Учебное пособие Москва, 2007 удк 50 Утверждено Ученым советом мгупи
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие уфа-2007 удк 330. 01 (075. 8) Ббк 65. 02., 836.31kb.
- Утверждено Ученым Советом факультета психологии Санкт-Петербургского госуниверситета, 618.84kb.
- Учебное пособие для вузов Составитель Т. А. Тернова, 165.31kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2007 удк алексеева С. Ф., Большаков В. И. Информационные, 1372.56kb.
- Учебное пособие Кемерово 2007 удк, 1748.31kb.
- Учебное пособие Казань кгту 2007 удк 31 (075) 502/ 504 ббк 60., 1553.23kb.
- Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим советом угаэс уфа-2005 удк 330., 1365.17kb.
- Учебное пособие Москва Издательство Российского университета дружбы народов удк 811., 4061.47kb.
- М. К. Аммосова Институт физической культуры и спорта рабочая программа, 137.47kb.
- Базовый курс Учебное пособие Третье издание, исправленное и дополненное Томск 2007, 1615.15kb.
Лекция 21
Космические и биологические циклы
1. Космические циклы и их влияние на земные процессы.
Циклическим называется процесс, при котором состояние какой-либо систем воспроизводится (точно или частично) с определённой периодичностью. Ритм – повторение одного и того же события или воспроизведение одного и того же состояния через равные промежутки времени (в действительности состояние повторяется не тождественно). На земные процессы огромное влияние оказывают разнообразные периодические процессы космического масштаба. Например, сложные периодические движения Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, движения планет относительно друг друга, движение Луны вокруг Земли порождают такие георитмы как смена дня и ночи, времён года, приливные явления и др. Изучается влияние на георитмику обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики с периодом около 250 млн. лет. Особое воздействие на Землю оказывает цикличность солнечной активности.
Понять и оценить масштабы влияния космоса на земные процессы пытались русские учёные и философы начала 20 в. - представители так называемого русского космизма, в частности К.Э. Циолковский. Идеи о солнечно-земных связях развил выдающийся учёный-энциклопедист А.Л. Чижевский в работах «Физические факторы исторического процесса», «Земное эхо солнечных бурь» и др. Цикличность активности Солнца (вспышки, пятна, факелы, протуберанцы) порождает электромагнитные и другие колебательные процессы в мировом пространстве. Путём кропотливых исследований по астрономии, биологии, истории Чижевский пришёл к выводу о существенном влиянии Солнца не только на геологические и биологические процессы, но и на социальные (в частности, он исследовал синхронность образования солнечных пятен и активизацию боевых действий на фронтах Первой мировой войны). Статистический материал по истории человечества и его математическая обработка позволили ему привести строгие научные доказательства своей теории. Его труд высоко оценил Циолковский, который особо подчеркнул в нём слияние различных наук на почве физико-математического анализа.
В наши дни идеи Чижевского продолжают развиваться. Многочисленные наблюдения показывают неоспоримую зависимость многих процессов в биосфере от активности Солнца, в частности массовые всплески нервно-психических и сердечно-сосудистых заболеваний у людей, колебания численность популяций, урожайности сельскохозяйственных культур, проявлений общественной активности. Разрабатываются теории цикличности таких глобальных процессов как смена магнитных полюсов Земли, чередование периодов оледенения и т.д., в которых учитывается и солнечная активность, и автоколебательные процессы на Земле. Эти вопросы представляют собой поле междисциплинарных, системных исследований, результаты которых важны для прогнозирования всевозможных глобальных изменений.
2. Биологические ритмы живого организма.
В живой природе наблюдается огромное число циклических процессов – дыхание, сердцебиение, ходьба и многое другое. Ритм является необходимой принадлежностью трудовой деятельности человека, причём ритмическая работа позволяет экономно расходовать силы, добиваться высокой производительности труда путём правильного чередования работы и отдыха.
