Биосфера как эволюционирующая система

Система представляет единство материального и идеального, в котором идеальное (информация) характеризует состояние материальной сферы, воспроизводящейся в процессе реализации программы (компактной записи внутренней информации на вещественных матрицах - пространственных и временных организаторах материальных и идеальных процессов в системе). Поскольку биосфера в едином пространстве-времени непрерывна, каждый отдельный момент времени является и входом в систему и выходом из нее, а разделение входа и выхода производится условно по направленности процессов. Выделяя такие динамические составляющие системы как вещество, энергия и информация, мы должны помнить о том, что это лишь разные аспекты одной и той же реальности - материальной системы, в данном случае - биосферы. Вещество - основной (в нашем представлении) вид материи, из которого формируются элементы (взаимодействующие комплементарные части) биосферы. Его разновидности: живое органическое, живое неорганическое, неживое органическое и неживое неорганическое. Информация - определенность состояний, отношений и взаимодействий системы и ее элементов, реализуемых в материальных процессах, но не являющихся материей. Программа - это особым образом организованная часть материи, которая будучи введена в определенную часть активированной материи, способную воспринимать ее, при соответствующих условиях разворачивается, направляя активность материи по определенному руслу. Энергия - общая количественная мера всех форм движения (включая и взаимодействия) элементов в системе и системы в целом.

Конкретизируем каждую из обозначенных составляющих живой системы на ее входе и выходе для биосферы.

Вещество. Биосферу мы рассматриваем как проявление вещественной формы жизни. Но, при строгом подходе, необходимо учитывать и другие виды материи, существующие в тех же пространственно-временных координатах, что и вещество биосферы. Искусственное сужение рамок рассмотрения связано с практически полным незнанием места поля, плазмы, вакуума, различных видов антиматерии в живой системе Земли. Источниками вещества для биосферы являются планетное и, в меньшей степени, космическое неживое вещество. А поскольку оно, в конечном счете, оказывается ограниченным, в плане доступности, для использования биосферой, то система непрерывно совершает работу по извлечению все новых порций неживого вещества, запускаемых в биогенный круговорот. Дискретность организации живого вещества биосферы делает возможным многократное повторное использование вещества уже вовлеченного в круговорот. Часть вещества биосферы, вследствие реализации концентрационной функции ее живого вещества, ускользает из вихревого потока. Но общая масса вещества "охваченного жизнью" в геологической истории непрерывно увеличивается и, прежде всего, за счет увеличения длительности его удержания в глобальном вещественном цикле биосферы созданием многочисленных внутренних циклов второго порядка, третьего - и т.д. Расширенное воспроизводство живого вещества биосферы идет неравномерно: с развитием дефицита доступного вещества, масса его в потоке стабилизируется, а "ценность" каждой отдельной порции для системы увеличивается; далее следует частичная реорганизация системы, позволяющая вовлекать в круговорот ранее недоступное вещество, естественно, с временным снижением его "ценности" для системы, а через некоторое время и этого вещества становится недостаточно для расширенного воспроизводства вещественных элементов биосферы.

Небольшая часть вещества, поступающего в биосферу из прежнего ее состояния - это вещество генетических матриц. И если динамику вещества, составляющего ценотически активные живые тела, еще можно представить в виде относительно четкой пульсации, где индивидуальные жизни разделены интервалами времени, то для вещества матриц вход в "новое" состояние системы начинается задолго до выхода из "старого" состояния.

Неживое вещество в биосфере представлено двумя разновидностями: абиогенным и биогенным. Каждое из них может быть органическим и неорганическим и существовать в различных фазовых состояниях: твердом, жидком и газообразном. Неживое вещество характеризуется сложным, но неравномерным по распределению набором химических элементов, большей частью - в виде солей и окислов и в меньшей степени - в виде простых молекул. Отдельные виды неживого вещества образуют относительно однородные массы значительной протяженности, в которых в виде примесей и включений присутствуют другие виды неживого вещества. Биогенное неживое вещество отличается от абиогенного большей неоднородностью из-за избирательного его накопления и выделения живым веществом. Биокристаллизация минералов сопровождается накоплением энергии, которая может быть выделена позже при метаморфических процессах, в то время как абиогенная кристаллизация непосредственно сопровождается выделением энергии в окружающую среду. Неживое вещество в целом характеризуется преобладанием структурной информации над тепловой информацией и ничтожно малым значением собственно информации.

