  приходится вся основная нагрузка по разложению органических отходов. За своё особое положение в круговороте веществ микроконсументы получили специальное название редуценты.

Представленное на рис.10.1 химическое выражение можно считать упрощенной сжатой формой изображения круговорота веществ в экосистеме и в природе в целом. Роль редуцентов в круговороте веществ настолько существенна, что в некоторых учебниках можно встретить схемы с делением всей биоты на три равноправные части: продуцентов, консументов и редуцентов, что не совсем правильно.

На схеме рис.10.1 несколько двойственным является положение мёртвого органического вещества, которое, с одной стороны, является компонентом неживой природы, а с другой стороны, источником органики являются живые организмы. Поэтому некоторые авторы предлагают делить экосистему не на две основные части, а на три: живое вещество, неорганическое вещество и промежуточное состояние в виде мёртвой органики.

10.2. Превращение энергии в экосистеме

Основным источником энергии для функционирования экосистем и биосферы в целом является солнечное излучение, мощность которого за пределами атмосферы составляет 1383 Вт/м2. Эта величина называется солнечной постоянной. 34 % этой энергии сразу отражается от верхних слоёв атмосферы. 19 % идёт на нагрев атмосферы, до поверхности Земли доходит в среднем 47 % [38, с.18].

Примерно 1% дошедшей до поверхности Земли энергии используется для фотосинтеза и накапливается растениями в виде их биомассы. Затем эта энергия распределяется между всеми остальными видами биологического сообщества путём поедания друг друга. Последовательность передачи энергии от вида к виду называется трофической цепью, а отдельный вид – трофическим звеном (рис.10.2).

 

Трофические цепи теоретически могут быть сколь угодно длинными, но практически не превышают 5-6 звеньев, поскольку в результате действия второго закона термодинамики энергия быстро рассеивается. Эта закономерность получила название правила 10 %: на следующий трофический уровень передаётся в среднем не более 1/10 энергии, поступившей с предыдущего уровня. Поэтому, если в растениях накапливается около одного процента солнечной энергии, то, например, на 4-м трофическом уровне её доля составит лишь 0,001 %.

Трофические цепи представляют собой очень неустойчивые системы, поскольку случайное выпадение любого звена разрушает всю цепь. Устойчивость природных сообществ обеспечивается наличием сложных разветвлённых многовидовых трофических сетей. В таких сетях при выпадении любого звена энергия начинает перемещаться по обходным путям. Чем больше видов в биогеоценозе, тем он надёжней и устойчивей. Именно поэтому необходимо стараться максимально сохранять многообразие видов в природе.

10.3. Продуктивность экосистем

Основу взаимодействия человека с природными экосистемами составляет потребление человеком на свои нужды части энергии в виде биологической продукции. Это и является одной из основных причин возникновения экологических проблем. Для решения этих проблем необходимо выяснить, какие виды продукции и в каких соотношениях производятся в экосистеме и какую долю этой продукции можно изымать без нанесения ущерба?

Продукция – это вся энергия, накопленная в экосистеме за определённый период времени (обычно за год или за сезон). Может измеряться в единицах энергии (Дж/год) или в единицах массы органического вещества (т/год). Продуктивность – это скорость производства продукции на единице площади (Дж /м2•год) или в единице объёма (Дж /м3•год) (для водных экосистем).

Вся энергия, накопленная растениями в процессе фотосинтеза в виде массы органических веществ, называется полной валовой, первичной или полной автотрофной продукцией (ПАП) (рис. 10.3).

Часть ПАП, израсходованная самими растениями в процессе дыхания называется автотрофным дыханием (АД). То, что остаётся от ПАП после растений, называется чистой автотрофной продукцией (ЧАП). Этой продукцией могут пользоваться все консументы напрямую (растительноядные) или опосредованно (хищники). Всё, что будет израсходовано консументами, называется гетеротрофным дыханием (ГД). Та часть ЧАП, которая не будет израсходована гетеротрофами, называется чистой продукцией сообщества (ЧПС).

Из диаграммы на рис.10.3 следует, что взять продукцию без ущерба для экосистемы можно только в объёме не больше, чем ЧПС. Потребление в бόльшем количестве приведёт к нарушению нормальных взаимодействий в природе. Сразу можно предположить, что часть экологических проблем возникает из-за того, что человек потребляет больше, чем допускают законы природы. В связи с этим необходимо выяснить, какова может быть доля чистой продукции в природных экосистемах?

Устойчивые, многовидовые природные экосистемы в норме находятся в состоянии динамического равновесия. Это означает, что все основные макроскопические характеристики (число видов, масса организмов, скорость их воспроизводства и т.д.) остаются неизменными, в то время как непрерывно происходят различные изменения в виде рождения новых организмов и гибели старых. При таком динамическом  равновесии существует практически полный круговорот веществ: сколько в единицу времени производится органического вещества, столько же и потребляется. Это означает, что чистая продукция равна нулю.

Вывод получается весьма печальный. Взять из природы без её нарушения ничего нельзя! Любое потребление будет приводить к нарушению устойчивого равновесного состояния.

