Уровни организации живых систем

Уровни организации живых систем представляют собой некую упорядоченность, иерархическую систему, которая является одним из основных свойств живого, см. табл.

Таблица

Основная группа или ступень	Уровень
Биологическая микросистема	Молекулярный Клеточный
Биологическая мезосистема	Тканевый Органный Организменный
Биологическая макросистема	Популяционно-видовой Биоценотический Биосферный

Каждая живая система состоит из единиц подчиненных ей уровней организации и является единицей, входящей в состав живой системы, которой она подчинена. Например, организм состоит из клеток, являющихся живыми системами, и входит в состав недоорганизменных биосистем (популяций, биоценозов).

Существование жизни на всех уровнях подготавливается и определяется структурой низшего уровня:

· характер клеточного уровня организации определяется молекулярным;

· характер организменного – клеточным;

· популяционно-видовой – организменным и т.д.

1. Молекулярный уровень. Молекулярный уровень несет отдельные, хотя и существенные признаки жизни. На этом уровне обнаруживается удивительное однообразие дискретных единиц. Основу всех животных, растений и вирусов составляют 20 аминокислот и 4 одинаковых оснований, входящих в состав молекул нуклеиновых кислот. У всех организмов биологическая энергия запасается в виде богатой энергией аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Наследственная информация у всех заложена в молекулах дизоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), способной к саморепродукции. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК).

2. Клеточный уровень. Клетка является основной самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей, характерной для всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. В истории жизни на нашей планете был такой период (первая половина протерозойской эры ~ 2000 млн. лет назад), когда все организмы находились на этом уровне организации. Из таких организмов состояли все виды, биоценозы и биосфера в целом.

3. Тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Тканевый уровень возник вместе с появлением многоклеточных животных и растений, имеющих различающиеся между собой ткани. Большое сходство между всеми организмами сохраняется на тканевом уровне.

4. Органный уровень. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы. (Всего лишь шесть основных тканей входят в состав органов всех животных и шесть основных тканей образуют органы у растений).

5. Организменный уровень. На организменном уровне обнаруживается чрезвычайно большое многообразие форм. Разнообразие организмов, относящихся к разным видам, а также в пределах одного вида, объясняется не разнообразием дискретных единиц низшего порядка (клеток, тканей, органов), а усложнением их комбинаций, обеспечивающих качественные особенности организмов. В настоящее время на Земле обитает более миллиона видов животных и около полумиллиона видов растений. Каждый вид состоит из отдельных индивидуумов (организмы, особи), имеющих свои отличительные черты.

6. Популяционно-видовой уровень. Совокупность организмов одного вида, населяющих определенную территорию, составляет популяцию. Популяция – это недоорганизменная живая система, которая является элементарной единицей эволюционного процесса; в ней начинаются процессы видообразования. Популяция входит в состав биоценозов.

7. Биоценотический уровень. Биогеоценозы – исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций различных видов, связанных между собой и окружающей средой обменом веществ, энергии и информации. Они являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов.

8. Биосферный уровень. Совокупность биогеоценозов составляют: биосферу и обуславливают все процессы, протекающие в ней.

Таким образом, мы видим, что вопрос о структурных уровнях в биологии имеет некоторые особенности по сравнению с его рассмотрением в физике. Эта особенность состоит в том, что изучение каждого уровня организации в биологии ставит своей главной целью объяснение феномена жизни. Действительно, если в физике деление на структурные уровни материи в достаточной степени условно (критериями здесь являются масса и размеры), то уровни материи в биологии отличаются не столько размерами или уровнями сложности, но главным образом, закономерностями функционирования.

Действительно, если, например, исследователь изучил физико-химические свойства биологического объекта и его структуру, но не установил его биологического назначения в целостной системе, это будет означать, что изучен ещё один определенный объект, но не уровень живой материи.

Ещё одна особенность структуризации живой материи состоит в иерархической оподчиненности уровней. Это означает, что низшие уровни как единое целое входят в высшие. Эта концепция структуризации получила название «многоуровневой иерархической матрешки».

Важно отметить, также, что число выделяемых в биологии уровней зависит от глубины профессионального изучения мира живого.

Место человека в системе животного мира и антропогенез

Вопрос о происхождении человека имеет не только научное значение: с позиций эволюционной биологии или чисто зоологической точки зрения – это частный филогенетический вопрос. Здесь речь идет, с одной стороны, об огромном философском, мировоззренческом значении ответа на этот вопрос, а с другой – о возможности проследить, как закономерности биологической эволюции уступают место другим закономерностям, связанным уже с возникновением социальной формы движения материи.