В земной коре постоянно происходит перераспределение энергии с соответствующим перераспределением информации в результате геологических процессов: остывание ядра и конвекционные токи в мантии вызывают тектонические процессы, которые сводятся, большей частью, к увеличению амплитуды искривленности поверхности коры и, соответственно, накоплению в ней потенциальной энергии. Последняя высвобождается под воздействием перемещений масс воды и воздуха, движимых энергией солнечного излучения, тепловой и гравистатической энергией.

Для неживого вещества, входящего в конкретных видовых формах в биосферу, существенными характеристиками будут: твердость, плотность, растворимость, химический состав, теплоемкость, теплопроводность, влагоемкость, газоемкость, адсорбционная способность, растворяющая способность, текучесть, диффузионность, температура плавления и кипения, прозрачность, отражательная способность и некоторые другие.

Живое вещество биосферы включает как органическое, так и неорганическое и представлено относительно однородными видовыми формами, пространственно организованными в дискретные тела небольшой протяженности. Такие тела в пространстве-времени складываются в элементарные функциональные элементы биосферы - организмы. По общей направленности вещественно-энергетических процессов организмы принято разделять на фотоавтотрофные, хемоавтотрофные, фотогетеротрофные и хемогетеротрофные. Сочетание первого и последнего в одном организме обозначается как миксотрофность.

К автотрофам относят фотоавтотрофных и хемоавтотрофных прокариот (бактерии в широком смысле), фотоавтотрофных протистов (одноклеточные организмы) с клетками растительного типа и большую часть многоклеточных растений (включая водоросли). Они способны извлекать или улавливать, трансформировать, связывать и, при необходимости, освобождать энергию с общим смещением последовательности к способности связывать энергию, то есть накапливать ее в химических связях высокомолекулярных энергонасыщенных органических веществ, прежде всего, углеводов.

Группу гетеротрофов составляют фото- и хемогетеротрофные прокариоты, протисты с животным и грибным типами клеток, а также животные, грибы и небольшая часть растений (паразитные формы). Эти организмы способны извлекать, трансформировать, связывать и освобождать энергию с общим смещением к последнему, что сопряжено с окислением (анаэробным и аэробным) органических молекул. Сложные гетеротрофные организмы используют значительную часть энергии, извлекаемой из органики, для совершения работы и потому являются организаторами биосферы как системы в целом, определяют информационные процессы в ней. Существенно, что консументы-биотрофы первого трофического уровня, как правило, используют только избыток первичной продукции автотрофов. Предел изъятия биомассы продуцентов контролируется обратными связями и вторичными консументами, что обеспечивает устойчивое существование не только нисходящей, но также и восходящей части биогенного цикла.

В целом, на гетеротрофов выпадает роль ведущих организаторов глобального биогенного цикла и системной информации, в том числе и формирование новых уровней и форм записи информации. Биосферные блоки продуцентов, редуцентов, деструкторов и минералов относительно независимы, хотя в своем существовании и развитии подчинены единой биосферной информации. В каждом отдельно взятом фрагменте биосферы сложные гетеротрофы создают предпосылки для развития максимально сложных сообществ.

Свободноживущие (непаразитические) сложные гетеротрофы способны выполнять функцию ведущих организаторов, поскольку они имеют необходимые структуры для высвобождения энергии с совершением работы - источника новых состояний, связей, отношений при относительной независимости от источника вещества и энергии из-за прерывистого порционного их потребления. Полифункциональность этой группы организмов резко повышает, по сравнению с гетеротрофными прокариотами и протистами, их способность к формированию надорганизменных функциональных подразделений биосферы. Человек, при рассмотрении его с данной точки зрения, создает внешние усилители - экстраорганизменные меж- и надындивидуальные трансформаторы (рабочие органы, орудия труда), которые обеспечивают информационный взрыв в системе. При этом, информация уже не может быть полностью "записана" в биотических естественных носителях и с неизбежностью появляются искусственные, внетелесные носители информации и новые языки ее записи.