Живые системы характеризуются суточными (циркадианными) и сезонными ритмами, синхронными с колебаниями средовых факторов. Эти ритмы обеспечивают согласование жизнедеятельности с периодическим изменением условий окружающей среды. Существуют такие биологические ритмы, которые не имеют аналогов в окружающей среде, т.е. их динамика не соответствует особенностям средовых факторов. Эти ритмы порождают некоторое неравновесие, конфликт между организмом и средой. Но именно это, по мнению биологов и физиологов, позволяет активно тренировать механизмы адаптации. Без такой тренировки, т.е. постоянно находясь в застабилизированном состоянии или в комфортных условиях, организм постепенно деградирует, снижаются все его основные жизненные функции, попадание в изменившиеся условия может стать причиной серьёзных сбоев и даже гибели организма. Ритмичность процессов согласования и рассогласования со средой – необходимый принцип функционирования живых систем. Существует такое определение биоритма: биологический ритм есть выражение единства и борьбы двух взаимоисключающих начал жизненного процесса – разрушения и созидания, обеспечивающих стабильность живой системы и её самовоспроизведение.
Циркадианные или суточные ритмы сложились в процессе эволюции и отражают периодичность геофизических факторов, связанных с вращением Земли вокруг своей оси. В течение суток изменяется освещённость, температура и влажность воздуха, напряжённость электрического и магнитного поля Земли, интенсивность невидимых солнечных излучений. В процессе эволюции выживали и давали потомство те особи, ритмы которых совпадали с этими георитмами. Ведущими циркадианными ритмами человека являются сон-бодрствование, изменения дыхания и кровообращения, секреторная деятельность. Известны ритмы умственной, физической, психической активности. Развивается новое направление в медицине – хронотерапия, задача которой состоит в поиске схем лечения, учитывающих суточную периодику организма и колебания его чувствительности к терапевтическим воздействиям. К сезонным биоритмам можно отнести возрастание интенсивности обмена веществ в жаркое время года, колебания формулы крови др. Кроме того, наблюдаются сезонные колебания заболеваемости населения.
Проблемы изучения биологических ритмов решаются на основе взаимодействия различных наук – биологии, физики, химии, различных отделов психологии и многих других.
Лекция 22
Самоорганизация в неживой природе
1. Особенности описания открытых систем.
Равновесная термодинамика считала, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (см. лекцию 15). Если замкнутая система в некоторый момент времени не находилась в состоянии статистического равновесия, то в ней происходят процессы перехода в более вероятные состояния, т.е. процессы в изолированной системе происходят в сторону возрастания энтропии. Таким образом, классическая наука путём применения второго начала термодинамики к закрытой системе и использования понятия энтропии может объяснить, как из порядка возникает хаос как наиболее вероятное состояние, «выгодное» с энергетической точки зрения. Если Вселенная замкнута, то она должна эволюционировать только к хаосу (на этом основана концепция «тепловой смерти вселенной»). Но в таком случае, как она вообще могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? Очевидно, в окружающем нас мире наряду с процессами деградации идут и процессы, связанные с самопроизвольным уменьшением энтропии, с самоорганизацией и самоупорядочением сложных систем. При изучении таких процессов используются новые, постнеклассические общенаучные подходы и концепции, важнейшими из которых являются теория систем, теория информации, теория самоорганизации и теория управления.
Система – целостный, развивающийся комплекс взаимосвязанных элементов, находящихся в определённой иерархической подчинённости, и образующий единство с окружающей средой. С этим понятием тесно связаны термины: структура, свойство, функция, отношение, связь, подсистема, элемент, информация. Следующая группа понятий теории систем характеризует функционирование системных объектов: состояние, стабильность, равновесие, гомеостаз, устойчивость, регуляция, обратная связь. Существуют понятия, характеризующие развитие систем: простой и структурный рост, эволюция, генезис, отбор, адаптация, управление, обучение и т.д. Системы классифицируются по различным критериям, но важнейшими являются следующие: открытая-закрытая, динамическая-стохастическая, естественная-искусственная, живая-неживая-социальная, самоорганизующаяся-организуемая (управляемая).