Человек решает эту проблему путём создания искусственных быстро растущих агроэкосистем, которые имеют относительно высокую долю чистой продукции (табл.10.1).

Таблица 10.1

Продуктивность различных экосистем, тыс. кДж/м2•год
по Ю.П. Одуму [21, с.63 с изменениями]

Вид продукции

Поле
люцерны

Растущий
(молодой) лес

Спелый лес

ПАП
(полная автотрофная продукция)

100

50

200

АД (автотрофное дыхание)

40

25

135

ГД (гетеротрофное дыхание)

5

15

63

ЧПС

(чистая продукция сообщества)

55

10

2

ЧПС/ПАП, %

55

20

1

Высокая доля чистой продукции создаётся за счёт больших затрат энергии на такие энергоёмкие процессы, как обработка Земли, производство и внесение удобрений, орошение, борьба с сорняками и  вредителями (птицы, грызуны, насекомые), борьба с болезнями. Отсюда следует, что высокая доля ЧПС на сельскохозяйственном поле ещё определяется и значительным подавлением такой статьи расхода энергии, как потребление гетеротрофами. Доля гетеротрофного дыхания на поле составляет 5 % , в то время как в природе она достигает примерно 30 %.

Решая задачу получения большой чистой продукции, человек создаёт другую проблему. Уничтожаются большие площади многовидовых, устойчивых естественных экосистем, которые заменяются неустойчивыми моновидовыми агроэкосистемами. Среда становится опасной. Любая случайная причина (болезнь, засуха, наводнение, заморозки) может привести к уничтожению урожая, что означает экологическую катастрофу. В то же время эти же причины, приводящие к гибели некоторых отдельных видов в природных экосистемах, в целом никак не сказываются на живучести этих систем. Чем больше природных экосистем мы сохраним на Земле, тем надёжней будет наше существование. Эта проблема решается созданием охраняемых (заповедных) территорий.

10.4. Определение необходимых затрат на охрану природы

Необходимые затраты на охрану окружающей среды могут быть определены на основании фундаментальных законов природы – законов сохранения и превращения энергии (см. п.2.4). Проведём теоретический анализ, который может быть применён для любых экологических систем, но в данном случае удобно представить, что экосистемой является наша биосфера. Рассмотрим биосферу как термодинамическую систему (рис. 10.4).

Защитить природу (окружающую среду) означает создать условия, при которых сохраняется динамическое равновесие, т.е. остаются неизменными масса системы, средняя температура, концентрации веществ, скорости химических реакций, количество видов организмов, их численность и т.д. В соответствии с законами термодинамики такое состояние возможно только при равенстве потоков входящей и выходящей энергии. Если энергии будет поступать больше, чем уходить, то характеристики системы будут постоянно меняться в определённом направлении, что не будет соответствовать задаче сохранения условий среды. Если будут преобладать потери энергии, то характеристики также будут меняться, но в противоположном направлении.

Современные данные мониторинга биосферы показывают, что многие её параметры относительно быстро меняются: растёт среднегодовая температура, увеличиваются концентрации загрязнений и количество отходов, падает содержание кислорода, возрастает концентрация углекислого газа и т.д. Это означает, что энергетический баланс нарушен. Причиной нарушения является потребление человеком части энергии на свои нужды. Мы вырубаем леса, строим города, промышленные предприятия, прокладываем дороги, производим различную необходимую нам продукцию. Всё это делается за счёт природы. Восстановление баланса в соответствии с законом сохранения энергии требует, чтобы потреблённая энергия была возвращена природе в виде работы по приведению её в прежнее состояние. Эта работа включает восстановление лесов, рекультивацию земель, создание систем очистки воды и воздуха, разработку природоохранных технологий с замкнутыми циклами, экологическое образование и многое другое.

Из сказанного можно заключить, что  идеальное сохранение природы невозможно, поскольку это означает, что надо убрать все города, промышленные предприятия, дороги, пустыни превратить в благоухающие леса. В таком случае разрушение природы неизбежно, и наше выживание будет зависеть лишь от его скорости. А скорость будет пропорциональна разнице между затратами на производство необходимой нам продукции и затратами на охрану природы. Попытаемся определить эту разницу.

Всё, что создаётся обществом за определённый период (год) в денежном выражении, называется валовым внутренним продуктом (ВВП) (нижняя маленькая стрелка на рис.10.4). Полученный продукт распределяется по различным направлениям: на развитие промышленного производства, на сельское хозяйство, на оборону, на медицину, на образование …  и на охрану природы. Требуется ответить на вопрос: «Какую часть ВВП надо тратить на охрану среды, чтобы среда оставалась неизменной?». Ответ весьма прост – в соответствии с законом сохранения надо тратить 100 % ВВП.