Представления о естественном возникновении человека от обезьяноподобных существ в результате эволюции существовали еще в глубокой древности. Аристотель отмечал сходство высших обезьян с человеком, считая, что «обезьяна менее красива, чем лошадь, она больше похожа на человека». В начале I тысячелетия до н.э. в Индии существовали философские школы, которые отстаивали идея развития материального мира. В еще более древних текстах «Аюрвед» утверждается, что человек произошел от обезьян, живших около 18 млн. лет назад на материке, объединявшем Индостан и Юго-Восточную Азию. По этим представлениям, около 4 млн. лет назад предки современных людей перешли к коллективному добыванию пищи, а современный человек появился около 1 млн. лет назад (интересно, что эти представления не так уж далеки от современных). Карл Линней в первом издании своей «системы природы» в 1735 г. объединил человека и обезьян в один отряд и дал ему имя «приматы» (>лат. первые, главенствующие). Интересно, что Ж. Ламарк в 1809 г. изложил гипотезу происхождения человека от обезьян путем исторического развития организмов, но, боясь церкви, приписал буквально следующее: «Вот каким могло бы выглядеть происхождение человека, если б оно не было иным».

Надо заметить, что лишь в середине 20-го века католическая церковь была вынуждена признать естественное происхождение человека как биологического существа. В своей энциклике«Происхождение человека» (1950) римский папа Пий XII провозгласил: «Учение церкви не запрещает эволюционному учению в соответствии с состоянием человеческой науки и теологии быть предметом исследований... специалистов до тех пор, пока они проводят исследования о происхождении человеческого тела из уже существующей живой материи, несмотря на то, что католическая вера обязывает нас придерживаться взгляда, что души созданы непосредственно Богом». Т.е. спор здесь идет лишь о возможности возникновения души. Тем не менее, анализ формирования высшей нервной деятельности в ряду предковых и родственных человеку современных млекопитающих свидетельствует о том, что все проявления психической сферы также являются результатом естественно-исторических процессов.

Однако основную роль в доказательстве животного происхождения человека сыграла книга Ч. Дарвина «Происхождение человека и половой отбор» (1851), которая содержала огромное число систематизированных фактов из разных областей биологии. Ч. Дарвин подчеркивал при этом, что человекообразные обезьяны не могут рассматриваться как предки человека – они как бы наши «двоюродные братья». (К сожалению, это зачастую плохо усваивается людьми, далекими от биологии: риторический вопрос: «а что же они (т.е. обезьяны) сейчас-то в людей не превращаются?»).

Высшим обезьянам (например, шимпанзе) свойственна «человечность» бытового поведения на воле: они обнимаются при встречах, похлопывают друг друга по плечу или по спине, соприкасаются руками. В экспериментальных условиях обезьяны пытаются делать примитивные орудия (например, расщепляют острым камнем доску), обучаются и общаются с человеком на жестовом языке глухонемых, а также с помощью специального компьютера и т.п.

Важным аргументом в пользу теории антропогенеза оказалось установление имуннологического и биохимического родства человека с обезьянами. Человекообразные высшие обезьяны намного ближе к человеку, чем к низшим обезьянам по структуре лейкоцитов, генетическим особенностям. Так, у человека диплоидное число хромосом равно 46, а у человекообразных обезьян – 48, в то время как у низших обезьян это число колеблется в пределах от 54 до 78. Известны случая успешного переливания крови шимпанзе людям, имеющим соответствующую группу крови и наоборот. Для низших же обезьян кровь человека абсолютно чужеродна. Тонкие методы, основанные на определении аминокислотных последовательностей белков, показывают, что человек и шимпанзе отличаются на 1% аминокислотных замен. Многие белки человека и шимпанзе, например, гормон роста, взаимозаменяемы.

Тем не менее, анатомические отличия человека от антропоидов (высших обезьян) весьма значительны. И главные из них те, что обеспечивают человеку возможность полноценной трудовой деятельности и богатого речевого общения.

Говоря о месте человека в системе животного мира можно выразиться следующим образом: человек – один из видов млекопитающих, относящихся к отряду приматов, подотряду узконосых. Современные человекообразные обезьяны – шимпанзе, горилла, орангутанг, гиббоны – представляют формы, около 10-15 млн. лет назад уклонившиеся от линии развития, общей с человеком.

Эколого-эволюционные возможности человека

С возникновением человека как социального существа биологические факторы эволюции постепенно ослабляют свое действие и ведущее значение в развитии человечества приобретают социальные факторы. Рассмотрим изменение роли основных биологических факторов эволюции.

Естественный отбор как основная и направляющая сила эволюции с переходом материи на социальный уровень развития резко ослабляет свое действие, однако не исчезает совсем.

Изоляция как эволюционный фактор еще недавно играла заметную роль, однако с развитием средств массового перемещения людей на планете остается все меньше генетически изолированных групп.

Волны численности еще в недавнем прошлом играли заметную роль в истории человечества. Например, во время эпидемий холеры и чумы всего лишь несколько сотен лет назад население Европы сокращалось в десятки раз. Такое сокращение могло быть основой для рада случайных процессов изменения генофонда. Теперь численность человечества не подвержена таким колебаниям.