Энергия. Увеличение объема и качественной сложности информации имеют место только в открытых материальных системах, так как требуют притока энергии. Для биосферы основными источниками энергии являются Солнце, ядро Земли и энергонасыщенные химические соединения коры. Максимальные значения энергии, достигающей поверхности Земли, характерны для электромагнитного солнечного излучения. Первая проблема, которая должна решаться биосферой, это прием и преобразование электромагнитной энергии в формы, пригодные для удержания, передачи и последующего высвобождения с совершением работы. С этой, энергетической точки зрения, живые тела, все живое вещество можно представить в виде сети трансформаторов, конденсаторов, проводников и потребителей энергии, в которой происходит медленное, постепенное (в геологической истории) накопление свободной энергии из-за увеличения длительности удержания ее в системе, то есть - из-за увеличения промежутка времени между моментом входа энергии в систему и моментом выхода из нее. Понятно, что сказанное имеет отношение к энергии "усваиваемой", преобразуемой биосферой. Но энергия может быть и непреобразуемой как по качеству, так и по количеству. Непреобразуемая (и не преобразованная) энергия, поступающая в биосферу, легко теряется, часто успевая при этом совершать работу, большей частью разрушительную. Если разрушение структурных элементов биосферы сопровождается освобождением энергии в форме, адекватной той, что вызвала исходное разрушение, развивается автокаталитический процесс, приводящий систему в состояние с максимальной энтропией ("эффект пожара").

Биосфера связывает менее 1% солнечной энергии, достигающей поверхности планеты. Основная часть "усвоенной" энергии теряется в виде тепла, нагревающего, прежде всего, абиотическую составляющую биосферы, или неживую среду, усиливая тепловое движение ее частиц, а следовательно, увеличивая энтропию среды. Одновременно, в живом веществе происходит обратный процесс, сопровождающийся увеличением негэнтропии, что эквивалентно росту информации. Относительно большая доля свободной энергии живого вещества вносится в активной, направленно действующей форме (механической, химической, тепловой, электрической и др.) во внешнюю среду, свою для каждого уровня функционирования живого вещества, что, собственно, мы и называем реализацией взаимодействий, связей, отношений, или информационными процессами. Объем информации и количество свободной энергии в системе эквивалентны. Относительная же единица приращения информации требует прогрессивного роста энергетических затрат.

Программа. Включает всю совокупность дискретных генетических матриц, или исходный генофонд живого вещества, получаемый биосферой к абстрактно синхронизированному началу развития поколения ценотически активных особей всех видов живых организмов. Программы на каждый вид материального носителя информации (видовое живое вещество) конкретны и полиморфны. Полиморфизм, по характеру возникновения, включает нормальную и аномальную составляющие. Нормальная составляющая связана с комбинированием элементарных матриц, включая и горизонтальный перенос генов, а аномальная составляющая - с ошибками, возникающими при репликации матриц и с изменениями, вызываемыми прямым или опосредованным действием активной среды.

Реализация программы предполагает развертывание информации через материальные процессы в структуре ее носителей, поскольку информация собственно и определяется состоянием, взаимодействием и отношением носителей, объединяемых в функциональную подсистему некоторого уровня. В отрыве от нее информация не существует. Развитие ценотически активного поколения особей разнородного живого вещества завершается подготовкой нового "поколения" генетических матриц, откорректированных реализованными состояниями живых тел с учетом "усвоенной" внешней для них (а для биосферы - космической) информации. Матрицы реплицируются, размножаются в реализованных носителях: в ценотически пассивных частях активных тел (генеративных органах), состояниях или поколениях особей (генеративных или полоносных телах) организмов. Причем, репликация матриц сопровождается корректировкой, прежде всего, их регуляторных участков на основе "испытанной", "просеянной", упорядоченной и реорганизованной информации. Части особей или особи, в которых происходит тиражирование матриц-программ развития нового поколения организмов, имеют облигатную связь с ценотически активными частями или особями организмов через посредство единой внутренней среды особи, либо через часть активной цитоплазмы, заключающей дочерние матрицы, либо через развитый язык химической, электромагнитной, звуковой, механической или иной коммуникации (у сложных, т.н. "социальных" организмов).

Говоря о реализации генетической программы в носителе и через него, мы не должны понимать это только как построение тела организма. Прежде всего, реализация предполагает пространственное и временное упорядочение материальных процессов в соответствии с программой. Реализацию программы можно представить как спонтанный причинно-следственный ряд процессов и состояний, воспринимаемый нами в виде конкретных живых тел организмов или надорганизменных подразделений биосферы, взаимодействующих друг с другом и неживой средой.

Информация. Фактически, информация системы характеризует ее состояние в настоящем. Поэтому вход и выход в этой нематериальной сфере, будучи тождественными по содержанию, условно выносятся в обособленную область идеальных преобразований. На входе в биосферу информация представляет собой еще не реализованные в материальных элементах и процессах отношения между изменившимися, в результате предшествующего взаимодействия, элементами и средой. Основу обновленного состояния живого вещества представляет вся совокупность генетических матриц, передаваемых новому поколению организмов, но "подготовленных" прежним состоянием биоты. Неживая среда, трансформированная активным живым веществом, на информационном входе представлена совокупностью изменившихся условий, в которых на основе программы должны "разворачиваться" вещественно-энергетические процессы, выражающиеся в построении и функционировании ценотически активной составляющей живого вещества. Исходный дисбаланс программы и условий развивается в дисбаланс консервативного строения функциональных структур и радикальной динамики функций в пространственно-временной структуре биосферы (и ее подразделений). Непрерывные изменения, новообразования в состоянии биосферы оформляются в некоторую напряженность функционирования, или избыточность информации по отношению к материальному "оформлению" системы, что условно обозначим как "дефицит функции". Применительно к конкретной экосистеме, здесь можно говорить о наличии свободной экологической ниши и направленном потоке информации к организмам-элементам данной экосистемы. С течением времени ниша заполняется новым или видоизмененным старым функциональным элементом-видом и новообразованная функция реализуется. При этом структура системы усложняется, организованность усиливается, что характеризует рост объема ее информации.

Информация в биосфере растет не только количественно, но также и качественно. Периодически происходит реорганизация информации в направлении ее оптимизации, увеличения ценности, компактизации записи через формирование все более сложной иерархии структурных уровней биосферы.

Появление в экосистеме нового вида можно понимать как образование относительно завершенного устойчивого единства материальной и идеальной сторон в новообразованном элементе. Формирующиеся виды остаются длительное время функционально устойчивыми, но морфофизиологически мобильными. Функция не изменяется: она только варьирует по силе выражения. Форма же - изменчива, но не имеет силы выраженности. Индивидуальные изменения организмов в одном поколении и в ряду поколений носят компенсаторный характер и не являются причиной видообразования.

Избыточное размножение организмов традиционно считается необходимой предпосылкой естественного отбора. Но в этом явлении есть и другой аспект. Потоки вещества, энергии и информации не могут быть реализованы при устойчивой численности особей на всем протяжении жизни поколения. Часть видового живого вещества непрерывно направляется в пищевые цепи, часть особей, не успевая реализовать биогеоценотические функции, гибнет от случайных факторов, некоторые фенотипы элиминируются на начальных стадиях развития из-за генетических аномалий. По этим и другим причинам в устойчивой системе замещение поколений организмов обязательно сопровождается увеличением числа особей.

С избыточным численным воспроизводством поколений в видовых популяциях тесно связан вопрос о защитных приспособлениях. В основу современных представлений о них положен спорный подход: рассматривать такие приспособления "от организма". Рассмотрение же защитных приспособлений как системных признаков в их конкретных отношениях с биотической и абиотической средой позволяет оценить их значение и полнее, и точнее.

Традиционная трактовка допускает постоянное соревнование между "поедаемым" и "поедающим" в выработке защитных приспособлений и приспособлений для их преодоления. Но, согласно же теории отбора, это динамическое равновесие оказывается бессмысленным по результату, так как процесс взаимного приспособления не изменяет ни характера отношений во взаимодействующей паре, ни их эффективности: поедаемый все равно остается поедаемым. Но параллельное совершенствование определенных признаков во взаимодействующей паре приводит к ее относительному обособлению, с усилением связи между функциональными элементами-видами. В общей "хаотичной" пищевой паутине выделяется облигатный вещественно-энергетический канал, а смежные с ним, ранее равноценные, становятся второстепенными, факультативными. В итоге, вещественно-энергетические потоки в пищевой паутине сужаются, становятся более эффективными, отношения между функциональными элементами упорядочиваются, усиливается их определенность, информативность системы повышается. Следовательно, защитные приспособления не обеспечивают защиту вообще, но направлены против определенных по характеру и силе воздействий, то есть канализируют процессы в экосистеме.