Остаётся только выяснить, сколько мы тратим фактически. По данным средств массовой информации, в России с 1990 по 2000 г. эта величина составляла около 1 % расходной части бюджета. Отметим, что расходная часть бюджета представляет собой величину меньшую, чем ВВП. Следовательно, мы тратим на охрану природы, как минимум, в 100 раз меньше, чем требуют законы природы, и сильно удивляемся, почему, при всём нашем внимании к экологии, природа лучше не становится. В развитых странах (США, Япония, Западная Европа) затраты на охрану природы находятся примерно в пределах 5 – 7 %, что всё равно в десятки раз меньше необходимого.

Основной причиной такой ситуации является то, что большинством людей, в первую очередь руководителями, не осознаётся, что охрана природы – дело крайне дорогое и на нём нельзя пытаться сэкономить. Эта экономия может печально закончиться. Можно понять неосведомлённость в этой области политиков, производственников и бизнесменов, но оказывается, что и многие экологи этого не понимают. Существуют разработанные экологами региональные программы, в которых после некоторого периода увеличения ежегодных вложений в охрану природы предусмотрено последующее их снижение, якобы по причине, что первоначальное увеличение вложений снимет экологическую напряжённость и тратить деньги будет больше некуда. Таким экологам надо ещё самим разъяснять, что даже при всём нашем желании мы никогда не сможем дать природе столько, сколько ей требуется.

В действительности ситуация ещё хуже, чем описано выше, поскольку в предыдущих рассуждениях учтён только первый закон термодинамики. А необходимо учитывать и второй закон, который говорит о том, что когда мы совершаем полезную работу, то обычно больше половины энергии теряем. Отсюда следует, что, даже имея очень высокий коэффициент полезного действия, допустим, 50 %, для получения 100 % ВВП мы должны разрушить природу на 200 % (половину бесполезно потеряем).  Поэтому в виде работы по восстановлению природы мы должны вернуть ей не 100, а 200 % ВВП. Это если не учитывать потери при восстановлении среды. С  учётом же потерь при КПД 50 %, такие затраты превратятся уже в 400 % ВВП!

Понятно, что вернуть природе 100 %, а тем более несколько сотен процентов ВВП, невозможно. Но можно было бы в несколько раз увеличить расходы на охрану среды, если бы мировое сообщество было устроено разумно. Сегодня самые крупные государства мира тратят не менее половины своего ВВП на вооружение. Стоимость всех наших холодильников, телевизоров, компьютеров, стиральных и швейных машин не идёт ни в какое сравнение со стоимостью военных самолётов, ракет, авианосцев и атомных подводных лодок. Если жить дружно, не делясь на государства, нации и религии, можно было бы за счёт снижения  военных расходов существенно увеличить вложения в охрану природы. Мы пытаемся действовать в этом направлении, создаём международные организации, заключаем договоры о разоружении, договорились о запрете многих видов оружия, совместно пытаемся осваивать космос и решать сообща острые экологические проблемы. Но дело движется в нужном направлении крайне медленно. Вывод один – надо всеми силами пытаться увеличивать средства на охрану природы и убеждать как можно большее количество людей в том, что любой  наш шаг, независимо от профессии или рода занятий, должен в первую очередь соотноситься с тем, как мы влияем на окружающую среду, и что нужно делать, чтобы это влияние уменьшить.

Если большинству государств удастся в ближайшие десятилетия увеличить вложения в охрану природы хотя бы до 20 % ВВП, то ситуация уже резко изменится. Состояние биосферы будет продолжать меняться, но значительно медленнее. Это замедление в первом приближении можно считать пропорциональным увеличению затрат. Если оставить вложения на прежнем уровне, то тепловой кризис может наступить, допустим, через 50 - 100 лет. Это будет означать всемирную экологическую катастрофу, поскольку растают все льды на планете и уровень океана, по прогнозам, может поднятья на 50 – 70 м. Будут затоплены многие крупнейшие мегаполисы, в которых сосредоточена значительная часть населения,  промышленного и научного  потенциала планеты. Будет потеряно и большинство сельскохозяйственных угодий, которые в основном расположены вблизи побережий океанов и морей.

Если же быстрое увеличение вложений в охрану природы позволит замедлить негативные процессы хотя бы в 10 раз, то это означает, что тепловой кризис наступит только через 500 или 1000 лет. За такой срок, во-первых, мы и не заметим, как затапливаемые города окажутся на новых местах. Во-вторых, у нас будет время приспособиться к меняющимся условиям. И, в третьих, научный прогресс за тысячу лет позволит разработать все необходимые природоохранные технологии, о которых мы сегодня не можем иметь ни малейшего представления. Ведь весь современный технический прогресс с его машинами, самолётами, ракетами, компьютерами, полётами в космос сотворён не более чем за 200 лет.

10.5. Экологические кризисы в истории человечества [28]

Современный назревающий экологический кризис не первый и, вероятно, не последний в истории человечества, а тем более в истории жизни на нашей планете. Всю эволюцию жизни можно рассматривать как непрерывную цепь проблем, кризисов и катастроф. В параграфе 4.7 уже были упомянуты первые возможные экологические кризисы исчерпания абиогенной органики и аноксигенного фотосинтеза. Но эти кризисы в значительной мере гипотетичны. Есть и более доказанные явления, относящиеся даже не к кризисам а к экологическим катастрофам. Так, например, как катастрофу можно рассматривать относительно быстрое вымирание процветавшей в мезозое группы динозавров. Вообще, каждое исчезновение биологического вида можно представить как назревающую экологическую проблему, которая затем переходит в экологический кризис, заканчивающийся экологической катастрофой.