Исторически самыми первыми были изучены закрытые (изолированные) механические (динамические) системы, в которых господствуют однозначность и жёсткие причинно-следственные связи. Если внешние воздействия на такую систему малы (или заранее определены), а начальные параметры и законы движения элементов системы имеют вид непрерывных функций, то математическими методами можно предсказать состояние системы в любой момент времени. Поведение системы в настоящем и будущем однозначно зависит от прошлого. Такой подход достаточно эффективно использовался классической наукой на протяжении столетий.
С развитием молекулярной физики в конце 19 в. сложилось представление о стохастических (статистических) системах, к числу которых относят термодинамические, биологические, социальные и др. Они содержат огромное число элементов, каждый из которых в той или иной степени взаимодействует со всеми остальными. Имеет место интерференция (наложение и перераспределение) свойств элементов, неаддитивность этих свойств. Это делает невозможным применение законов механики в традиционном виде. Кроме того, в таких системах чрезвычайно велика роль случайных отклонений параметров – флуктуаций, что приводит к множественности вариантов мгновенных состояний системы. Будущее стохастической системы можно предсказать лишь с определённой степенью вероятности. При данном наборе условий из всех возможных состояний реализуются наиболее вероятные.
Выводы, полученные термодинамикой для закрытой «тепловой» системы, в той или иной степени могут быть применимы к описанию других систем – природных или социальных. Однако реальная социоприродная система является открытой, обменивается с окружающей средой ресурсами – веществом ( M ), энергией ( E ) и информацией ( I ); это является важнейшим фактором развития системы, определяет характер её поведения. Обменные процессы идут в двух направлениях: с одной стороны система получает ресурсы извне, с другой - происходит их диссипация (рассеяние) в окружающее пространство. Отработанные ресурсы имеют уже иные качества; например, живые системы усваивают низкоэнтропийные ресурсы, а выбрасывают высокоэнтропийные, которые в свою очередь могут быть использованы системами более низкого иерархического уровня. Таким образом, все открытые системы являются диссипативными, и кроме того нелинейными (изменение состояния системы не прямо пропорционально изменению M , E , I). Сложная развивающаяся система также неравновесна, т.е. параметры состояния отдельных частей отличаются от средних значений, характеризующих систему в целом, но при отсутствии поступающих ресурсов все параметры выравниваются (рост энтропии). В устойчиво функционирующей системе между отдельными процессами устанавливается гомеостаз – динамическое равновесие, при котором не происходит роста энтропии.
У открытой системы есть возможность снизить уровень энтропии. Чем больше у неё информации о внешних изменениях, тем больше возможностей упорядочить своё состояние. Количество информации, необходимое для реализации состояния, можно выразить через вероятность этого состояния: I = log2Г (Г- термодинамическая вероятность, см. лекцию 15). Получение информации может обеспечить процесс самоорганизации системы, при котором «выбрасывается» часть энтропии. Отрицательная энтропия (негэнтропия) в определённой мере тождественна информации. Учитывая это, можно сформулировать закон сохранения энтропии-информации, который, как и другие законы сохранения, выполняется точно лишь в идеализированных системах: S+I=const.
2. Основные идеи синергетики.
Синергетика – общенаучное направление, изучающее общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, процессы смены их качественных состояний на пути функционирования и развития.
Рассмотрим процесс самоорганизации на качественном уровне. При этом систему будем считать открытой и находящейся достаточно далеко от равновесного состояния. Любая сложная система описывается набором параметров, среди которых можно выделить наиболее важные – управляющие, характер изменения которых оказывает определяющее влияние на систему. Изменение всей совокупности параметров можно изобразить «линией» в некой системе координат, количество координатных осей которой равно числу параметров. Она многомерна, вследствие чего не может быть представлена графически на плоском чертеже. Совокупность возможных значений параметров при изображении их в этой многомерной системе координат называется фазовым пространством системы, а «линия», соответствующая изменению состояния системы, – фазовой траекторией. Каждая точка фазовой траектории соответствует состоянию системы в какой-то определённый момент времени. Можно сказать, что точка, соответствующая состоянию системы, перемещается внутри фазового пространства по фазовой траектории, вид которой зависит от свойств системы и её взаимодействия с окружением. Зная взаимосвязи между параметрами, можно представить фазовую траекторию в аналитическом виде. Для открытых, далёких от равновесия систем эта взаимосвязь выражается, как правило, совокупностью нелинейных дифференциальных уравнений, решение которых графически представляется семейством фазовых траекторий.