Мутационный процесс – единственный эволюционный фактор, сохраняющий прежнее значение, в человеческом обществе. Вновь возникающие мутации постоянно меняют генотипический состав населения отдельных районов. В последнее время мутационный процесс в ряде районов нашей планеты может несколько повышаться за счет локального химического и энергетического загрязнения биосферы. Создавая и поддерживая разнообразие, мутации, в то же время являются крайне опасными из-за ослабления естественного отбора. Рождение неполноценных детей, передача неполноценных генов – все это реальные опасности на современном этапе развития общества. Здесь человечество сталкивается с огромной нравственной проблемой. Единственный приемлемый выход видится в развитии генной инженерии, которая даст возможность исправлять поврежденные геномы.

Человечество изменятся и сейчас, причем особенно распространены процессы грацилизации и акселерации. Грацилизация – снижение общей массивности скелета – связана в основном с тем, что человек все меньше занимается физической работой. Параллельно идет процесс акселерации – ускорение развития всего организма. Теперь у грудных детей раньше удваивается масса. На год раньше, чем в прошлом веке, молочные зубы сменяются на постоянные. За последние 100 лет подростки 14 - 16 лет стали почти на 20 см выше. Все эти изменения идут параллельно у представителей разных рас. Сами же расы постепенно теряют характерные для них наборы признаков. Это объясняется тем, что все больше и больше людей как бы изолируется от внешней среды. Так сейчас более трети населения живут и работают в одинаковых условиях при «комнатной» температуре. В таких условиях расовые признаки перестают быть адаптивными, и отбор практически не действует.

Биосоциальные основы поведения

Этот вопрос в сущности, сводится к следующему: рождается ли человек «безморальным», и только воспитание прививает ему принципы морали, или же человек появляется на свет с каким-то набором врожденных чувств и представлений о том, что хорошо, и что плохо. Нельзя сводить целиком человеческую мораль к врожденным программам (редукционизм), поскольку она продукт длительного социального развития, культуры (в том числе – религии), однако следует признать, что многие признаки, присущие человеку, генетически обусловлены. Эти поведенческие признаки рассматриваются в настоящее время с позиций биоэтики.

Биоэтика, или сложные поведенческие программы, присущие животному миру, рассматриваются как естественное обоснование человеческой морали. Поведение животных рассматривается в рамках специальной науки – этологии. Этологи открыли у животных большой набор инстинктивных запретов, необходимых и полезных в общении с сородичами.

Впервые глубокий анализ поведенческих программ животных провел в своей книге «Агрессия» выдающийся австрийский этолог Конрад Лоренц. К. Лоренц рассматривает мораль животных как создание естественным образом врожденного запрета выполнять обычные программы поведения в определенных случаях, возникающих при общении с себе подобными. То есть в тех случаях, когда проявление инстинкта может оказаться вредным, вводится в действие механизм его торможения. Интересно, что аналогичным образом происходит и культурно-историческое развитие человеческого общества. Действительно, важнейшие требования моральных заповедей в большинстве своем не предписания, а запреты.

Врожденные запреты создаются под жестоким давлением отбора ради выполнения задачи сохранения вида. К важнейшим из таких запретов относятся следующие:

1) «не убей своего»,

2) «нельзя нападать неожиданно и сзади, без предупреждения и без проверки» – этот запрет непосредственно вытекает из предыдущего;

3) у хорошо вооруженных природой животных есть запреты применять смертоносное оружие или убийственный прием в драке со своими (у «слабо вооруженных природой» существ, к которым относится и человек, этот врожденный запрет развит плохо).

4) «нельзя бить того, кто принял позу покорности» – этот запрет также более всего выражен у сильно вооруженных животных (в основном хищников). Более слабое, проигравшее в схватке животное останавливает победителя, подставляя ему самое уязвимое место. (Сходная ситуация встречается у людей – «на бей!»).

5) «победа с тем, кто прав»; животное, защищающее свою территорию, свою нору, самку, детенышей, чаще выигрывает в конфликте даже у более сильного и агрессивного соперника. Это происходит не только потому, что противник заранее психически ослаблен. Его агрессивность также сдерживается запретом. Аналоги этого запрета в человеческом обществе – неприкосновенность жилища, личной жизни и имущества.

Разумеется, у животных возможны и сбои, поломки этого врожденного механизма. Такое животное, по существу, «выродок» становится опасным для своих сородичей.

К. Лоренц пишет, что можно лишь пожалеть, что человек не имеет «натуры хищника», поскольку большая часть опасностей, которые ему угрожают, происходят от того, что по натуре он сравнительно безобидное и всеядное существо, и у него нет естественного оружия, принадлежащего его телу, которым он мог бы убить крупное животное. Именно поэтому у него нет и тех механизмов безопасности, возникших в процессе эволюции, которые удерживают сильных животных от применения оружия против сородичей.