В чем же особенность проблем, возникающих с появлением человека? Особенность заключается в очень большой скорости эволюции и в очень интенсивном воздействии на среду, особенно с развитием техники и промышленности в последние два столетия. Можно, конечно, и к человеку подойти с позиции обычной биологической эволюции, т. е. рассматривать современный экологический кризис как рядовое явление, в результате которого вид Homo sapiens сам себя уничтожит в результате, допустим, глобальной ядерной войны, или просто захлебнется в ядовитых отходах, или потеряет имунную стойкость и будет уничтожен какой-нибудь эпидемией типа СПИДа. А эволюция на Земле пойдет дальше своим путем. Некоторые  прорицатели именно такой поворот и предсказывают.

Но разумные существа должны находить способы исключения таких неприятных путей развития. Мы вполне обладаем средствами, чтобы перевести эволюцию со стихийного уровня на уровень сознательного управления – на уровень  социальной эволюции. Несколько кризисов человек в своей истории уже преодолел.

Само появление примитивного человека около 1млн лет назад можно считать разрешением очередного экологического кризиса, который был последним в чисто биологической эволюции приматов. Этот кризис проявился в нехватке пищевых ресурсов и убежищ и был разрешён появлением способности использовать деревянные и каменные орудия труда. Начался первый в истории человека период, который получил название периода собирательства (растительная пища), первобытной охоты и рыболовства. Потребляемое количество энергии составляло 100 – 150 Вт/чел. Такой уровень можно обеспечить, когда на одного человека приходится 104 – 105 га охотничьей территории и 500 – 1000 га территории с растительной пищей.

Рост населения при необходимости использования таких больших территорий привел примерно 50 тыс. лет назад к первому антропогенному кризису перепромысла крупных консументов. Этот кризис был разрешен переходом к производящему хозяйству: Земледелие на свободных от леса площадях при ручной обработке Земли и кочевое скотоводство. Затраты энергии возросли примерно до 300 Вт/чел. Кочевое скотоводство позволяло обходиться уже в десять раз меньшей территорией (не более 10 га/чел), а для получения растительной пищи достаточно было от 2 до 8 га/чел.

Примерно 10 – 20 тыс. лет назад, полученный резерв площадей снова был исчерпан. Наступил второй кризис - кризис ручного Земледелия и кочевого скотоводства. Пришлось повысить производительность труда переходом к пастбищному скотоводству, при котором необходимая площадь составляла около 10 га/чел. В Земледелии стал использоваться рабочий скот, и площадь сократилась до 0,8 га/чел. Потребление энергии возросло до 550 Вт/чел.

Очередной третий антропогенный кризис мог бы разразиться в Европе 400 – 500 лет назад, но его предотвратила эпоха великих географических открытий и колониальных завоеваний. Началось освоение малозаселенных территорий Африки, Америки и Австралии. Это разрядило обстановку и отодвинуло кризис пастбищного скотоводства и Земледелия с использованием рабочего скота на середину и конец 19 в. Кризис разрешился за счёт использования техники и машин для обработки Земли. Появилось стойловое скотоводство (крупные птицефабрики, свинокомплексы и т.д.), при котором скот практически не двигается и интенсивно откармливается растительной продукцией, получаемой с сельскохозяйственных полей и сенокосных угодий. Необходимые площади сократились для получения мясной пищи до 1,6 га/чел, растительной – до 0,2 гa/чел. Очень резко увеличилось энергопотребление. Сегодня в развитых странах оно превышает 25 тыс. Вт/чел.

Настоящее время – период назревания четвертого антропогенного экологического кризиса, который можно назвать кризисом продуцентов. Суть его состоит в том, что человечество уже приблизилось к получению максимально  возможной урожайности с единицы площади обычных открытых земельных угодий. Никакие совершенствования методов обработки Земли и дополнительные затраты энергии уже не могут повысить естественную урожайность. В связи с этим прогнозируется переход к закрытому Земледелию (защищенный грунт), при котором все основные параметры вегетации (тепло, свет, влага, минеральное питание) контролируются и поддерживаются в нужных пределах. Это вызывает еще более резкое увеличение энергопотребления. Энергия нужна теперь не только на получение сельскохозяйственной продукции, но и на получение новых материалов, на добычу новых видов минеральных ресурсов, на переработку сырья, на развитие новых отраслей промышленности.

Далее прогнозируется появление следующего пятого кризиса, который можно назвать кризисом редуцентов. Он будет обусловлен тем, что производимые в больших количествах новые синтетические материалы, переходя в отходы, не могут быть разрушены естественным путем микроорганизмами - редуцентами. Придётся внедрять новые специальные химические технологии для переработки таких материалов. Энергопотребление ещё более увеличится. К этому времени следует также ожидать и полного исчерпания минеральных ресурсов.