Точки пересечения (если они имеются) фазовых траекторий называются точками бифуркации – «выбора» дальнейшего пути развития. Это особые точки равновесия, которое может быть устойчивым и неустойчивым. С позиций синергетики интерес представляют именно неустойчивые состояния, появление которых означает потенциальную возможность перехода системы в новое качественное состояние, новый режим, которому будет отвечать новый тип её поведения. Эти состояния, их характер и параметры зависят от граничных условий, задаваемых свойствами среды, в которой находятся исследуемые системы. При этом изменение управляющего параметра ведёт к удвоению периода бифуркации, возникает два новых состояния, например, деление систем на более эффективные.
В таких состояниях чрезвычайно важны флуктуации. От их величины, направления, времени действия зависит, по какой из возможных фазовых траекторий система будет выходить из состояния неустойчивости. Большинство возникающих флуктуаций рассеивается. Однако при определённых (пороговых) условиях они могут усиливаться за счёт случайных (или целенаправленных) внешних воздействий, действующих в резонанс с флуктуацией. Это обстоятельство может использоваться в управлении различными системами.
В точке бифуркации наряду с множеством вариантов пути развития возникает и множество диссипативных динамических микроструктур – фракталов. Как правило, большинство из них невыгодны с точки зрения фундаментальных законов природы, и либо разрушаются полностью, либо остаются как отдельные рудименты. В точке бифуркации происходит конкуренция фрактальных образований, в результате остаются те из них, которые наиболее приспособлены к внешним условиям. При благоприятных условиях такой фрактал разрастается и перерождается в новую макроструктуру в составе системы. Это приводит к переходу системы в новое качественное состояние, после чего продолжается движение по фазовой траектории до следующей точки бифуркации. Путём «перебора» таких невыгодных вариантов развития, наконец, система находит вариант, оптимальный с точки зрения фундаментальных законов природы.
Среди огромного количества флуктуаций могут остаться (не рассеяться) те, которые образуют новые устойчивые макросостояния – аттракторы. Аттрактор «притягивает» к себе множество фазовых траекторий, определяемых разными начальными значениями параметров. Если неустойчивая микроструктура попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к устойчивому состоянию и может находиться в нём до тех пор, пока в силу каких- либо причин система вновь не придёт в неустойчивое состояние. В результате у системы вновь появляется множество вариантов развития.
В любой системе в процессе эволюции идёт медленное количественное накопление изменений до определённого предела – состояния неустойчивости. Затем происходит переход количественных изменений в качественные, который, как правило, осуществляется скачком. Скачкообразное изменение внутреннего состояния системы в ответ на плавное изменение внешних условий изучается в особом разделе математики – теории катастроф. Методы теории катастроф широко применяются в моделировании поведения биологических систем, в технике и технологии, в социальных науках.
Если попытаться выделить главное в синергетическом описании поведения систем, то можно сказать, что фундаментальным принципом самоорганизации является возникновение и усиление порядка через флуктуации. Кроме того, нужно отметить огромную роль принципа положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит в итоге к возникновению нового порядка и структуры.
Таким образом, развитие системы любой природы может быть описано методами синергетики. Эволюционный процесс можно рассматривать как последовательность определённых этапов развития и качественных скачков различного масштаба, периодический процесс смены качественных состояний системы, движение от одной неустойчивости к другой, от одной точки бифуркации к другой.
3. Диссипативные структуры.