Биосфера и место человека в биосфере

Термин «биосфера» появился в науке в 1875 г., однако первые представления о биосфере складывались уже в начале 19 в. Эти первые представления были, в частности, отражены в работе «Гидрология» Ж.Б. Ламарка (1802). Не пользуясь понятием «биосфера, он писал, что «все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов». В 1826 г. немецкий ученый Гумбольдт ввел понятие «жизненная среда», понимая под этим оболочку Земли, куда включал атмосферные, морские и континентальные процессы и весь органический мир. Так в науке формировалось понятие пространства, охватываемого жизнью и ей же создаваемого. Геолог Э. Зюсс назвал это пространство «биосферой». Впоследствии понятие биосферы разрабатывалось разными исследователями. Считается, что наиболее полно концепция биосферы разработана в трудах отечественного естествоиспытатели и философа В.И. Вернадского (1863-1945). В 1926 г. вышла его работа «Биосфера», в котором ученый изложил свое учение о «живом веществе» и его геологических функциях. Суть его учения заключается в следующем:

биосфера – это целостная организованная система живого вещества;

все явления в ней – часть единого механизма биосферы;

живое вещество – это то звено, которое соединяет историю химических элементов с эволюцией организмов и человека и с эволюцией всей биосферы.

Биосфера сыграла определяющую роль в возникновении атмосферы, гидросферы и литосферы. Биосфера представляет собой единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Биосфера в своем естественном состоянии – это монолит жизни.

Органическая жизнь сосредоточена в литосфере (верхняя часть твердой поверхности земной коры), в гидросфере (моря, реки, озера и Мировой океан), а также в тропосфере (нижние слои атмосферы).

Нижняя граница биосферы опускается на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана, а верхней служит так называемый озоновый экран на высоте 20-25 км, выше которого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца убивает все живое. Человеческое общество с его производством и созданной им искусственной средой – техносферой также является частью биосферы. Суммарная биомасса живых организмов Земли оценивается примерно в 2,4×10¹² т, причем основная ее часть (более 99%) образована наземными животными, растениями и организмами. Биомасса организмов океана ничтожно мала по сравнению с биомассой наземных организмов.

Жизнь распространена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных условиях принимает вид относительно независимых комплексов – биогеоценозов или экосистем. Живая часть биогеоценоза носит название биоценоза.

Разнообразные процессы и явления, протекающие в биосфере, являются объектом исследований различных наук. Особое место при этом отводится экологии. Э.Геккель, впервые применивший этот термин (< греч. ойкос – дом, жилище, логос – наука) определил экологию как «..познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая непременно антагонистические и неантагонистические взаимоотношения животных и растений, контактирующих друг с другом. Одним словом, экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование». В результате деятельности человека экология, дифференцируясь на множество самостоятельных наук, все больше приобретает политический и социальный оттенок, включая в себя вопросы права, экономики, социологии, технологии и др.

Связи между компонентами биосферы. Биосфера выполняет свои функции благодаря многосторонним трофико-метаболическим (т.е. обменным) связям. Все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов.

Понятие о трофической цепи. Живые организмы, входящие в состав биоценоза, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии из ОС. Поскольку растения не нуждаются в других живых посредниках для строительства своего организма, их называют автотрофами (самопитающимися). Поскольку они, используя энергию солнечного света, создают органическое вещество из неорганического, их называют производителями, или продуцентами. Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, вынуждены использовать созданное автотрофами, употребляя их в пищу. их называют поэтому гетеротрофами, что означает «питаемый другими» или консументами (потребителями).

Травоядные животные - консументы 1-го порядка поедают растения – продуценты, первичные хищники – консументы 2-го порядка поедают травоядных, вторичные хищники – консументы 3-го порядка поедают хищников – консументов 2-го порядка и консументов 1-го порядка. Таким образом, создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов. И продуценты и консументы на разных этапах своего жизненного цикла смыкаются с редуцентами, или деструкторами (т.е. разрушителями): микроорганизмами, бактериями, грибами. Редуценты разлагают выделения животных, микроорганизмов, мертвые организмы и минерализуют их до воды, СО₂ и минеральных удобрений. Таким образом, в сообществе живых организмов от звена к звену циркулируют питательные вещества и энергия (см. рис. 1).

Экологические факторы. Среда, окружающая живые организмы, т.е. материальные тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях, характеризуется огромным разнообразием. Это многообразие элементов, явлений, условий рассматриваются в качестве экологических факторов.

Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз индивидуального развития. Организм, в свою очередь, реагирует на экологический фактор специфичными приспособительными реакциями. Экологические факторы подразделяются на две категории: факторы неживой природы (абиотические) и факторы живой природы (биотические).

(Существуют и другие классификации экологических факторов, например, зависящие от численности тех или иных организмов и не зависящие, постоянно действующие или периодические).

Абиотические факторы. Абиотические факторы могут быть классифицированы следующим образом:

климатические: солнечный свет, температура, влага, скорость движения воздуха, давление;

химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов;

эдафогенные, или почвенные: механический состав почв, влагоемкость, плотность, воздухопроницаемость;

орографические (< греч. гора): высота над уровнем соря, рельеф, экспозиция склона.

Биотические факторы. Под биотическими факторами понимают совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие. Они могут быть, в свою очередь, подразделены на

фитогенные: влияние растительных организмов;

зоогенные: влияние животных организмов;

микробиогенные: вирусы, простейшие, бактерии;

антропогенные: деятельность человека.

Растения создают первичное органическое вещество на Земле и, следовательно, представляют собой пищу для всех иных живых организмов. Любой вид животных обладает четкой избирательностью к составу пищи. Среди животных есть виды, которые могут питаться одним видом растений или животных (монофаги) и многими видами (полифаги).

Типы взаимоотношений между животными весьма разнообразны. Можно назвать некоторые из них.

1. «Хищник – жертва», т.е. непосредственное преследование и пожирание одних видов другими.

2. Комменсализм - взаимоотношение, когда один вид питается остатками пищи другого.

3. Синойкия – использование одними животными нор и гнезд других.

4. Нейтрализм – взаимонезависимость совместно обитающих видов.

5. Протокооперация – совместное гнездование нескольких видов птиц, способствующее защите от хищников.

6. Интерференция – ненамеренное подавление одного вида другим.

Лимитирующие факторы. В 1840 г. химик – органик Ю. Либих (1803-1873) выдвинул теорию минерального питания растений, в которой утверждается, что развитие растений зависит не только от тех химических элементов или веществ (факторов), которые присутствуют в достаточном для организма количестве, но и от тех, которых не хватает. Например, избыток воды или азота не заменяет недостатка бора или железа, которые обычно присутствуют в почве в малых количествах. Либих сформулировал «закон минимума» (называемый также «законом Либиха»), согласно которому необходимо увеличивать содержание в почве минерального вещества, находящегося в минимальном количестве. Разумеется, закон Либиха справедлив не только для растений.

Спустя 70 лет американский ученый В.Шелфорд доказал, что не только вещество или какой-либо другой фактор (например, температура, давление и т.п.), присутствующее в минимуме, может определять урожай или жизнеспособность организма, но и избыток какого-то элемента может приводить к нежелательным последствиям. Например, многие животные и растения могут поддерживать жизнедеятельность лишь в некотором узком диапазоне рН. Согласно В.Шелфорду, факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке по отношению к оптимальным требованиям организма, называются лимитирующими, а соответствующее правило получило название «закона лимитирующего фактора», или «закона толерантности» (толерантность = терпимость).

Экологическая ниша. Любой живой организм адаптирован к определенным условиям окружающей среды. Требования того или иного организма к факторам среды обуславливают границы его распространения (ареал) и место, занимаемое в экосистеме. Совокупность множества параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида и его функциональных характеристик (преобразование им вещества и энергии, обмен информацией со средой и с себе подобными и др.) представляет собой экологическую нишу. Таким образом, экологическая ниша включает не только положение вида в пространстве, но и его функциональную роль в сообществе (например, трофический уровень) и его положение относительно абиотических факторов (температура, влажность и т.п.). Определить экологическую нишу какого-либо вида, по образному выражению, означает сказать: где он живет, как он живет, кого он ест и кто его ест.

В настоящее время одним из важнейших биотических факторов является антропогенный фактор.

Антропогенный фактор и глобальные экологические проблемы

Человек появился в ходе эволюции биосферы. Он – ее элемент. Появление разума, по-видимому, закономерный этап в развитии живой материи, коренной перелом в ее эволюции, ибо она получила способность мыслить и познавать себя. Все необходимое для жизни человек получает из биосферы. Туда же он сбрасывает бытовые и промышленные отходы. Долгое время Природа справлялась с теми нарушениями, которые человек вносил в ее деятельность, и сохраняла равновесие. В настоящее время деятельность человека стала соизмеримой с силами Природы и она уже не способна выдерживать напор преобразующей деятельности человека. Это приводит к формированию глобального экологического кризиса, сопровождающегося обострением так называемых глобальных экологических проблем, к которым относятся проблема народонаселения («демографический взрыв»), изменение состава атмосферы и климата, изменение состояния водных систем, истощение природных ресурсов. Рассмотрим эти проблемы подробнее.

1. Рост народонаселения. Сейчас на Земле – 5,5 млрд. человек. В 20-м веке темп роста народонаселения резко увеличился и только за последние 40 лет человечество выросло более чем в два раза. Если рассматривать темы роста человечества за всю его историю, то четко прослеживается экспоненциальный характер зависимости численности населения от времени (см. рис.3). В настоящее время появились тенденции к сокращению темпа роста населения (пунктирная кривая), однако он все еще продолжает оставаться высоким. По прогнозам демографов, к 2025 г. на Земле будет от 7,6 до 9,4 млрд. человек. Основная доля прироста населения приходится и будет приходится на развивающиеся страны. такой рост населения приведет к еще большему давлению человечества на ОС и, по-видимому, еще больше обострит существующие на сегодняшний день экологические проблемы. Дело в том, что у всех живых организмов существуют пределы роста, обусловленные т.н. экологической емкостью территорий, и человек не является исключением. Каковы эти пределы для человека? К настоящему времени разработаны так называемые ресурсная и биосферная модель мировой системы. По ресурсной модели население Земли не должно превышать 7,0 –7,5 млрд. человек, а по биосферной – 10 млрд.

2. Изменение состава атмосферы. На первом месте среди загрязнителей атмосферы стоит энергетика (80). Энергетика – основа цивилизации и без производства достаточного количества энергии человечество не сможет существовать и развиваться. Сегодня главный производитель энергии – теплоэлектростанции (ТЭС), их доля в общем производстве энергии составляет около 63%. Доля ГЭС составляет около 20%, доля АЭС – около 17%. Существенную роль в загрязнении атмосферы играет транспорт и выбросы промышленных предприятий. Вносят свою лепту и лесные пожары, до 95% которых обусловлено человеческой неосторожностью. Загрязнение атмосферы, в свою очередь порождает такие проблемы, как парниковый эффект и потепление климата, истощение озонового слоя, закисление природных сред.

Парниковый эффект. Ежегодно в атмосферу выбрасывается 1,5 млрд. т аэрозолей (пыль, дым, туман), миллиарды тонн СО₂ и СО. Углекислый газ пропускает к Земле тепло Солнца, но хуже пропускает в космос тепло Земли. Аналогично влияние метана, который также выбрасывается в атмосферу. Результат – повышение температуры на Земле (потепление). За последние 100 лет оно составило 0,5 – 0,6^оС. Это приводит к усилению процессов опустынивания и повышению уровня Мирового океана.

Закисление природных сред. Выбрасываемые в атмосферу диоксиды серы и азота доокисляются в атмосфере и, растворяясь в воде, образуют серную и азотную кислоты, выпадая затем на землю с дождем, снегом, туманом. Кислотные дожди губительны для растений, лесов и рыбных водоемов. Попадая на почву, они вызывают повышение ее кислотности, что нарушает жизнедеятельность микроорганизмов.

Истощение озонового слоя. Как было сказано ранее, озоновый слой находится на высоте 20 – 25 км над поверхностью Земли и защищает нас от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. В последние годы наблюдается циклический процесс снижения концентрации озона в приполярных областях (вначале над Антарктидой, а затем и в северном полушарии). Это явление получило название «озоновых дыр». Оно носит сезонный характер, до сих пор нет четкого описания его механизма. Главными «виновниками» разрушения озонового слоя на сегодняшний день считаются хлорфторуглероды (ХФУ), которые используются в холодильной промышленности (фреон) и в производстве аэрозолей. Они разлагаются с выделением атомов хлора, которые ускоряют превращение озона в молекулярный кислород О₂.

Истощение ресурсов. Среди разнообразных ресурсов нашей планеты в рамках этой лекции отметим леса – одно из величайших богатств Земли. На протяжении последних 50 лет наблюдается уменьшение площади лесов на 1-2% ежегодно, а за последние 200 лет их количество уменьшилось вдвое. Особенно быстро идет разрушение тропических лесов, в которых сосредоточено до 60% существующих видов растений и животных. Этот процесс чрезвычайно опасен еще и потому, что тропические леса Амазонки, Юго-Восточной Азии, а также леса Сибири называют легкими планеты – настолько велик их вклад в образование атмосферного кислорода.

Истощение грозит и водным ресурсам планеты. Потребление воды постоянно растет, однако использование и охрана водных ресурсов далеки от оптимальных решений. Так, большой отбор воды на орошение из рек Средней Азии привел к катастрофе Аральского моря. Соль со дна высохшего моря разносится ветром на сотни километров, вызывая засоление почв. За последние годы высохли сотни естественных водоемов Приаралья. Подобные проблемы существуют и на других территориях. Беспокойство вызывает загрязнение водоемов сточными водами – отходами промышленных предприятий. Из-за аварий танкеров и нефтепроводов в ОС ежегодно попадает более 5 млн. тонн нефти. Нефтяные пленки, кроме прямого вреда, замедляют обмен гидросферы и атмосферы, что приводит к гибели жизни в океане.

Несовершенство сельскохозяйственной технологии ведет к сокращению площадей плодородных земель. Распаханный плодородный слой смывается сточными водами и сильно развеивается ветром, если вспашка произведена с переворотом пласта. Распашка обширных степных земель в СССР и США стала причиной пыльных бурь и гибели миллионов гектаров плодородных земель.

Огромные отрицательные последствия для ОС связаны с военной активностью. Здесь сказывается разрушительное влияние как непосредственно военных действий, так и гонки вооружений, сопряженной с изготовлением и хранением химически, биологически и энергетически опасных веществ.

В этих условиях биосфера стала утрачивать свои компенсационные свойства и не успевает залечивать раны, наносимые ей. Выход из экологического кризиса видится в реализации понятия «ноосфера», введенного В.И. Вернадским для обозначения биосферы, преобразованной трудом человека и измененной научной мыслью. Главные компоненты ноосферы – это человечество, производство и Природа, составляющие единую систему, так как человечество не может отказаться от научно-технического прогресса и вернуться в первобытное состояние. Общий подход к решению экологических проблем – достижение сбалансированного развития человечества путем реализации программ по предотвращению экологических катастроф. к таким программам можно отнести сдерживание роста населения, развитие новых малоотходных технологий производства, поиск новых, более «чистых» источников энергии и т.п.

Концепция самоорганизации в науке

Концепция самоорганизации в настоящее время приобретает все большее значения, становясь парадигмой исследования обширного класса систем и процессов, происходящих в них. В 70-х годах 20-го века возникла новая наука – синергетика, механизмы самоорганизации и развития. Областью ее исследований является изучение эволюции различных структур, относительная устойчивость которых поддерживается благодаря притоку энергии и вещества извне. В основе синергетики лежит, среди прочих, важное утверждение о том, что материальные системы могут быть закрытыми и закрытыми, равновесными и неравновесными, устойчивыми и неустойчивыми, линейными и нелинейными, статическими и динамическими. Принципиальная же возможность процессов самоорганизации обусловлена тем, что в целом все живые и неживые, природные и общественные системы являются открытыми, неравновесными, нелинейными.

Возникновение синергетики связано, в основном, с именами И. Пригожина - бельгийского физика и химика И.Пригожина, лауреата Нобелевской премии 1977 г., немецкого физика Г.Хакена, другого немецкого ученого М. Эйгена (вспомним его гиперциклы), а также наших отечественных ученых Б. Белоусова и Жаботинского.

И.Пригожин, разрабатывая современную термодинамику необратимых процессов (неравновесную термодинамику) открыл явление образования упорядоченных структур из хаотического, неупорядоченного состояния системы, т.е. самоорганизацию и сформулировал теорему о минимуме производства энтропии в стационарном неравновесном состоянии. К своим идеям он пришел, анализируя специфические химические реакции, которые впервые экспериментально были изучены Б. Белоусовым и А. Жаботинским. И. Пригожин со своими сотрудниками И.Стенгерс, Г.Николисом построили математическую модель таких реакций, а также показали, что в сильно неравновесных условиях может совершаться переход от беспорядка, теплового хаоса к порядку, организованности.

Г. Хакен, изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с греческого означает совместное действие, или взаимодействие, и хорошо передает смысл и цель нового подхода к изучению явлений.

М.Эйген доказал, что открытый Ч. Дарвином принцип отбора справедлив и на микроуровне, а генезиз (происхождение жизни есть результат процесса отбора, происходящего на молекулярном уровне. Он показал, что сложные органические структуры с адаптационными характеристиками возникают благодаря эволюционному процессу отбора на основе автокатализа.

Основные понятия и принципы синергетики

Порядок и хаос. В результате протекания процессов в изолированных системах сами системы переходят в состояние равновесия, которое соответствует максимальному беспорядку системы – равновесный тепловой хаос. Таким образом, самоорганизация, или эволюция в случае замкнутой системы приводит ее в состояние максимального беспорядка. В реальности, тем не менее, часто наблюдаются совершенно противоположные явления.

Уже теория Канта и Лапласа об образовании упорядоченной Солнечной системы из хаотических туманностей противоречила II началу термодинамики. Но особенно ярко проявилось противоречие II начала термодинамики с эволюционной теорией Дарвина. Ведь согласно ей, в мире живого естественно протекающие процессы ведут к усложнению форм и структур, к увеличению порядка, избавлению от хаоса и удалению от равновесия. Другими словами, самоорганизация в живой природе приводит систему к прямо противоположному состоянию, чем самоорганизация в неживых системах. Все это привело к появлению понятия открытой системы, которое и позволило устранить упомянутые противоречия.

Открытость систем. Такие понятия как изолированная (закрытая) система, необратимые процессы являются идеализацией. При изучении обратимых процессов (например, качание маятника в вакууме при отсутствии трения) нет смысла говорить о направлении течения времени, т.к. прошлое, настоящее и будущее в этом случае не отличаются. Поэтому в уравнениях обратимых процессов время выступает всего лишь как параметр, который можно изменять. Но в реальности в случае с маятником всегда присутствует трение, колебания маятника будут затухающими, и прошлое, настоящее и будущее будут уже отличаться. Ранее уже говорилось о том, что необратимых процессов в живой природе эволюционным принципом стало II начало термодинамики, утверждающее, что энтропия изолированной системы возрастает. Именно рост энтропии устанавливает направление протекания процесса, т.е. «стрелу времени».

В своей книге «Что такое жизнь» выдающийся австрийский физик Э. Шредингер указал на то, что средство, при помощи которого организм поддерживает себя на достаточно высоком уровне упорядоченности, т.е. на достаточно низком уровне энтропии, в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды. Другими словами, организм извлекает из окружающей среды негэнтропию. Открытая система заимствует энергию и вещество из окружающей его среды и одновременно выводит в окружающую среду отработанное вещество и отработанную энергию. Вырабатывая и заимствуя энергию, о ткрытая система производит энтропию, но она не накапливается в ней, а выводится в окружающую среду. С поступлением энергии и вещества в открытую систему ее неравновесность возрастает, разрушаются прежние связи между элементами и возникают новые, которые приводят к новой структуре, новым кооперативным процессам, т.е. к коллективному поведению ее элементов.

Нелинейность. Сложные системы являются нелинейными. Для их описания используются нелинейные математические уравнения, т.е. уравнения, в которых искомые величины входят в степенях больше единицы, в составе математических функций (тригонометрических, логарифмических и т.п.) или коэффициенты зависят от свойств среды и особенностей протекания процесса. Нелинейные уравнения могут иметь несколько качественно различных решений. Физически это означает возможность различных путей эволюции системы.

Диссипативность. Великий русский математик А.М.Ляпунов разработал общую теорию устойчивости состояний систем. Очень кратко ее идею можно выразить следующим образом. Устойчивые состояния систем не теряют своей устойчивости при флуктуациях физических параметров, поскольку система за счет внутренних взаимодействий способна погасить возникающие флуктуации. Неустойчивые системы, наоборот, при возникновении флуктуаций способны усиливать их, и, в результате такого нарастания амплитуд возмущений система уходит из стационарного состояния. Критерием эволюции при этом является величина (dS/dt) < 0, которая указывает направление развития физической системы к устойчивому стационарному состоянию. Эти процессы происходят достаточно медленно, поэтому на каждом этапе как бы достигается равновесие. Величина прироста энтропии за единицу времени в единице объема называется функцией диссипации, а системы, в которых функция диссипации отлична от нуля, называются диссипативными. В таких системах энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного движения и, в конечном счете, в тепло. Практически все системы являются таковыми, поскольку трение и прочие силы сопротивления приводят к диссипации энергии (диссипация < лат. dissipatio – разгонять, рассеивать).

При определенных условиях суммарное уменьшение энтропии за счет обмена потоками с внешней средой может превысить ее внутреннее производство. Тогда неупорядоченное однородное состояние системы может потерять устойчивость. В ней возникают и могут возрасти до макроскопического уровня т.н. крупномасштабные флуктуации. При этом из хаоса могут возникнуть структуры, которые последовательно начнут переходить во все более упорядоченные. Образование этих структур происходит не из-за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы, поэтому это явление и получило название самоорганизации. При этом энтропия, отнесенная к тому же значению энергии, убывает. Пригожин назвал упорядоченные образования, возникающие в диссипативных системах в ходе неравновесных необратимых процессов, диссипативными структурами.

На макроуровне диссипативность проявляется как хаос. На микроуровне хаос – это не разрушающий фактор, а сила, выводящая систему путь образования новых структур.

Бифуркации. Выше было сказано, что нелинейная система уравнений, которой описывается практически любая реальная сложная система, имеет не одно, а подчас целый спектр решений. Ответвления от известного решения появляются при изменении значения параметров системы. Поэтому мы введем здесь еще одно понятие - управляющие параметры (параметры порядка). Изменения управляющих параметров способны вызвать катастрофические, т.е. большие скачки переменных системы, и эти скачки осуществляются практически мгновенно.

Усложнение структуры и поведения системы тесно связано с появлением новых путей решения в результате бифуркаций. В сильно неравновесных условиях процессы самоорганизации соответствуют «тонкому взаимодействию» между случайностью и необходимостью, флуктуациями и детерминистскими законами. Вблизи бифуркаций, т.е. резких, «взрывных» изменений системы, основную роль играют флуктуации или случайные элементы, тогда как в интервалах между бифуркациями преобладает детерминизм. Ситуацию, возникающую после воздействия флуктуации на систему и возникновения новой структуры, И. Пригожин назвал порядком через флуктуацию или «порядком из хаоса». Флуктуации могут усиливаться в процессе эволюции системы или затухать, что зависит от эффективности «канала связи» между системой и внешним миром.