И наконец, можно спрогнозировать шестой, так называемый глобальный термодинамический кризис (тепловой), который будет заключаться в перегреве атмосферы из-за использования внутренних источников ядерной энергии.  Тепловой кризис не грозит до тех пор, пока мы сможем обходиться исключительно солнечной энергией при условии, что прекратим в ближайшее время сжигать горючие ископаемые. В противном случае возможен кризис из-за парникового эффекта (накопление СО2 в атмосфере).

У нас пока еще есть небольшой запас дополнительных источников энергии. Этот запас ограничивается существующим в экологии правилом одного процента. В соответствии с этим правилом в экосистему, без нарушения её нормальных функций, можно внести дополнительную энергию в количестве не более 1 % естественного потока. Поступление солнечной энергии на Землю составляет 1017 Вт. 1 % этой энергии составляет 1015 Вт. Современное  мировое потребление энергии человечеством достигло величины порядка 1013 Вт. Откуда следует, что потребление энергии  мы можем увеличить не более чем в сто раз.

За последнее столетие энергопотребление на 1 человека возросло примерно в 50 раз, а население возросло примерно в 3 раза, т.е. общее энергопотребление возросло в 150 раз за 100 лет. С учётом того, что скорость потребления со временем возрастает, очередное стократное увеличение энергопотребления можно ожидать не более чем за 50 лет.

Возможные выходы из теплового кризиса:

1. Освоение космического пространства. Этот выход некоторые учёные [28] считают  абсолютно не реальным, утверждая, что человеческое существо способно нормально существовать исключительно в земных условиях.

2. Плановое регулирование рождаемости и снижение численности населения планеты до безопасного уровня.

Обе задачи настолько сложны, что их можно решить только совместными усилиями, если бросить на их решение практически все имеющиеся силы и средства.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1.  Бауэр Э.С. Теоретическая биология.- СПб.: Росток, 2002.- 352 с.
  2.  Бернал Дж. Д. Наука в истории общества.- М.: Мир, 1956.- 524 с.
  3.  Берталанфи Л. Общая теория систем – обзор проблем и результатов // Системные исследования.- М.: Наука, 1969.- 203 с.
  4.  Бир С. Кибернетика и управление производством.- М.: Физматгиз, 1963.- 275 с.
  5.  Богданов А.А. Всеобщая организационная наука (тектология).- СПб., 1912. Ч.I.
  6.  Богданов А.А. Очерки всеобщей организационной науки.- Самара, 1921.
  7.  Большая советская энциклопедия.- М.: Большая советская энциклопедия, 1950.- 650 с. 
  8.  Верещагина В.А. Основы общей цитологии.- Пермь: Изд-во Пермск. ун-та, 2001.- 156 с.
  9.  Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и её окружения.- М.: Наука, 1987.- 338 с.
  10.  Винер Н. Кибернетика.- М.: Советское радио, 1968.- 326 с.
  11.  Геллер Е.С. Биология и техника.- М.: Знание, 1969.- 60 с.
  12.  Горелов А.А. Концепции современного естествознания.- М.: Центр, 1997.- 208 с.
  13.  Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики.- М.: Наука, 1967.- Т.1.- 340 с.
  14.  Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.- 520 с.
  15.  Коган А.Б. Биологическая кибернетика.- М.: Высшая школа, 1972.- 384 с.
  16.  Колчанов Н. А. Лекции по информационной биологии http://www.bionet.nsc.ru/chair/cibOld/lektcii/LectureText3Part1.html
  17.  Корн Г., Корн Т. Справочник по математике.- М.: Наука, 1973.- 832 с.
  18.  Корогодин В.И. Информация и феномен жизни.- Пущино: Объединённый институт ядерных исследований, 1991.- 202 с.
  19.  Краткий справочник физико-химических величин / под ред. К.П. Мищенко и А.А. Равделя.- М.: Химия, 1974.- 200 с.
  20.  Малиновский А.А. Тектология. Теория систем. Теоретическая биология.- М.: Эдиториал УРСС, 2000.- 448 с.
  21.  Одум Ю.П. Основы экологии. М.: Мир, 1975. 740 с.
  22.  Перельман А.И. Геохимия.- М.: Высшая школа, 1979.- 423 с.
  23.  Пехов А.П. Биология с основами экологии.- СПб.: Изд-во «Лань», 2001.- 672 с.
  24.  Пригожин И. От существующего к возникающему: Время и сложность в физических науках.- М.: Наука, 1985.- 326 с.
  25.  Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса.- М.: Прогресс, 1986.- 431 с.
  26.  Рассел Б. Человеческое познание. Его сфера и границы.- М.: Изд-во иностр. лит., 1957.- 565 с.
  27.  Рашевский Н. Модели и математические принципы в биологии // Теоретическая и математическая биология.- М.: Мир, 1968.- 448 с.
  28.  Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы).- М.: Журнал «Россия молодая», 1994.- 367 с.
  29.  Руденко А.П. Физико-химические основания химической эволюции // Журн. Физической химии.- 1983.- Т. 57.- С. 1597, 2641; 1987.- Т. 61.- С. 1457.
  30.  Руденко А.П. Эволюционная химия и естественноисторический подход к проблеме происхождения жизни // Журн. ВХО им. Д.И.Менделеева. 1980.- Т. 25. № 4. С.- 390.
  31.  Сетров М.И. Организация биосистем.- Л.: Наука, 1971.- 276 с.
  32.  Скляров А. http://atheism.websib.ru/books/sklyarov/avtor.htm
  33.  Тростников В.Н. Человек и информация.- М.: Наука, 1970.- 187 с.
  34.  Фокс Р. Энергия и эволюция жизни на Земле.- М.: Мир, 1992.- 216 с.
  35.  Хакен Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход.- М.: 1991.- 240 с.
  36.  Хакен Г. Синергетика: Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах.- М.: Мир, 1985.- 423 с.
  37.  Хоровиц Н. Поиски жизни в солнечной системе.- М.: Мир, 1988.- 187 с.
  38.  Чернова Н.М., Былова А.М. Экология.- М.: Просвещение, 1988.- 271 с.
  39.  Чораян О.Г. Информационные процессы в биологических системах.- Ростов-на-Дону: Изд-во Ростов. ун-та, 1981.- 150 с.
  40.  Шмальгаузен И.И. Интеграция биологических систем и их саморегуляция // Бюллетень Московского общества испытателей природы. Сер. Биология.- М., 1961-. Т.66.- №2.- С. 104-134.
  41.  Шрейдер Ю.А. Сложные системы и космологические принципы // Системные исследования.- М.: Наука, 1975.- 216 с.  
  42.  Штеренберг М.И. http://shteren.chat.ru/biographie.html
  43.  Штеренберг М.И. О Берталанфи. http://shteren.chat.ru/biographie.html
  44.  Эшби У.Р. Введение в кибернетику.- М.: Мир, 1959.- 432 с. 
  45.  Эшби У.Р. Общая теория систем.- М.: Мир, 1966.- 188 с.
  46.  Эшби У.Р. Системы и информация // Вопросы философии. 1964.- № 3.- С.78.
  47.  Эшби У.Р. Теоретико-множественный подход к механизму и гомеостазу //    Исследования по общей теории систем.- М.: Мир, 1969.- С. 398-441.
  48.  Янковский С. Я. Концепции общей теории информации. Дата публикации в Интернете 21 мая 2000 г. e-mail: stas@iac-entek.ru