Синергетика объясняет, как в открытых системах вдали от равновесия происходит переход от беспорядка к упорядоченности. При этом могут возникать новые динамические состояния материи, отражающие взаимодействие данной системы с окружающей средой. Эти новые структуры называются диссипативными структурами. Термин введён И.Пригожиным, выдающимся физиком-теоретиком и физикохимиком, работавшим в области неравновесной термодинамики. Пригожин показал, что под воздействием крупномасштабных флуктуаций возникают коллективные формы движения, называемые модами, между которыми возникает конкуренция, происходит отбор наиболее устойчивых из них, что и приводит к спонтанному возникновению макроскопических структур, «рассеивающих» свободную энергию. Формирование структур при необратимых процессах должно сопровождаться качественным скачком (фазовым переходом) при достижении в системе критических значений параметров. В открытых системах энтропия меняется за счёт двух факторов: 1)обмена энергией и веществом с внешней средой и 2)производства энтропии внутри системы. Если изъятие энтропии из системы в единицу времени превышает внутреннее производство энтропии, то энтропия системы уменьшается. Чтобы началось формирование структуры, отдача энтропии должна превысить некоторое критическое значение, при этом переменные системы удовлетворяют нелинейным уравнениям, что даёт множественность решений в точках бифуркации.
Классическим примером возникновения структуры являются конвективные ячейки Бенара (статья опубликована в 1900 г.): в широком сосуде с ртутью (или другой вязкой жидкостью) при подогреве снизу при достижении некоторого критического значения градиента температуры наблюдался распад слоя ртути на одинаковые вертикальные шестигранные призмы с определённым соотношением между стороной и высотой. В центральной части призмы жидкость поднималась вверх, а по граням – опускалась. При меньшей разнице температур из-за вязкости никакого движения не возникало, и тепло распространялось лишь путём теплопроводности. Начиная с некоторого значения ΔТ возникли конвекционные потоки, флуктуации выросли до макроскопических масштабов. Для устойчивости потоков жидкости необходима регулировка подогрева, и она происходит самосогласованно, т.е. возникает структура, обеспечивающая максимальную скорость тепловых потоков. Поскольку система обменивается с окружающей средой только теплом и в стационарных условиях получает тепла столько же, сколько отдаёт, внутренняя структура поддерживается за счёт поглощения энтропии (негэнтропии), так что скорость производства энтропии системой убывает.
Аналогичные по своей принципиальной схеме процессы протекают, например, в лазере – устройстве для получения когерентного излучения. Активная среда, состоящая из атомов, способных после возбуждения испускать фотоны, подвергается накачке – освещению некогерентным светом. При малой мощности накачки излучаемый лазером свет также некогерентен. При повышении мощности внешнего воздействия (накачки) до некоторого порогового критического значения в лазере возникают сложные коллективные процессы, а именно, испущенные вдоль оси резонатора фотоны отражаются от зеркал и многократно проходят через активную среду, вызывая в ней акты вынужденного испускания, а это приводит к усилению излучения. При этом возникает ситуация, когда увеличение энергии волны за счёт усиления превосходит потери энергии за каждый проход резонатора. Лазер переходит в режим генерации, когда усиливается лишь небольшое количество мод резонатора, интенсивность этих волн возрастает, а все остальные моды подавляются. В режиме генерации лазер испускает строго упорядоченное, когерентное излучение. Таким образом, в сверхкритической области мощности накачки лазерный режим (диссипативная структура) оказывается стабильным.
Весьма интересные явления могут происходить в неравновесных химических системах. На примере известной реакции Белоусова – Жаботинского (окисление малоновой кислоты броматом калия в присутствии соответствующего катализатора церия, марганца или ферроина) можно наблюдать различные формы самоорганизации химические часы, устойчивая пространственная дифференциация веществ или образование волн химической активности на макроскопических расстояниях. Эволюция различных путей реакции зависит от концентраций исходных веществ, регулируемых специально на входе в химический реактор.
Следует отметить, что термин «синергетика», автором которого является немецкий физик Г. Хакен, в переводе с греческого означает «сотрудничество, совместное действие» и по мнению учёного отражает суть процесса самоорганизации - спонтанного перехода от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счёт совместного, кооперативного, синхронного действия многих подсистем.
Лекция 23
Самоорганизация в живой природе
1. Самоорганизация в биологических системах.
После установления статистического смысла второго начала термодинамики началось его применение в качестве основного принципа развития различных процессов в системах любой природы, в том числе, и биологических. Наметилось явное противоречие между эволюционной концепцией, в частности, теорией эволюции Дарвина, и идеей направленности природных процессов. Действительно, теория эволюции предполагает постоянное усложнение форм жизни, всё более высокий уровень её организации, в то время как второе начало термодинамики говорит о неизбежном росте энтропии и переходе к хаосу. Это кажущееся противоречие отпало с развитием нового, синергетического подхода не только к развитию биологических систем, но и к самому зарождению жизни, хотя полное и непротиворечивое описание этих процессов пока не найдено. Основная особенность живых систем состоит в том, что они являются открытыми, а в таких системах эволюция идёт не к равновесному состоянию, а к процессам самоорганизации.
Один из аспектов проблемы зарождения и эволюции жизни с точки зрения синергетики состоит в том, что все возникавшие на Земле биологические системы (а также предбиологические) являются диссипативными структурами. Формированию каждой из них предшествовала некая точка бифуркации, в которой, как уже говорилось, развитие могло пойти по одному из нескольких путей. Существующие теории биологической эволюции на основе физико-химических законов объясняют, почему был выбран именно тот, а не иной путь.
Самоорганизующаяся биологическая система в сильно неравновесном состоянии является существенно нелинейной (т.е. её реакция на изменения внешних воздействий не прямо пропорциональна этим изменениям). В соответствии с законами неравновесной термодинамики, сформулированными Пригожиным, в таких системах существует стремление к стационарному состоянию, характеризующемуся минимальным приращением энтропии. Это возможно, если отдача энтропии во внешнюю среду за единицу времени превысит производство энтропии внутри системы, что эквивалентно передаче среде отрицательной энтропии. Но это означает, что энергия от среды поступает в систему и идёт на её упорядочение, т.е. на поддержание диссипативных структур. Именно такой процесс послужил главным образующим фактором развития предживого в живое и дальнейшего развития жизни. Постоянное подведение энергии извне определило ход эволюции первичных предбиологических диссипативных систем и превращение их в биологические, способные к самовоспроизведению. Можно сказать, что биологическая система – это такая диссипативная структура, которая в определённых оптимальных условиях может производить регулировку поступающего количества энергии, необходимой для нормального функционирования и поддержания её целостности, за время, достаточное для репликации. Такая схема работала и при возникновении первичной клетки.
В синергетическом подходе к развитию живых систем особо подчёркивается роль направления потока энергии и вещества, поступающих в систему, а также та пространственная область системы, через которую осуществляется поступление. Именно от этого направления зависят пространственно-временные характеристики образующихся диссипативных структур, а значит, и особенности организмов, в частности, формирование органных систем, симметрия и др. По словам современного биолога В.Ярового, «градиентом эволюционного изменения видов является направленное движение всё возрастающей плотности вещества и энергии в организме.»
Понятно, что потоки вещества и энергии в организме прежде всего связаны с питанием, значит, именно развитие процесса питания является мощным фактором биологической эволюции. То же самое можно проследить на примере формирования новых упорядоченных структур в эмбриогенезе (развитии зародыша), тем более, что по современным представлениям эмбриогенез во многом повторяет эволюцию биологической жизни на Земле. Несколько упрощая процесс, можно выделить некоторые моменты самоорганизации, связанные именно с питанием, при эмбриогенезе человека. Спустя 4-5 дней после оплодотворения наступает стадия бластоцисты, «зародышевого пузырька», содержащего зародышевый узелок и его оболочки. Наружный слой клеток (бластомеров) называется трофобластом (от греч. τροφε – питание и βλαστοσ - росток). Из трофобласта развиваются хорион (наружная оболочка, играющая главную роль в питании зародыша), амнион (тонкая оболочка, покрывающая зародыш и имеющая защитную функцию) и желточный мешок (у человека существенной роли не играет). Это три из четырёх плодных оболочек. На ранних стадиях развития обмен веществами между зародышем и материнским организмом происходит через ворсинки трофобласта, однако, примерно через 5 недель ворсинки уже не могут справляться с этими функциями, поскольку требуется больший поток питательных веществ. Для поддержания стабильности система должна путём самоорганизации оптимизировать обмен ресурсами с окружающей средой, поэтому в области пуповины, где ворсинки трофобласта наиболее развиты и потоки вещества наиболее интенсивны, развивается четвёртая плодная оболочка – аллантоис. Он растёт в наружном направлении до соприкосновения с хорионом, образуя богатую сосудами структуру – хориоаллантоис, который впоследствии принимает участие в образовании плаценты. Плацента – обособленное дисковидное образование, главная структура в обмене веществами между матерью и плодом – образуется как новая упорядоченная структура в тот момент, когда потоки ресурсов достигают некоторого критического уровня. Этот уровневый порог контролируется генетической программой развития эмбриона.
2. Самоорганизация в экологических системах.
Экология – наука об отношениях растительных и животных организмов и образуемых ими биотических сообществ между собой и с окружающей средой. Термин «экология» введён в 1866 г. немецким учёным Э.Геккелем, который понимал экологию как физиологию взаимоотношений животных и внешней среды. С углублением и дифференциацией экологических исследований экология стала пониматься шире. В первой половине 20 в. как особые научные дисциплины формируются экология человека, социальная экология, изучающая взаимодействие общества с окружающей средой, а также многие частно-прикладные направления (радиационная экология и т.п.). Биосферу в экологии часто именуют экосферой, а составляющие её компоненты (организмы, популяции, сообщества) – экосистемами. Традиционно выделяются два направления – аутэкология, концентрирующая внимание на взаимоотношениях организма с популяцией и окружающей средой, и синэкология, которая занимается сообществами и средой. Как отмечают историки науки и сами учёные-экологи, в последние десятилетия акценты экологических исследований переместились от аутэкологии к синэкологии, причём как объект изучается и вся экосфера. При этом подчёркивается существенный вклад небиологических наук , особенно химии, физики, почвоведения, гидрологии и др. В последнее время в экологических исследованиях всё чаще применяются кибернетические подходы, теория систем и синергетика. Экологи и биологи используют синергетические схемы для описания динамики таких экологических систем, как популяции и колонии живых организмов, системы «хищник-жертва», «хозяин-паразит» и др.
Отличительной особенностью эволюции экологических систем является их способность (при сочетании определённых внешних и внутренних факторов) как бы перескакивать с одного устойчивого состояния на другое, минуя промежуточные точки, т.е. способность постоянно поддерживать устойчивое неравновесное состояние. Знаменитый физик Э. Шредингер, изучавший также и феномен жизни, сказал, что «жизнь – это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается всё время». Средствами, при помощи которых экологическая система поддерживает себя на достаточном уровне упорядоченности (т.е. на достаточно низком уровне энтропии), являются энергия, вещество и информация, получаемые из внешней среды.
Развитие экосистем называется сукцессией. Это последовательность сменяющих друг друга состояний экологической системы данного района. Сукцессия в энергетическом смысле связана со сдвигом потока энергии в сторону увеличения количества энергии, направленной на поддержание системы. Различия между развивающимися и зрелыми экосистемами выражаются, кроме всего прочего, в том, что существует обратная зависимость между возрастанием энтропии и информацией: у развивающейся системы возрастание энтропии быстрое, а усвоение информации низкое; в зрелой системе усваивается большое количество информации и энтропия возрастает очень медленно. Кроме того, развитие экосистемы в направлении повышения устойчивости идёт с возрастанием структурной сложности, из чего следует необходимость видового разнообразия в экосфере. В наши дни, когда структурная организация биосферы упрощается из-за исчезновения видов и других причин, реальной становится угроза деградации и гибели биосферы.