Учебное  издание

Игорь Александрович Золотухин

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Конспект лекций

Редакторы  Л.П. Сидорова, Л.Г. Подорова

Технический редактор Е.Е. Покровская 

Компьютерный набор и графическое оформление

выполнены И.А. Золотухиным

ИБ № 200

Свидетельство о государственной аккредитации вуза

№ 1426 от 23.04.2004 г.

Изд. лиц. ИД № 03857 от 30.01.2001.

Подписано в печать 14.03.2006. Формат  60х90 1/16

Бумага ксероксная. Печать на ризографе

Усл. печ. л. 9,37. Уч.-изд. л. 11,73

Тираж 200 экз.

Редакционно-издательский отдел

Пермского государственного педагогического университета   

614990, г. Пермь, ул. Сибирская, 24, корп. 2, оф. 71,

тел. (342) 238-63-12

Отпечатано на ризографе в отделе

электронных издательских систем ОЦНИТ

Пермского государственного технического университета

614990, г.Пермь, Комсомольский проспект, 29а, оф.113,

тел. (342) 219-80-33


Цитология

Орнитология (изучает птиц)

Ботаника

Неорганическая

химия

Энтомология
(изучает насекомых)

ЗНАНИЕ  (сведения о всех познанных явлениях)

Естественные науки

Гуманитарные науки

Физика

           Химия

Биология

Органическая
химия

Биохимия

Зоология

Ихтиология
(изучает рыб)

Рис.1.1. Принцип иерархического деления человеческого знания

знаки:        1 2  3 4  5 6 7 8  9 10

насечки:                                 …

  10                                20                                30 …

100

1000

                             V   ,                                              m     . 

                             m                                                   V

2)  С =     

1)  С =   

3)  R =   

4)  R =   

                             U   ,                                              I     ,

                              I                                                   U

Получение энергии

Потеря энергии

 Система

Состояние с высоким уровнем энергии

Состояние с низким уровнем энергии

Рис. 2.1. 

 Абстрактное
изображение
материальной системы

20оС

20оС

 30оС

Исходная
наблюдаемая
система

Варианты возможных изменений

             1                                                                  

2

3

Изменился
цвет

Изменилась
температура

Появились
пузырьки газа

20оС

Топливо
(химическая энергия горения)

Паровой котёл
(тепловая энергия нагрева воды)

Паровая
турбина
(механическая энергия вращения)

 Электро-генератор
(энергия электрического поля)

 Провода
(электрическая энергия движения электронов)

 Обрабатывающий станок
(механическая работа двигателя и инструмента)

Рис.2.3. Пример превращения энергии

Рис.2.4. Схема взаимодействия систем

бензин

  двигатель

Топливо
(химическая энергия горения)

Паровой котёл
(тепловая энергия нагрева воды)

Паровая
турбина
(механическая энергия вращения)

 Электро-генератор
(энергия электрического поля)

 Провода
(электрическая энергия движения электронов)

 Обрабатывающий станок
(механическая работа двигателя и инструмента)

Рис.2.5. Превращение энергии с учётом закона рассеивания

Тепло

Тепло

Тепло

Тепло

Тепло

Qп Дж

Рис.3.1. Опыт, показывающий эквивалентность количества тепла, образующегося в теплоизолированной камере с животным и количества энергии, поступающей с пищей

 t oC

О

О

О

О

О

 О

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Рис.3.2. Кластерная
структура воды:

ковалентная
связь,

водородная
связь

Полярные

группы

Неполярная

группа

                                      Н         Н                                                                     

                                                                                                                                    

                                Н          N                                                                                              

                                                                    О                                    

                      Н       С           С           С      

                                                                    О      Н                                                                       

                                Н           Н         

Рис. 3.3

Структурная формула
аминокислоты «аланин»

~

~

Аденин

Рибоза

Р

Р

Р

Рис. 3.4. Молекула
аденозинтрифосфорной
кислоты (АТФ)

Нуклеотид

Макроэргические
связи

Фосфатные группы

Рис.3.5. Схема жидкостно-мозаичного строения биологической мембраны (заштрихованы гидрофобные части белковых молекул)

2

Билипидный слой

1

3

4

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Н+

ОН¯

Н+

АТФ

АДФ+РО4-3

Биологическая
мембрана

Простая диффузия

Диффузия через поры

Облегченная диффузия растворимым в жирах переносчиком

АТФ-аза

(ионный насос)

Белковый
переносчик

Фагоцитоз

Пассивный
транспорт

Активный
транспорт

Рис.3.6. Виды транспорта веществ через
биологические мембраны

Внутренние мембраны

Внешняя мембрана

Рис.3.7. Схема строения хлоропласта

ē

ē

Н+ОН¯

Н

Восстановитель
для темновой стадии

АТФ

          

АДФ
     +фосфат

    Н+                      Н+

          

4 ОН0       2Н2О + О2     

В атмосферу

Рис.3.8. Схема световой стадии фотосинтеза

Фотолиз воды

АТФ-синтетаза

+ + + + +             + + + + +

 Н+

Хл+

Мембрана

Фотон

Наружняя
мембрана

Внутренняя
мембрана

Рис.3.9. Схема строения
митохондрии

4Н++ О2        2Н2О     

ē

ē

АТФ

          

АДФ
     +фосфат

    Н+                      Н+

          

+ + + + + +            + + + + +

 Н+

ē

Рис.3.10. Схема  синтеза АТФ в митохондрии

Мембрана

АТФ-синтетаза

4RH

ē

4Н+

Рост клетки, редупликация ДНК

(интерфаза)

Расхождение хроматид (хромосом)

2n4c

2n2c

Рис.3.11.  Схема деления клетки митозом

2n2c

2n2c

Второе деление мейоза
(расхождение хроматид)

n 2c

n 2c

Рис.3.12.  Схема деления клетки мейозом

n c

n c

n c

n c

Первое деление мейоза

(расхождение гомологичных хромосом)

2n4c

Рис.3.13. Виды полового процесса

Изогамия

Анизогамия (гетерогамия)

Оогамия

F

F

F

                                       Вращающие

                                         моменты:

                  ц.т.                

                                     М0   =   0  (r1= 0 ,  вращение отсутствует)

                                     r2    М1   =   F r1  (вращение слабое, r1 < r2)

                                  М2   =   F r2   (вращение сильное)

       

                                Рис.4.1. Варианты вращения тела

             при действии силы на разные точки

r1

Плутон

Меркурий         Венера             Земля                    Марс     

Юпитер

Сатурн

Уран

Нептун

H2, 

СH4,

СO2,

N2 

H2O,

SO2,

H2S,

NH3,

HCl,

…

Образование
Земли

Белково-липидные системы

Углеводно-липидные системы

Белково-полинуклеотидные системы

Полинуклеотиды

Белковоподобные
полимеры

Химическая
эволюция

≈1 млрд лет

Пробионты

Биологическая
эволюция

++++ -  - + ++++++++++++++++++++++++++++

раздражитель

Мембрана

Окружающая среда

U, мВ

0

- 20

- 40

- 60

Рис.5.1. Схема формирования нервного импульса (а) и изменение во времени мембранного потенциала (б)

а)

б)

Цитоплазма

- - - + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -  

0,003 с

Тормозящие синапсы

Возбуждающие синапсы

Аксон

Рис. 5.2. Схема
строения нейрона

Дендриты

Исполнительный
орган (мышца)

Двигательный
нейрон

Чувствительный
нейрон

Рис. 5.3. Схема
безусловно-

рефлекторной
дуги

        

                  t 0 C

Раздражитель

Рецептор

Спинной
мозг

Рис.6.1. Пример не ориентированного (а)
и ориентированного (б) графа

1

2

3

4

5

2

1

4

3

5

а)

б)

2

1

2

1

2

1

2

1

2

а

б

Параметр Р2

Параметр Р1

Рис.7.1. Упрощенная двумерная графическая схема поведения самоорганизующейся диссипативной системы: 1, 2 – аттракторы;
а, б – точки бифуркаций

1

 S1

S2

S3

х1 

х2

х3

у1 

у2

Рис. 8.1. Схема кибернетической системы: х1, х2, х3 - входы;
у1,  у2  - выходы

3

У

Х

1

2

Рис. 8.2. Определение схемы управления системой по математической функции, устанавливающей зависимость выходного параметра у от входного параметра х

Вход

Управляемая
система

Управляющая система

Выход

Рис.8.3. Система с обратной связью

Популяция
волка

Рис.8.4. Регуляция численности популяций в биоценозе по принципу отрицательной обратной связи

Популяция
зайца

Элиминирую-щие факторы

Популяция

Использование
жизненных
ресурсов

Устойчивость
к вредным

факторам

Мутагенные факторы

Положительные обратные связи

Отрицательные обратные связи

Рис.8.5. Кибернетическая схема видообразования по И.И. Шмальгаузену

[40 с изменениями]

Рис. 9.1. Схема маршрута, при движении по которому необходимо получить 3 бита информации

Б

А

                                      n

                              I =  -∑  рi log2 рi ,                                      (9.5)
                                                               i=1

                                        n

                              Н =  -∑  рi log2 рi  .                                       (9.6)
                                                                  i=1

Экосистема

(биогеоценоз)

                                                Фотосинтез

6CO2 + 6H2O                                 C6H12O6 + 6O2

                                                 Дыхание

Рис.10.1. Взаимоотношения основных компонентов экосистемы

Абиотические факторы

Биота

(биогеоценоз)

Физические
факторы:
температура, давление, свет, сила тяжести …

Химические факторы

Продуценты
(автотрофы)

Консументы 
(гетеротрофы)

Фотоавтотрофы
(зелёные растения)

Хемоавтотрофы
(некоторые виды бактерий)

Макроконсументы
(многоклеточные
животные)

Микроконсументы-
- РЕДУЦЕНТЫ
(бактерии, грибы,
одноклеточные животные)

Минеральные
вещества:
Н2О, О2, СО2,
N2, NaCl,
СаSO4 …

Органические вещества
(детрит)

Биологические виды

Трофическая цепь

Трофическая сеть

Трофическая цепь

1
Растения

2

Растительноядные

3

Хищ-ники

4

Реду-центы

Трофические уровни

Рис. 10.2. Схема передачи энергии по трофическим уровням

Рис. 10.3. Диаграмма соотношения
           видов продукции:

ПАП – полная автотрофная продукция; ЧАП –  чистая автотрофная продукция;

  АД   –  автотрофное дыхание;

  ГД    –  гетеротрофное дыхание;

  ЧПС – чистая продукция сообщества

       АД        ГД    ЧПС

ЧАП

ПАП

Выход энергии

Потребление человеком

Затраты на восстановление природы

Рис. 10.4. Схема баланса потоков энергии в экосистеме

Вход энергии




1. Реферат на тему Словесна наочність в ораторському мистецтві ПОВТОР повторення того самого
2. Детский сад общеразвивающего вида 4 Солнышко ЗАТО ГО Светлый Саратовской области
3. Сибирский Класс судна- R2-R3 RSN Российского Морского Регистра судо.html
4. тема мови Фонеми завжди є елементами певної фонологічної системи тобто стверджувати що певна звукова один
5. С Новым годом друг
6. Смена деятельности как средство оптимизации функционального состояния
7. а зебра пустынная и зебра горная
8. Кормление нетелей и первотелок в зимний стойловый период
9. Тематика закордонного масмедійного матеріалу відносно українських новин
10.  Айсберги их распространение и катастрофическое влияние
11. Ульянов Владимир Ильич Ленин
12. Гражданское общество Гражданское общество это общество структурированное
13. Новая Экономическая Политика
14. Багряый закат бесчислеое множество глиняая посуда дискусиоый вопрос длиая очередь дровяой склад жур
15. Это связано с тем что правительственные долговые обязательства отличаются высокой ликвидностью и инвестор.html
16. Нет мы друг друга не поймем Нет нам не сговориться
17. на тему- Безопасность в сфере гостиничного хозяйства Выполнила ученица группы ГиМУ 24 Преобр
18. зеленая волна. С каждым днем все больше людей начинают понимать что ключ к здоровью у них под ногами
19. Юриспруденция квалификация ~ бакалавр Нижний Новгород 2
20. Радиопротекторы

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе