5.    Сформулируйте   основные   принципы   систематики   и   таксономии.   Какие таксономические  системы   вам   известны?  Объясните связь  между  систематикой   и эволюционной теорией.

Системный подход является одной из попыток вырваться за пределы однозначности научных знаний. Это новый этап в развитии методов познания мира, дополнительный к принципам механистического подхода. Он является попыткой оценить по достоинству роль целостности. В основе системности в природе лежит ее свойство быть одновременно единым и неделимым целым и в то же время обладать свойством множественности.

Слово «система» в переводе с греческого означает «целое, составленное из частей». Под системой понимают совокупность явлений, элементов, находящихся в определенных отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность. Различают простые и сложные системы. Можно считать систему сложной, если ее поведение содержит акт решения, определяемый как выбор альтернатив с помощью какого-либо алгоритма, например случайного. Известно, что в свойствах и поведении сложных систем независимо от природы составляющих их элементов прослеживаются четкие аналогии

Для биосистем закон подобия части и целого известен как биогенетический закон: онтогенез (индивидуальное развитие особи) повторяет филогенез (историческое развитие вида). Ярким подтверждением данного закона является эмбриогенез: развитие эмбриона повторяет формы, через которые данный вид прошел в процессе своей эволюции. Для человека этот закон можно, вероятно, дополнить: ноогенез (формирование мышления) каждого человека повторяет антропогенез, то есть исторический процесс формирования мыслительного аппарата всего человечества. Можно предположить, что формирование человека повторяет весь ход эволюции Вселенной.

Любая система характеризуется своей «структурой» и «поведением». Структура – это строение и внутренняя форма организации системы, выступающая как единство устойчивых взаимосвязей между ее элементами, а также законов данных взаимосвязей. Поведение определяет внешнюю сторону системы (текстуру), в соответствии с которой любая система может входить в качестве элемента в состав других систем более высокого уровня. Таким образом, одним из основных свойств систем является их иерархичность (иерархия - расположение ступенчатым рядом), в соответствии с которым любая система сама может являться элементом более общей системы, в то же время каждый элемент системы сам в свою очередь может являться системой. Иерархичность систем обеспечивает их устойчивость и неуязвимость.

6.Попробуйте    определить    элементы    запрограммированного    развития    и самоорганизации в онтогенезе и филогенезе. Раскройте современные представления кодах программы индивидуального развития организма. Какие теории эволюции вам известны? Охарактеризуйте их основные положения. Попытайтесь на примерах индивидуального развития какого-либо организма и филогенетического развития какой-либо группы организмов сформулировать общие закономерности развития живых систем. При повторении материала после завершения всего курса ответьте на этот вопрос, используя представления синергетики.

Строение и поведение организма в значительной мере определяется его генотипом, основу которого составляет набор хромосом. Каждая хромосома представляет собой свернутую молекулу ДНК, в структуре которой в зашифрованном виде хранится информация о структурах белков. Молекула белка представляет собой цепь из последовательно расположенных аминокислот, а молекула ДНК сложена из последовательно расположенных нуклеотидов. Три нуклеотида (триплет)

соответствуют определенной аминокислоте в составе белка. Последовательность таких триплетов на определенном фрагменте молекулы ДНК (данный фрагмент называется геном) кодирует последовательность соответ­ствующих аминокислот в молекуле белка. Код этот в настоящее время расшифрован. Триплет позволяет реализовать 43 = 64 различных сочетаний нуклеотидов (всего используется 4 различных нуклеотида). Всего таким образом можно закодировать присутствие в молекуле белка до 64 различных видов аминокислот (задействовано всего 20).

Как рождалась таблица генного кода, нам неизвестно. Несомненно лишь то, что в принципах кодировки присутствует доля свободы выбора. Код ДНК также призван обеспечить совместимость (родство) биосистем.

В генетической программе биосистемы содержится достаточно исчерпывающий набор реакций на самые различные требования среды. В то же время иногда возникают ситуации, не предусмотренные программой. Тогда запускается механизм оптимизационного поиска верного решения. Если решение найдено, то механизмы отбора обязательно закрепят его в форме соответствующего фрагмента ДНК. Таким образом, генетическая программа постоянно развивается и совершенствуется.

Разные организмы, а тем более разные виды организмов содержат разные наборы ДНК. Каждый такой набор определяет специфику той функции, которую данный вид организмов будет выполнять в составе биосферы, участвуя тем самым в поддержании ее устойчивости. Тем не менее, в основе каждого генотипа любого вида живых организмов лежит нечто общее, что можно с полным правом назвать генетической программой жизни в целом, которая определяет набор возможных реакций на самые различные внешние воздействия, порождая в ответ на эти воздействия новые конкретные генотипы, соответствующие новым видам живых существ.

Первые живые организмы существовали, по-видимому, за счет энергии недр планеты. Это  хемосинтезирующие (высвобождающие энергию за счет реакции окисления простых неорганических соединений, например сульфида или аммиака) бактерии. По мере остывания планеты подобные формы жизни уступают место фотосинтезирующим организмам, существующим за счет энергии Солнца. Динамика остывания поверхности планеты в условиях относительной стабильности температуры Солнца обеспечивает, по-видимому, однонаправленность процессов усложнения форм самоорганизующихся систем. Вероятно, существует еще немало подобных факторов, посредством которых планета, Солнце, космос и, в конечном итоге, вся Вселенная направляют, «руководят» процессами самоорганизации.

Уже на уровне макромолекул можно говорить о жизни в общепринято

м понимании. Вершина эволюции молекул – вирусы (вирус – это молекула ДНК, окруженная белковой оболочкой). Прежде, чем была создана первая живая клетка, на Земле существовала эра вирусов. Первые клетки по теории Опарина возникли в результате эволюции коацерватных капель. Это пример агрегации (создание групп с определенной внутренней структурой) в мире макромолекул. Крупные молекулы имеют обычно сложную форму. Поэтому энергетически более выгодно оказывается слияние этих молекул в каплю. Сложные капли способны улавливать и впитывать в свою структуру определенные вещества из окружающего их раствора, поддерживая этим стабильность своей структуры.

Агрегация клеток приводит к возникновению многоклеточных организмов. Эволюция многоклеточных сначала шла по линии усложнения физиологии, потом (а частью и одновременно) поведения по цепи: раздражимость-инстинкт-психика-сознание. Эволюция поведения свидетельствует об агрегации многоклеточных организмов, то есть о формировании и эволюции систем более высокого иерархического уровня - социальных систем типа стаи, общества и т.п., которые с полным правом можно назвать социальными живыми существами, наиболее яркими примерами которых являются муравейники, пчелиные семьи, человеческая цивилизация и т.п. Здесь присутствует органичная целостность и функциональная взаимозависимость.

Эволюция есть, по-видимому, следствие единства Вселенной: расширение Вселенной вызывает ответный поток роста сложности организации ее структуры. Эволюцию нельзя остановить пока расширяется Вселенная.

Биоорганика Земли имеет единый генетический код. Информация о строении белков организма хранится в закодированном виде в структуре молекул ДНК. Правила кодировки нам известны, но они не поддаются какой-либо логике. Похоже, что природа установила эти правила произвольным образом, но однажды принятый «стандарт» един для всех биосистем Земли и никогда не нарушается.

Теория креационизма хорошо вписывается в принцип роста энтропии (Бог однажды устроил мир идеальным образом, теперь мир может только деградировать) и легко объясняет природу целесообразности в устройстве Вселенной. В то же время теория эволюции подтверждается огромным количеством научных фактов. Слабым местом эволюционизма является отрицание всякого рода целесообразности в природе и признание случайности, господствующей в эволюционном процессе, что никак не согласуется с данными статистического анализа, который говорит, что всего времени существования Выселенной не хватит на то, чтобы воспроизвести существующие формы случайным образом. В то же время новые достижения синергетики (наука о самоорганизации) позволяют надеяться на то, что в научном понимании жизни уже в ближайшее время ожидается существенный прорыв. Мы уже понимаем механизмы самоорганизации.

Что касается целесообразности Вселенной, не вписывающейся в концепцию «слепых законов природы», то выход здесь следует искать в принципе дополнительности. То есть земная жизнь является естественным следствием глобального эволюционного процесса, который в свою очередь достаточно однозначно «запрограммирован» в структуре изначальных холистских принципов существования Вселенной.

В основе самоорганизации лежит принцип: одновременно протекающие процессы могут влиять друг на друга так, что хотя в

каждом из процессов в отдельности энтропия не может уменьшаться, но, взятые вместе, они могут компенсировать уменьшение энтропии в одном из процессов за счет еще большего увеличения в других. В итоге по всем процессам энтропия растет.

Следствия:

1) самоорганизующая система должна быть открытой по отношению к окружающей среде;

2) она может существовать, уменьшая внутреннюю энтропию, только за счет увеличения энтропии (разрушения) внешней среды.

Поэтому любая самоорганизующаяся система может существовать только в потоке энергии, при этом энтропия потока энергии на входе в систему меньше, чем энтропия выходного потока (система потребляет более концентрированную энергию, а выдает более рассеянную). В энергетический поток система сбрасывает свою внутреннюю энтропию (неупорядоченность), из этого потока она берет необходимый ей порядок, что позволяет ей существовать длительное время без саморазрушения. Для этого, например, мы потребляем пищу, разрушая ее внутри себя, высвобождая таким образом накопленную в ней информацию (порядок, мерой которого является свободная энергия), и за счет этого упорядочивая свою структуру. Продукты разрушения, несущие в себе хаос, мы выбрасываем в окружающую среду.

Согласно Пригожину, любая самоорганизующаяся система должна обладать рядом особенностей:

1) открытостью, то есть их существование немыслимо без постоянного взаимодействия с окружающей средой;

2) неравновесностью, то есть энтропия в данной системе существенно меньше энтропии окружающей среды;

3) нелинейностью, то есть непропорциональностью изменения различных свойств системы, ограниченностью пределов изменения этих свойств, что приводит к разного рода фазовым переходам.

В процессе самоорганизации происходит самопроизвольный поиск устойчивых структур. Под устойчивостью системы понимают ее способность сохранять свою структуру при наличии внешних воздействий на нее; при снятии воздействия такая система должна вернуться в исходное состояние. Для устойчивых систем характерно подобие части и целого. Только тогда система сможет потреблять энергию (упорядочивающий фактор) из окружающей среды, когда она подчинена принципу соответствия (резонанса) с окружающей средой. Однако подобие не должно быть абсолютным. «Свобода выбора», непредсказуемость в поведении систем дает перспективы для дальнейшего развития (поиска новых форм организации). Излишек стабильности, предсказуемости также грозит гибелью, как и отсутствие системного «законопослушания».

7.  Проиллюстрируйте      проявления       фундаментальных       свойств      живых систем наследственности и изменчивости на разных уровнях биологической организации. Что такое генетический код? Попытайтесь проследить путь от гена до признака организма на каком-либо примере. Что такое генофонд? Используя понятие о генофонде и мутагенезе, попробуйте обосновать положения современной теории эволюции.

Генетический код свойственная живым организмам единая система «записи» наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Для краткости каждый нуклеотид обозначается русской или

латинской заглавной буквой, с которой начинается название азотистого основания, входящего в его состав: А (A) — аденин, Г (G) — гуанин, Ц (C) — цитозин, в ДНК Т (T) — тимин, в мРНК У (U) — урацил. Последовательность из трех букв в кодонах и представляет графическое выражение кода генетического. Реализация кода генетического в клетке происходит в 2 этапа. Первый (транскрипция) протекает в ядре и заключается в синтезе молекул матричной, или информационной, рибонуклеиновой кислоты (мРНК) на соответствующих участках ДНК. При этом последовательность нуклеотидов ДНК «переписывается» в нуклеотидную последовательность мРНК, комплементарную ДНК. Второй этап (трансляция) протекает в цитоплазме на рибосомах; при этом последовательность нуклеотидов мРНК переводится в последовательность аминокислот в синтезирующемся белке. 61 кодон из 64 кодирует определенные аминокислоты, а 3 т. н. стоп-кодона определяют окончание синтеза полипептидной цепи. Код называется вырожденным, т. к. несколько кодонов могут кодировать одну и ту же аминокислоту, но он не является двусмысленным, поскольку один и тот же кодон не способен кодировать 2 различные аминокислоты. Расшифровка кода генетического, т. е. нахождение соответствия между кодонами и аминокислотами, осуществлена американскими биохимиками М. У. Ниренбергом, С. Очоа и др. в 1961-65.

8. Каковы возможности и перспективы развития биотехнологии в сфере народного хозяйства и медицины? Если бы вам пришлось принимать решение о финансировании какого-либо биотехнологического производства, какие доводы «за» и «против» имели бы для вас значение (экономическая эффективность, потенциальные опасности для здоровья  человека, энергоемкость,  возможность безотходных технологий и т.п.)? Приведите примеры.

Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. На их базе освоено массовое производство искусственных белков, питательных и многих других веществ. Успешно развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т. п. С применением генных технологий и естественных биоорганических материалов синтезируются биологически активные вещества — гормональные препараты и соединения, стимулирующие иммунитет.

Для увеличения производства продуктов питания нужны искусственные вещества, содержащие белки, необходимые для жизнедеятельности живых организмов. Благодаря важнейшим достижениям биотехнологии в настоящее время производится множество искусственных питательных веществ, по многим свойствам превосходящих продукты естественного происхождения.

Современная биотехнология позволяет превратить отходы древесины, соломы и другое растительное сырье в ценные питательные белки. Некоторые виды грибков превращают нефть, мазут и природный газ в пищевую биомассу, богатую белками. Некоторые виды биотехнологий включают процессы брожения. К настоящему времени налажено производство антибиотиков, витаминно-белковых добавок к продуктам питания, стимуляторов роста, бактериологических удобрений, средств защиты растений и др.

С использованием рекомбинантных ДНК удалось синтезировать ферменты и тем самым расширить их область применения в биотехнологии.

Дальнейшее развитие биотехнологий связано с модификацией генетического аппарата живых организмов.

Генные технологии основаны на методах молекулярной биологии и генетики, связанных с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Современные генные технологии объединяют химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем

биотехнологии, медицины и сельского хозяйства.

Генные технологии привели к разработке современных методов анализа генов и геномов, а они, в свою очередь,— к синтезу, т. е. к конструированию новых, генетически модифицированных микроорганизмов. К настоящему времени установлены нуклеотидные последовательности разных микроорганизмов, включая промышленные штаммы, и те, которые нужны для исследования принципов организации геномов и для понимания механизмов эволюции микробов. Промышленные микробиологи, в свою очередь, убеждены, что знание нуклеотидных последовательностей геномов промышленных штаммов позволит «программировать» их на то, чтобы они приносили большой доход.

Клонирование эукариотных (ядерных) генов в микробах и есть тот принципиальный метод, который привел к бурному развитию микробиологии. Фрагменты геномов животных и растений для их анализа клонируют именно в микроорганизмах. Для этого в качестве молекулярных векторов — переносчиков генов — используют искусственно созданные плазмиды, а также множество других молекулярных образований для выделения и клонирования.

С помощью молекулярных проб (фрагментов ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов) можно определять, скажем, заражена ли донорская кровь вирусом СПИДа. А генные технологии для идентификации некоторых микробов позволяют следить за их распространением, например, внутри больницы или при эпидемиях.

Генные технологии производства вакцин развиваются в двух основных направлениях. Первое - улучшение уже существующих вакцин и создание комбинированной вакцины, т. е. состоящей из нескольких вакцин. Второе направление — получение вакцин против болезней: СПИДа, малярии,

Проводится целенаправленная работа по генетической модификации свойств микробов, используемых в производстве хлеба, сыроварении, молочной промышленности, пивоварении и виноделии, чтобы увеличить устойчивость производственных штаммов, повысить их конкурентоспособность по отношению к вредным бактериям и улучшить качество конечного продукта.

Генетически модифицированные микробы приносят пользу в борьбе с вредными вирусами и микробами и насекомыми. Не приведет ли широкое внедрение в практику генных технологий к появлению еще не известных эпидемиологам заболеваний и других нежелательных последствий? Практика показывает, что генные технологии с начала их развития по сей день, т. е. в течение более 30 лет, не принесли ни одного отрицательного последствия. Более того, оказалось, что все рекомбинантные микроорганизмы, как правило, менее вирулентны, т. е. менее болезнетворны, чем их исходные формы. Однако биологические феномены таковы, что о них никогда нельзя с уверенностью сказать: этого никогда не случится. Более правильно говорить так: вероятность того, что это случится, очень мала.

Клонирование человека — это шанс иметь детей для тех, кто страдает бесплодием; это банки клеток и тканей, запасные органы взамен тех, что приходят в негодность; наконец, это возможность передать потомству не половину своих генов, а весь геном — воспроизвести ребенка, который будет копией одного из родителей. Вместе с тем остается открытым вопрос о правовом и нравственном аспекте данных возможностей. Подобного рода доводами в 1997— 1998 гг. были переполнены различные источники массовой информации во многих странах.

По принятому в науке определению, клонирование — это точное воспроизведение того или иного живого объекта в каком-то количестве копий. Воспроизведенные копии обладают идентичной наследственной информацией, т. е. имеют одинаковый

набор генов.

В ряде случаев клонирование живого организма не вызывает особого удивления и относится к отработанной процедуре, хотя и не такой уж простой. Генетики получают клоны, когда используемые ими объекты размножаются посредством партеногенеза - бесполым путем, без предшествующего оплодотворения. В нашей стране блестящие работы по подобному клонированию выполняют на шелкопряде. Выведенные клоны шелкопряда отличаются высокой продуктивностью по выработке шелка и славятся на весь мир.

Однако речь идет о другом клонировании — о получении точных копий, например, коровы с рекордным надоем молока или гениального человека. Вот при таком клонировании и возникают весьма и весьма большие сложности.

Некоторые ученые считают, что фактически невозможно возвратить изменившиеся ядра соматических клеток в исходное состояние, чтобы они могли обеспечить нормальное развитие той яйцеклетки, в которую их трансплантировали, и на выходе дать точную копию донора. Но даже если все проблемы удастся решить и все трудности преодолеть (хотя это маловероятно), клонирование человека нельзя считать научно обоснованным. Действительно, допустим, что трансплантировали развивающиеся яйцеклетки с чужеродными донорскими ядрами нескольким тысячам приемных матерей. Именно нескольким тысячам: процент выхода низкий, а повысить его, скорее всего, не удастся. И все это для того, чтобы получить хотя бы одну единственную рожденную живую копию какого-то человека, пусть даже гения. А что будет с остальными зародышами? Ведь большая их часть погибнет в утробе матери или разовьется в уродов. Это было бы преступлением, поэтому вполне естественно ожидать принятия закона, запрещающего такого рода исследования как в высшей степени аморальные. Что касается млекопитающих, то рациональнее проводить исследования по выведению трансгенных пород животных, генотерапии и т. п.

9.  Расскажите об особенностях биологическою вида "Человек разумный". Назовите признаки родства человека и животных.  Какие особенности человека отличают его от животных?

С биологической точки зрения появление человека разумного может казаться вполне ординарным событием. Однако человек — носитель разума, мысли, это особый феномен природы. В процессе развития живых систем сформировался мозг — материальная основа разума. Элементы разумного поведения проявляют многие высшие животные и некоторые птицы. Но полноценное проявление разума в биосфере присуще только человеку, так как лишь в его социальном сообществе сформировалась, а затем развивалась коллективная память, названная В.И. Вернадским научной мыслью.

Научная мысль - это созданный человеком разумным на определенной стадии его развития независимый от отдельной особи коллективный аппарат сбора, накопления, обобщения и хранения знания. Характерные особенности и специфика человека, отличающие его от других высших животных, закреплены в материальном носителе разума — мозге. Эволюция мозга, его усложнение происходили не столько за счет роста числа нейронов, сколько за счет организации и упорядоченности как отдельных структурных ансамблей, так и центров, объединяющих отдельные функции в сложные поведенческие реакции. Структурные ансамбли разветвляются в форме вертикальных колонок, включающих клетки древних слоев мозга, расположенных в его нижних пластах, и клетки более поздних поверхностных слоев. В результате усложнения связей и увеличения их числа происходят и качественные изменения структурных ансамблей.

Структурные ансамбли мозга человека и приматов, определяющие такие функции, как зрение, слух и двигательные реакции тела, мало различаются между собой. Существенные отличия выявлены в размерах и связях структурных ансамблей мозга

человека, ведающих его речью и двигательными реакциями рук, особенно кистей, и определяющих способность человека к трудовой деятельности. У человека заметно выделяются лобные доли, которые, согласно сложившимся представлениям, осуществляют интеграцию различных функций мозга в целенаправленные поведенческие реакции, а также участвуют в ассоциативных и обобщающих мыслительных процессах. У человека относительно большая площадь лобных долей мозга — около 25%, и общее число нейронов — более 10%.

Мозг как единая система обладает удивительным свойством — памятью. Память — это основной ориентир человека в окружающем мире.

Отметим еще одно характерное свойство мозга. Строение ансамблей нервных клеток, их связи в мозгу программируются генетическим аппаратом. Развитость речевых и двигательно-трудовых структурных ансамблей мозга человека наследуется детьми от родителей. Генетический потенциал ограничен во времени жесткими возрастными рамками. Если сроки пропущены, то потенциал гаснет, а человек по своему развитию остается на уровне того же примата.

В истории человечества немало примеров, показывающих, что не только отдельная личность, но и целые сообщества людей обязаны вести непрерывную работу по овладению, сохранению и приумножению того, 

что выделяет людей из животного мира. Малейшее ослабление усилий или, что еще хуже, сознательное пробуждение в людях низменных начал в ущерб разуму, когда, например, преследуются неблагородные политические цели, с поразительной быстротой ведут к потере культурных завоеваний, возрождению дикости и агрессивности даже в цивилизованном обществе.

Психика — система регуляторов поведения в сложной среде, возникшая в ходе биологической эволюции. В отличие от животных люди способны к преднамеренной совместной деятельности, речевому взаимодействию, использованию опыта человечества, сознательной саморегуляции, созидательной трудовой активности, познанию неявного; они имеют долгое детство и психически развиваются в течение всей жизни. Человек как субъект отношений и сознательной деятельности представляет собой личность. Личность — неотъемлемая составляющая общества

10. Расскажите о физиологических основах сохранения жизнеспособности и здоровья человека, об основных типах патологических состояний и их предупреждении. Сформулируйте основные принципы сохранения здорового генофондна человеческой популяции, условия рождения и развития здорового потомства. Назовите основные факторы риска.

Одна из важнейших составляющих жизнеобеспечения человека — производство и потребление продуктов питания. Нехватка продовольствия — одна из причин преждевременной смерти людей.

В средствах массовой информации иногда необоснованно утверждается об опасности для здоровья человека продукции, выращенной с применением минеральных химических удобрений. Однако такое утверждение нельзя считать доказанным. Напротив, оптимальное количество минеральных удобрений способствует существенному повышению урожайности.

Вместе с тем нарушение агрохимических правил, регламентирующих дозы и сроки внесения минеральных удобрений, приводит к чрезмерному их накоплению в почве и попаданию в организм человека.

Основу питательных веществ составляют белки, жиры и углеводы. Если содержание в пище углеводов и жиров — носителей энергии — может быть ограничено, то для белков это недопустимо: они нужны для постоянной регенерации органов и роста организма. Нехватка белков приводит к истощению организма. В то же время по химическому составу белки животного происхождения подобны белкам организма человека, и потребность в некоторых аминокислотах легче удовлетворить за счет мясной пищи. Разработанные сравнительно недавно методы генной технологии ставят на более высокий уровень биотехнологический процесс производства ценнейших белковых продуктов.

Одно из важных направлений современной микробиологии связано с повышением питательных и вкусовых качеств пищи. Пища — не только средство для нормальной жизнедеятельности человека, но и источник удовольствия. Однако стремление испытать удовольствие часто приводит к перееданию. По мнению специалистов, во многих развитых странах около 20% мужского и 40% женского населения едят гораздо больше, чем необходимо организму. Чрезмерное потребление сахара или других продуктов питания губительно влияет на здоровье человека и чаще всего приводит к ожирению. Есть надежда, что микробиологи предложат эффективные средства, позволяющие ограничивать излишнее потребление вкусной и калорийной пищи.

Средства сохранения здоровья. Эффективность лечения во многом определяется наличием лекарств. Благодаря эффективным лекарственным препаратам вытеснена чума, возникли перспективы излечения от многочисленных инфекционных заболеваний, резко снизилась детская смертность и т. д.

В последнее время разработаны новые методы синтеза фармакологически активных соединений и на основании их получены новые эффективные препараты, регулирующие активность ферментов и рецепторов.

Некоторые органические соединения оказывают канцерогенное действие на подопытных животных. Сегодня полагают, что ряд природных и синтетических соединений, содержащихся в окружающей среде, могут способствовать возникновению раковых заболеваний. Различные химические канцерогены образуют ковалентные связи с клеточными макромолекулами (белками, РНК, ДНК), что и приводит к раковым заболеваниям. При этом происходит злокачественное перерождение клеток, которое связано с изменением структуры ДНК. Открыто более сотни генов, мутации которых способствуют превращению нормальной клетки в опухолевую — это онкогены и гены-супрессоры опухолей. К настоящему времени химики-органики умеют определять последовательность нуклеотидов в нормальном гене и онкогене, а также последовательность аминокислот в белках, кодируемых такими генами, что является весьма важным шагом при разработке терапевтических средств лечения.

Многие воспалительные болезни вызываются расстройством иммунной системы. Иммунная система противодействует заболеванию организма и вторжению в него посторонних веществ. К настоящему времени установлены ферменты и другие

белки, фиксирующие чужеродные тела и координирующие ответную реакцию организма. Клетки плазмы, продуцируемые белыми кровяными тельцами, выделяют в кровь антитела, которые нейтрализуют чужеродные вещества, способные вызывать заболевание. Хотя химическая природа молекул антител известна, но предстоит еще разработать эффективные средства лечения прогрессирующей болезни — синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИДа).

Иммунная система служит для биосинтеза антител (антигенов) — защитных белков для нейтрализации чужеродных молекул. Определенная последовательность аминокислот белковой цепи задает избирательность ферментов. Формирование активных центров ферментов и их структура во многом определяются действием вводимого антитела. Более 100 каталитических антител успешно применяются для ферментативных реакций. Специалисты считают, что каталитические антитела принадлежат к биокатализаторам нового поколения.

Серьезную опасность для здоровья человека представляют радионуклиды и тяжелые металлы. Они содержатся в отходах предприятий, выбросах в атмосферу и выхлопах автомобилей, загрязняют почву и воду, накапливаются в живых клетках растений и животных, а оттуда с продуктами питания попадают в организм человека с потоком крови они переносятся по всему организму, оказывая на него вредное воздействие. Так, тяжелые металлы замедляют рост и умственное развитие детей, вызывают болезни нервной системы, почек и печени. Радионуклиды вызывают повреждения в наследственном веществе, снижение иммунитета, онкологические заболевания.

Расшифровка ДНК, создание генетической карты человека — первая задача ученых, работающих по проекту генома человека. Вторая — разбить такую карту на отдельные характерные группы. И наконец, функциональный анализ генома — третья весьма важная задача. Нужно определить, например, как работают те или иные гены в клетках организма в разные периоды его жизни.

Наиболее важный практический результат исследований генома человека — это молекулярная медицина, т. е. генная диагностика болезней, их профилактика и генотерапия. Предполагается, что новые лекарственные препараты будут действовать на генные и белковые мишени, что будет способствовать повышению их эффективности.

Каждый человек обладает уникальным геномом: мы отличаемся друг от друга приблизительно одной позицией нуклеотидов из тысячи. Изучение генного разнообразия может дать ключ к пониманию уникальности личности, роли наследственности в интеллектуальных способностях и чертах характера. В обозримом будущем станет возможным создание генетического паспорта каждого человека.

Старение любого организма, в том числе организма человека, воспринимается чаще всего как естественный и неизбежный процесс. Проблема продления жизни организма актуальна и по сей день, и ее решением занимаются геронтологи, медики, биохимики, психологи и другие ученые многих стран.

Предполагается, что процесс старения обусловлен нарушением ферментативных реакций, вызываемым различными отклонениями в гормональной системе организма. Продлению жизни способствуют аминокислоты (цистин), некоторые витамины, анаболические стероиды, необходимые для синтеза белков в организме, и т. п.

Целенаправленные опыты применения разнообразных биохимических препаратов помогают выявить физико-химическую и биологическую природу механизма старения организма, синтезировать препараты, селективно влияющие на организм, т. е. продлевающие жизнь отдельным органам: печени, сердцу, мозгу и т. п. Важнейшим результатом подобных опытов будет

синтез универсального препарата против старения.

11.Попробуйте обрисовать как единое целое космические, биосферные явления и жизнедеятельность человека.

В лексикон современной жизни все прочнее входит слово «глобальный». Глобальные катастрофы, глобальный экономический кризис, глобальное потепление, глобальная сеть и т. п. Совсем недавно к этим словосочетаниям добавилось слово глобализация. Эти слова используют не только ученые, изучающие проблему потребления природных ресурсов и сохранения окружающей среды, но и журналисты, освещающие события повседневной жизни, читатели и зрители. Они относятся к природным процессам, происходящим не в отдельной точке нашей планеты, деревне или крупном городе, а во всей ее биосфере.

Глобальные биосферные процессы можно условно разделить на два вида — естественные и антропогенные. Естественные глобальные процессы развиваются при внутрипланетарном и космическом воздействии на биосферу, не связанном или мало связанном с деятельностью человека. К ним относятся различные природные стихии внутрипланетарного происхождения: извержения вулканов, землетрясения, ураганы, и др., а также процессы, рожденные, например, активностью Солнца, падением крупных метеоритов и имеющие космическую природу. Антропогенные глобальные процессы вызываются активным вторжением человека в биосферу. Это парниковый эффект, выпадание кислотных осадков, разрушение озонового слоя и др. Естественные и антропогенные глобальные процессы взаимосвязаны. Например, при извержении вулканов в атмосферу выбрасывается громадное количество газов, ускоряющих парниковый эффект и разрушение озонового слоя. И наоборот, с изменением состава атмосферы в результате парникового эффекта и с нарушением защитных свойств озонового слоя возникают условия для зарождения ураганов, торнадо и т. п.

Глобальность биосферных процессов, вне зависимости от их вида, заключается в том, что, возникнув в некоторой точке земного шара, они медленно или быстро распространяются на всю биосферу. Например, выбрасываемые каким-либо промышленным предприятием или тепловой электростанцией оксиды серы поднимаются высоко вверх, уносятся ветром на большие расстояния и выпадают в виде кислотных осадков, приносящих ущерб живой и неживой природе в местах обитания, которые могут находиться как внутри, так и вне той страны, где расположены источники опасных газов. К подобным последствиям приводит огромная масса углекислого газа выхлопных газов автомобильного транспорта, сосредоточенного в том или ином городе либо на магистрали. Несмотря на локальный характер происхождения, углекислый газ порождает парниковый эффект, ведущий к глобальному потеплению и, следовательно, к изменению климата на всей планете, влияющему на здоровье и образ жизни каждого человека, вне зависимости от того, на каком континенте, в какой стране он проживает. А это означает, что источник возмущения биосферных процессов, появившийся в какой-либо одной стране в результате деятельности сравнительно небольшой группы людей, затрагивает интересы многомиллиардного населения нашей планеты, т. е. носит глобальный характер.

С развитием многогранной деятельности человека возмущение биосферных процессов активизируется, происходит их глобализация. Об этом надо знать всем: и тем, кто разжигает костер, и тем, кто сознательно и бессознательно губит зеленые

насаждения, и тем, кто нерационально потребляет природные и энергетические ресурсы. Необдуманные или злонамеренные действия одного человека или небольшой группы людей так или иначе ускоряют глобализацию процессов. Эгоистические или другие побуждения подобных действий не вписываются в рамки нравственности и духовных качеств человека. Человек, хорошо усвоивший библейскую истину «Возлюби ближнего своего, как самого себя» и представляющий последствия своих действий, задумается перед тем, как разжигать костер, дым которого приносит неприятности таким же, как он, ближним по разуму людям.

 Только в этом случае можно надеяться, что колоссальные силы человечества будут направлены на преобразование биосферы в ноосферу, и каждый человек — человек разумный — внесет вклад в создание привлекательных дворцов гармонии природы и человека.

12.Изложите известные вам научные данные и собственные представления о месте человека в эволюции Земли. Что такое ноосфера, каковы различные трактовки этого понятия?

Носитель земного разума - человек - с нарастающим темпом воздействует на биосферу, активно захватывая все занимаемое ею пространство, меняя облик земной поверхности. По убеждению академика В.И. Вернадского, преобразование биосферы грядет неизбежно и необратимо. Такая точка зрения была высказана им в начале 30-х годов XX в. и со скептицизмом воспринята научным сообществом тех лет. Ученый назвал трансформированную биосферу ноосферой. Под ноосферой он понимал не выделенный над биосферой «мыслящий пласт», а качественно новое ее состояние. Известны и более ранние переходы биосферы в подобные состояния, сопровождавшиеся почти полной ее перестройкой. Но современный переход представляет собой нечто особенное, ни с чем не сравнимое.

Свой анализ процесса трансформации биосферы в ноосферу В.И. Вернадский заканчивал следующими обобщениями:

■   Ход научного творчества является той силой, при помощи которой человек меняет биосферу. Изменение биосферы после появления в ней человека — неизбежное явление, сопутствующее росту научной мысли.

■   Изменение биосферы не зависит от человеческой воли, оно стихийно, как природный естественный процесс.

■   Научная работа человечества есть природный процесс, сопровождаемый переходом биосферы в новое, более упорядоченное состояние — ноосферу.

■   Такой переход выражает собой «закон природы». Поэтому появление в биосфере рода Homo (человека) есть начало новой эры в истории планеты.

■   Человек может рассматриваться как определенная функция биосферы, в определенном ее пространстве—времени. Во всех своих проявлениях человек составляет определенную закономерную часть биосферы.

■   Взрыв научной мысли в XX столетии подготовлен всем прошлым биосферы и имеет глубочайшие корни в ее строении. Он не может остановиться и пойти назад. Биосфера же неизбежно, рано или поздно, перейдет в ноосферу. И в истории народов, населяющих планету, произойдут нужные для этого события, а не события, этому противоречащие.

Что можно сказать по поводу перехода биосферы в ноосферу с точки зрения современной концепции развития? Во-первых,

процесс трансформации биосферы — это объективная реальность. Мы все, живущие на Земле, являемся свидетелями и в определенной мере участниками этого переходного процесса, даже если не отдаем себе отчета в характере происходящего. Процесс преобразования биосферы начался не вчера и завершится не завтра. По человеческому масштабу времени трансформация растянута на несколько поколений, но в геологическом измерении она мгновенна и ее следует рассматривать как скачок в развитии биосферы. Во-вторых, в основе современных представлений об этом процессе лежит предложенная В.И. Вернадским концепция формирования ноосферы.

13. Изложите современные представления, о структуре и эволюции биосферы, о соподчинении и взаимосвязи элементов в экосистемах. Какие виды биологических взаимоотношений вы знаете? Объясните роль биологического многообразия _ в устойчивости экосистем. Каким образом живое вещество Земли участвует в геофизических и геохимических процессах? Назовите основные принципы природопользования. Попробуйте спланировать для вашего региона мероприятия по охране природы.

Биоценоз - совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих участок среды с более или менее однородными условиями существования и характеризующихся определенными взаимосвязями между собой и средой проживания. Компоненты, образующие биоценоз, взаимозависимы. Изменения, касающиеся только одного вида, могут сказаться на всем биоценозе и даже вызвать его распад. Биоценозы входят в качестве составных частей в еще более сложные системы (сообщества) - биогеоценозы.

Биогеоценоз (экосистема, экологическая система) - взаимообусловленный комплекс живых и абиотических компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергией. Биогеоценоз - одна из наиболее сложных природных систем. Биогеоценозы - продукт совместного исторического развития видов, различающихся по систематическому положению; виды при этом приспосабливаются друг к другу. Биогеоценозы - среда для эволюции входящих в них популяций.

Биогеоценоз - это целостная система. Выпадание одного или нескольких компонентов биогеоценоза может привести к разрушению целостности биогеоценоза в круговороте веществ, что часто ведет к необратимому нарушению равновесия и гибели биогеоценоза как системы.Структура биогеоценоза меняется в ходе эволюции видов: виды в биогеоценозе действуют друг на друга не только по принципу прямой, но и обратной связи (в том числе посредством изменения ими абиотических условий). В целом жизнь биогеоценоза регулируется в основном силами, действующими внутри самой системы, т. е. можно говорить о саморегуляции биогеоценоза. Биогеоценоз представляет собой незамкнутую систему, имеющую энергетические "входы" и "выходы", связывающие соседние биогеоценозы. Обмен веществ между соседними биогеоценозами может осуществляться в газообразной, жидкой и твердой фазах, а также в форме миграции животных.

Биогеоценоз - уравновешенная, взаимосвязанная и стойкая во времени система, которая является результатом длительной и глубокой адаптации составных компонентов. Это - весьма динамическая и в то же время устойчивая сообщность. Устойчивость биогеоценоза пропорциональная многообразию его компонентов. Чем многообразнее биогеоценоз, тем он, как правило, устойчивее во времени и пространстве. Так, например, биогеоценозы, представленные тропическими лесами,

гораздо устойчивее биогеоценозов в зоне умеренного или арктического поясов, так как тропические биогеоценозы состоят из гораздо большего множества видов растений и животных, чем умеренные и тем более арктические биогеоцнозы.

Высокоорганизованные организмы для своего существования нуждаются в более простых организмах; каждая экосистема неизменно содержит как простые, так и сложные компоненты. Биогеоценоз только из бактерий или деревьев никогда не сможет существовать, как нельзя представить экосистему, населенную лишь позвоночными или млекопитающими. Таким образом, низшие организмы в экосистеме - это не какой-то случайный пережиток прошлых эпох, а необходимая составная часть биогеоценоза, целостной системы органического мира, основа его существования и развития, без которой невозможен обмен веществом энергией между компонентами биогеоценоза. Первичной основой для сложения биогеоценозов служат растения и микроорганизмы, продуценты органического вещества (автотрофы). В ходе эволюции до заселения растениями и микроорганизмами определенного пространства биосферы не может быть и речи о заселении его животными. Растения и микроорганизмы представляют жизненную среду для животных - гетеротрофов. Поэтому и границы биогеоценозов чаще всего совпадают с границами растительных сообществ (фитоценозов). Впоследствии и животные играют важную роль в жизни и эволюции растений, участвуя в круговороте веществ, опылении, распространении плодов и т. д.

Вся совокупность связанных между собой круговоротом веществ и энергии биогеоценозов на поверхности нашей планеты образуют мощную систему биосферы Земли. Верхняя граница жизни в атмосфере достигает примерно 30 км, наибольшее количество организмов встречается на высоте до 100 м. В глубь же Земли (литосфера) основная масса существ сосредоточена в самом верхнем слое - до 10 м, хотя отдельные виды микроорганизмов встречаются в нефтеносных слоях на глубине до 3 км. В океане и морях (гидросфера) зона, богатая живыми организмами, занимает слой воды до 100 - 200 м, но некоторые организмы встречаются и на максимальной глубине - до 11 км. О масштабах деятельности живых организмов свидетельствует присутствие мощных биогенных пород, тысячеметровых толщ известняка, огромных залежей каменного угля и т. п. Рассматривая биосферу Земли как единую экологическую систему, можно убедиться, что живое вещество Земли существенно не уменьшается и не увеличивается в массе, а только переходит из одного состояния в другое.

14. Назовите биологические, медицинские и социальные аспекты взаимодействия человека со средой его обитания. Какие потребности и права человека вы бы могли обосновать с биологической точки зрения? Попробуйте на примере семьи, села, города спланировать с биологической точки зрения условия здорового образа жизни. Какие черты общественного устройства, по вашему мнению, могут способствовать сохранению жизни на Земле и расцвету человеческой популяции.

Появление человека как «homo sapiens» (человека разумного) в свою очередь качественным образом изменило не только биосферу, но и результаты ее планетарного влияния. Постепенно стал происходить переход от простого биологического приспособления живых организмов к разумному поведению и целенаправленному изменению окружающей природной среды разумными существами.

Миллионы лет тому назад, на заре формирования человека как разумного существа, его воздействие на природу ни чем не отличалось от влияния на окружающую среду других приматов. И лишь много позднее, фактически за последние несколько тысячелетий, все более существенным оказывается его воздействие на жизнь планеты. Постепенно человек становится

решающим фактором преобразования органических и неорганических форм. Вот почему изучение эволюционного процесса и роли в нем человека сегодня придается огромное теоретическое и практическое значение.

Последствия появления человека как существа, обладающего разумом, и его связь с биосферой многофункциональны. Так, для удовлетворения своих потребностей человек использовал десятки  и сотни видов диких живых организмов. С одной стороны, он одомашнил или вывел огромное количество животных и культурных видов растений, тем самым значительно увеличив разнообразие органических форм в биосфере. С другой стороны, многие виды растений и животных были подвергнуты им беспощадному сознательному или несознательному уничтожению.

В таком взаимодействии живая природа не остается нейтральной. Если геосфера сама по себе в целом пассивно реагирует на вмешательство человека, то живое вещество активно приспосабливается к новым условиям существования и присутствию в природе человека. Так, многократно возросла устойчивость и невосприимчивость многих насекомых и грызунов к ядам, применяемым людьми. Появляются мутационные или измененные виды и популяции, приспособленные к техногенной и загрязненной среде обитания. Многие виды животных меняют формы своего существования, адаптируются к жизни по соседству с человеком (птицы, мелкие животные).

Человек как особая форма жизни и существо, обладающее разумом, вносит принципиально новые элементы во взаимоотношения с природой. Он выступает как автономная целостность внутри биосферы. Живое вещество, преобразуя косное и взаимодействуя с ним, создает биосферу. Аналогично человек, преобразуя биосферу, создает техносферу. Но если при формировании биосферы все биоценозы лишь поддерживают системную целостность путем обмена веществом и энергией, то человек, помимо этих функций, в первую очередь производит овеществление природы, создавая новые искусственные предметы.

Однако далеко не все творения человека находятся в гармонии с окружающей действительностью. И если живые организмы, созданные человеком, в большинстве своем вписываются в общую систему природы, то этого никак нельзя сказать о других предметах, созданных им: зданиях, сооружениях, ландшафтах.  Кроме того, сделанное человеком, как правило. не способствует созданию новых запасов энергии. Бесконечное же истребление полезных ископаемых и живого вещества ставит на грань катастрофы само существование не только разумной жизни, но и жизни как таковой (изобретение ядерного оружия).

Техносфера все больше преобразует природу, изменяя прежние и создавая новые ландшафты, активно влияя на другие сферы и оболочки Земли, и прежде всего опять-таки на биосферу.

Говоря о важнейшем значении техники в жизни человека, нельзя не отметить обостряющуюся сегодня проблему гуманизации техносферы. Пока что наука и техника нацелены главным образом на максимальную эксплуатацию природных ресурсов, удовлетворение нужд человека и общества любой ценой. Последствия непродуманного, некомплексного и, как следствие, антигуманного воздействия на природу удручают. Технические ландшафты из отходов производства, уничтожение признаков жизни в целых регионах, загнанная в резервации природа – вот реальные плоды отрицательного влияния человека, вооруженного техникой, на окружающую среду. Все это является также следствием недостаточного взаимодействия естественных и общественных наук в осмыслении данной проблемы.

15. Изложите основные концепции и законы современной биологии. Попробуйте проследить изменения биологического мировоззрения в связи с методологическими достижениями науки. Дайте примеры изменений в биосферных процессах и в жизни человека, связанных с успехами биологических наук. Расскажите о принципах экоразвития и международном сотрудничестве в этой области.

Представление о том, что "клеточкой" эволюционного процесса выступает не организм, а популяция может рассматриваться как исходный момент в формировании системы методологических установок неклассической биологии. Такая система значительно отличается от методологических регулятивов классической биологии.

В ХХ веке изменилось место биологии в системе наук, отношения биологии с практикой. Биология постепенно становится лидером естествознания . Формами выражения этих тенденций являются следующие процессы:

· укрепление связи биологии, с одной стороны, с точными, с другой - с гуманитарными науками;

· развитие комплексных и междисциплинарных исследований;

· увеличение каналов взаимосвязи, с одной стороны, с теоретическим познанием, с другой - со сферой практической деятельности, и прежде всего с глобальными проблемами современности;

· явное участие запросов практики в актуализации тех или иных проблем биологического познания; непосредственным основанием исследовательской деятельности в биологии все в большей степени выступают прямые практические потребности, интересы и запросы общества.

· кроме того - непосредственно программирующая роль биологии по отношению к аграрной, медицинской, экологической и другим видам практической деятельности;

· возрастание ответственности ученых-биологов за судьбы человечества (прежде всего в связи с перспективами генной инженерии);

· непосредственное проявление гуманистического начала биологического познания; широкое внедрение ценностных подходов и др.;

· все в большей мере становится ясно, что логика биологического познания будет в будущем непосредственно задаваться потребностями практического преобразования природы, развития общественных отношений и интересов людей.

В конце ХХ века заметно преобразовываются методологическая и мировоззренческая функции биологии. Мировоззренческая нацеленность биологии, ориентированность ее результатов на конкретизацию наших представлений об отношении "человек - мир (человека)" реализуется в двух. направлениях:

1) на человека, на выявление взаимосвязей биологического к социального в человеке; на функционирование биологического в общественном (социуме). Человек становится непосредственной исходной "точкой отсчета" биологической науки, от него, для него и на него будет непосредственно ориентировано познание живого. Это направление развивается в контексте взаимосвязи биологического и социального познания; историческим пьедесталом здесь выступает процесс антропосоциогенеза, выявление биологических предпосылок становления человека и общества;

2) на мир, на выявление закономерностей включенности живого в эволюцию Вселенной, перспектив биологического мира в развитии мира космического. Это направление раскрывается прежде всего через взаимосвязь биологических и астрономических наук.

К главе 4

1. Что такое синергетика, какова ее роль в описании эволюционирующих систем?

Одной из последних попыток интеграции научного знания является развитие синергетики - науки о процессах самоорганизации, устойчивости и распада структур различной природы, формирующихся в системах, далеких от равновесия. Интегрирующая роль синергетики заключается в признании и использовании того факта, что перечисленные выше процессы признаются общими как для живой, так и неживой природы. Общность заключается в том, что и биологическим, и химическим, и физическим, и другим неравновесным процессам свойственны неравновесные фазовые переходы, отвечающие особым точкам - точкам бифуркации, по достижении которых спонтанно изменяются свойства среды за счет самоорганизации диссипативных структур.

На синергетику возлагаются большие надежды. Она может быть использована как основа междисциплинарного синтеза знания, как основа для диалога естественников и гуманитариев, для кросс-дисциплинарной коммуникации, диалога и синтеза науки и искусства, диалога науки и религии, Запада и Востока (западного и восточного миропонимания). Кроме того, синергетика может обеспечить новую методологию понимания путей эволюции социальных систем, причин эволюционных кризисов, угроз катастроф, надежности прогнозов и принципиальных пределов предсказуемости в экологии, экономике, социологии, геополитике.

2.   Что нового вносит в наши представления синергетика по сравнению с кибернетикой и системным анализом?

«Синергетика— (от греч. synergetikos— совместный, согласованный, действующий), научное направление, изучающее связи между элементами структуры (подсистемами), которые образуются в открытых системах (биологических, физико–химических и других) благодаря интенсивному (потоковому) обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень ее упорядоченности, т.е. уменьшается энтропия (самоорганизация). Основа синергетики— термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн».

В заключении отметим следующее. Проблематика, содержание, методы исследований и результаты, относимые к синергетике характеризуются неоднозначными оценками и неопределенностью. Вместе с тем, синергетика как научное направление исследований является востребованной обществом. Значительное количество результатов исследований в разных областях знания соотносится исследователями с синергетикой. Контекст синергетики дает возможность плодотворно взаимодействовать ученым разных специализаций на языке системного осмысления и поиска новых решений. Приведенные определения синергетики, полученные преемственным образом, могут конструктивно применяться при решении конкретных задач. Можно предположить, что в связи с существующими и грядущими результатами в кинетической химии, нейробиологии, транспьютерном нейрокомпьютинге и в других областях сформируется более определенный теоретический и аксиоматический базис синергетики, благодаря чему, в частности, и критика в ее адрес станет более конструктивной и продуктивной. Несомненно, при всем том, что синергетика полноценно «работает» сегодня как категория научного знания.

3.  Сформулируйте основные принципы бытия, почему ими нельзя ограничиться при описании эволюции?

Они характеризуют фазу «порядка», стабильного функционирования системы, ее жесткую онтологию, прозрачность и простоту описания, принцип иерархического подчинения Г. Хакена, наличие устойчивых дис-сипативных структур - аттракторов на которых функционирует система.

1.  Гомеостатичность. Гомеостаз это поддержание программы функционирования системы, ее внутренних характеристик в некоторых рамках, позволяющих ей следовать к своей цели. Согласно И. Винеру всякая система телеологична, т.е. имеет цель существования (ну прямо по Аристотелю). При этом от цели - эталона - идеала (реальной или воображаемой) система получает корректирующие сигналы, позволяющие ей не сбиться с курса. Эта корректировка осуществляется за счет отрицательных обратных связей (доля сигнала с выхода системы подается на вход с обратным знаком), подавляющих любое о

тклонение в программе поведения, возникшее под действием внешних воздействий среды. Именно так большую часть времени ведут себя все живые системы, например теплокровные поддерживают температуру тела постоянной в широком диапазоне внешних температур; автопилот самолета, сверяясь с гирокомпасом, выдерживает курс и высоту самолета несмотря на воздушные ямы и порывы ветра. Цель-программу поведения системы в состоянии гомеостаза называют аттрактор (притягиватель).

С простейшими аттракторами мы встречаемся уже в механике: затухающий маятник останавливается в нижней точке, а шарик на дне ямки - это аттракторы положения равновесия - точки. Но возможны и более интересные аттракторы: орел парит в восходящем потоке, пингпонговый шарик висит в вертикальной струе воздуха выдуваемого пылесосом, полотнище флага мерно колеблется на ровном ветру, осины переговариваются дрожащими листьями, по воде пруда пробегает легкая рябь, облака завиваются в грядки, будто их кто-то распахал, и часы-ходики убаюкивающе тикают. Но стоит утихнуть ветру, выключить пылесос, приподнять часовую гирьку и все замирает, приходит в равновесие: облака расплываются, шарик падает, часы замолкают. Эти структуры существуют лишь пока в систему подается поток вещества и энергии - так называемые дис-сипативные (рассеивающие энергию) структуры, далекие от равновесия. Именно такими структурами являются все живые системы, они умирают без постоянной прокачки вещества и энергии через систему, без обмена веществ.

Этот принцип объединяет многие идеи кибернетики, системного анализа и синергетики.

2. Иерархичность. Наш мир иерархизован по многим признакам. Например, по масштабам длин, времен, энергий. Это означает, например, что базовые структуры Вселенной принимают не все возможные значения энергий, но с относительным шагом примерно в 100 раз, начиная от кварков и кончая живыми организмами (лестница Вайскопфа). Само же число уровней необозримо велико, в каждой базовой структуре существует множество подуровней.

Основным смыслом структурной иерархии является составная природа вышестоящих уровней по отношению к нижестоящим. То, что для низшего уровня есть структура-космос, для высшего есть бесструктурный элемент хаоса, строительный материал. То есть Космос предыдущей структуры служит Хаосом последующей, и мы говорим: нуклоны образованы кварками, ядра нуклонами, атомы ядрами и электронами, молекулы атомами, общество людьми и т.д. Но возможна и нематериальная иерархия, например, в языке (слова, фразы, тексты) и в мире идей (мнения, взгляды, идеологии, парадигмы), в уровнях управления и т.д.

Всякий раз элементы, связываясь в структуру, передают ей часть своих функций, степеней свободы, которые теперь выражаются от лица коллектива всей системы, причем на уровне элементов этих понятий могло и не быть. Например, общественное мнение «высказывает» мифический среднестатистический субъект, и вполне может оказаться, что именно так никто не думает. Эти коллективные переменные «живут» на более высоком иерархическом уровне, нежели элементы системы и в синергетике, следуя Г. Хакену, их принято называть параметрами порядка - именно они описывают в сжатой форме смысл поведения и цели-аттракторы системы. Описанная природа параметров порядка называется принципом подчинения, когда изменение параметра порядка как бы синхронно дирижирует поведением множества элементов низшего уровня, образующих систему. Такова в идеале роль законодательства в обществе, делегировавшего государству часть свобод своих граждан; так в бурлящем потоке воды кружит водоворот, увлекающий частицы в слаженном танце.

Будущие формы сложных социальных организаций открыты в виде веера преддетерминированных возможностей. Выходы в будущее узки. Существуют определенные “коридоры” эволюции.

Несмотря на существование целого набора возможных эволюционных путей, многие структуры-аттракторы остаются скрытыми, непроявленными. Многие возможности остаются неосуществленными. Многие внутренние цели не могут быть достигнуты при данных параметрах нелинейной среды. Дело предстает таким образом, что множество вещей остаются существующими в невидимом для нас, латентном мире, мире бурлящих возможностей.

Только ограниченные наборы путей эволюции «разрешены» природой, внутренними свойствами самих сложных систем. Насколько открытым является в таком случае будущее? Или, выражаясь иначе, можно ли сделать эволюционно невозможное возможным? В определенной мере, да. Спектры эволюционных путей в будущее могут трансформироваться из-за изменений собственных свойств соответствующих сложных систем. Благодаря таким трансформациям могут открываться новые возможности дальнейшего развития. Характеристики собственных свойств некоторой сложной системы входят как параметры в соответствующие нелинейные дифференциальные уравнения. Если эти характеристики изменяются, набор собственных функций этого уравнения также изменяется. Это можно выразить посредством ментального образа: поле возможных эволюционных путей сложной системы, т.е. ее древо эволюции, может в большей или меньшей степени перестраиваться в зависимости от внутренних свойств системы.

Некоторые человеческие действия обречены на провал. Действия не приведут к успеху, когда и поскольку они не согласованы с внутренними тенденциями развития сложной системы. Если эти действия не являются надлежащими, резонансными, они наверняка будут напрасными. В таком случае человек должен либо искать способы изменения свойств

соответствующей сложной систем, либо вовсе отказаться от попыток насильно направить систему на несвойственный, чуждый ей путь эволюции.

4.Сформулируйте    принципы    становления,    и    объясните    их    роль    в возникновении нового.

Пять принципов Становления: 3 - нелинейность, 4 - неустойчивость, 5- незамкнутость, 6-динамическая иерархичность, 7- наблюдаемость.

Математический анализ моделей сложных нелинейных открытых систем во второй половине ХХ века привел к возникновению новой науки – синергетики, открывшей общие принципы эволюции и механизмы их осуществления. В конце второго тысячелетия от Рождества Христова наука вновь вернула нас к древнему пониманию сущности мироздания – к представлению о двух силах, двух противоположных тенденциях, благодаря которым мир развивается и преображает ся, удерживаясь все же в относительном равновесии.

Сегодня на уровне математической теории можно утверждать, что любая достаточно сложная система, взаимодействующая со своим окружением, проходит в своем развитии определенные этапы. Вначале из неупорядоченных частей системы вдруг складываются и с колоссальной скоростью начинают расти множество структур – “новых форм”. За счет противоположной, “разрушительной” тенденции скорость роста постепенно замедляется, некоторые формы исчезают, другие приобретают устойчивость. Эта тенденция рано или поздно одерживает верх, погружая все в изначальный хаос, и наступает кризис, порождающий структуры следующего этапа.

Таким образом, математическая модель развития совпадает с мифологической: согласно воззрениям Древней Индии, бог Брахма творит мир, упорядочивая хаос, а Шива разрушает его. В промежутках между двумя рождениями мир устойчив благодаря уравновешивающему началу – богу Вишну. В античных мифах порождающее божество Дионис выхватывает из хаоса бессчетное множество форм, а гармонизирующее начало – Аполлон – уравновешивает его взрывную творческую энергию, успокаивает бешеный рост форм, придает миру соразмерность. Нарушение гармонии - конфликт, необходимый для развития, – погружает систему в животворящий хаос, дающий ростки новой жизни.

Хаос – неизбежный, обязательный атрибут жизни любой достаточно сложной системы. Геометрическим образом хаоса может служить запутанный клубок ниток: по такой же замысловатой, никогда не повторяющейся траектории движется система в период кризиса. Так ведет себя атмосфера Земли – хотя погода сегодня похожа на вчерашнюю, она всегда чем-то от нее отличается, и нет двух одинаковых дней. Так работают сердце и мозг – на их регулярные ритмы наложен хаотический фон, и его исчезновение ведет к скорой смерти пациента.

Этап кризиса характеризуется крайней неустойчивостью: малейшее движение в сторону от траектории может заставить систему сменить сценарий своего развития. Она может отправиться “на второй круг” своей эволюции, лишь немного отличающийся от предыдущего, а может ценой незначительного усилия перейти на принципиально иную, новую орбиту движения. Ведь, действительно, в клубке ниток рядом всегда есть нити, которые ведут в другом направлении, надо лишь “перескочить” на них – и наша судьба резко изменится.

5. Поясните какова роль хаоса в фазе становления.

Как же возникает хаотическое движение? Казалось бы, путей его возникновения должно быть очень много. Однако, выяснилось, что число сценариев процесса хаотизации совсем невелико. Более того, некоторые из них подчиняются универсальным закономерностям, и не зависят (!) от природы системы. Одни и те же пути развития хаоса присуши самым разнообразным физическим, химическим, биологическим и др. объектам. Универсальное поведение напоминает обычные фазовые переходы второго рода, а введение ренормгрупповых и скейлинговых методов, известных в статистической механике, открывает новые перспективы в изучении хаотической динамики.

В течение долгого времени представление о хаотических колебаниях ассоциировалось с допущением, что в системе необходимо возбуждение по крайней мере чрезвычайно большого числа степеней свободы. Эта концепция, по–видимому, сформировалась под действием понятий, сложившихся в статистической механике: в газе движение каждой отдельной частицы в принципе предсказуемо, но поведение системы из очень большого числа частиц чрезвычайно сложно, и поэтому

детализированное динамическое описание теряет всякий смысл. Отсюда — потребность в статистическом описании. Однако, как показали многочисленные исследования, статистические законы, а вместе с ними и статистическое описание не ограничены только очень сложными системами с большим числом степеней свободы. Дело здесь не в сложности исследуемой системы и не внешних шумах, а в появлении при некоторых значениях параметров экспоненциальной неустойчивости движения.

Какие же законы управляют хаосом? Возможно ли создать математический аппарат, позволяющий непротиворечиво описывать хаотическую динамику и предсказывать появление хаоса в тех или иных системах? Наконец, можно ли найти методы предсказания поведения хаотических систем? Ответами на эти и ряд других вопросов занимается так называемая «теория динамического (или детерминированного) хаоса», являющаяся одним из разделов нелинейной динамики. К настоящему времени разработаны методы классификации различных типов хаоса, найдены закономерности его развития, созданы методы, позволяющие отличить, например в эксперименте, хаос от белого шума, и т. п. Более того, было обнаружено и строго обосновано, что сложное пространственно–временное поведение распределенных сред с громадным числом степеней свободы может быть адекватно описано нелинейными системами небольшой размерности.

Физически осмысленное понятие детерминированного описания заключается в том, что начальное состояние процесса задается в силу неизбежных флюктуаций некоторым вероятностным распределением. Задача состоит в том, чтобы на основании известного начального распределения предсказать его эволюцию. Если малые возмущения начального условия с течением времени не нарастают (т. е. имеет место устойчивость), то поведение такой системы является предсказуемым. В противном случае процесс может быть описан только вероятностным образом. По существу именно эти соображения легли в основу современного представления о динамическом хаосе.

Как известно, математическим образом установившихся периодических колебаний является предельный цикл, а квазипериодических — инвариантный тор. И устойчивые циклы, и инвариантные торы являются аттракторами (буквально — «притягателями»), поскольку в прямом смысле они притягивает все близкие траектории. Физически это означает, что при отклонении от таких колебаний (вследствие каких–либо воздействий) система спустя некоторое время вновь возвращается к ним, т. е. такое движение как бы притягивает. Простым примером здесь может служить обычный часовой маятник.

Если диссипативная система проявляет хаотические свойства, то математически это соответствует наличию в ее фазовом пространстве странного (иногда говорят хаотического) аттрактора. Данное понятие впервые было введено в известной работе Д. Рюэля и Ф. Такенса «О природе турбулентности» в 1971 г. и означало притягивающее множество, отличное от конечного объединения гладких подмногообразий. Появление такого подмножества в системах дифференциальных уравнений тогда казалось экзотикой, отсюда и название — странные аттракторы.

6. Сформулируйте признаки катастроф, какие из них универсальны?

Поскольку в определенных ситуациях – в точках катастроф – даже незначительные движения могут повлиять на ход развития, очень полезным окажется умение определять, далеко ли от такой точки находится система. Формально для этого следует изучить зависимость системы от внешних параметров в математических моделях, однако на практике нередко встречаются случаи, когда у исследователя нет даже туманных соображений о том, каким эволюционным уравнением описывается развитие системы. Тем не менее даже в этих ситуациях, патологических с точки зрения математического моделирования, можно указать некоторые косвенные признаки того, что изучаемая система находится вблизи точки катастрофы.

Речь идет о так называемых “флагах катастроф” – особенностях поведения системы, по которым можно судить о приближении критической точки. Перечислим некоторые из них, чаще всего встречающиеся вместе:

1. Бимодал

ьноегь. Смена качества - «старое» на «новое», никаких альтернатив «нового» в разовой катастрофе вы не заметите.

2. Пороговость (скачкообразность). Резкое, скачкообразное изменение в системе при плавном изменении ее параметров происходит в момент достижения параметрами некоторых критических значений.

3. Нарушение симметрии. До прохождения точки катастрофы системе имела симметрию в отношении выбора будущих альтернатив, и равноправие. В точке катастрофы выбор происходит в пользу одной и: альтернатив и симметрия возможностей, равноправие нарушается.

4. Дивергенция (неустойчивость по начальным данным). Малое изменение состояния системы перед точкой катастрофы может радикально повлиять на выбор альтернативы. То, что было рядом до катастрофы окажется разделенным после нее.

5. Гистерезис. Память системы о произошедшей катастрофе, необратимость ее истории. Результат остается даже при исчезновении причины.

7. Как вы понимаете предвестники катастроф, как их использовать?

Два признака особенно важны, т.к. позволяют предсказывать катастрофу в непосредственной близости от нее. Они справедливы всегда.

Увеличение шумовых флуктуации. Этот признак появляется незадолго до точки катастрофы, ярко проявлен в самой «точке» и быстро исчезает после катастрофы. Фактически он обнаруживает жизнь микроуровня, тот андеграунд, который выходит на поверхность, становится значимым в период кризиса системы. Мы подробно рассмотрели это явление в предыдущей главе (принцип динамической иерархичности). При этом «умирающие» макропеременные «агонизируют» и ведут себя все более хаотически. На языке микроуровня это называется увеличением амплитуды флуктуации, т.е. величины кратковременных отклонений от среднего значения, которые мы и наблюдаем как случайные колебания в системе -шум перед и во время катастрофы.

Замедление характерных ритмов (затишье перед бурей).

Пожалуй, наиболее важный принцип, позволяющий загодя предсказать катастрофу. Его смысл прост: перед точкой катастрофы, точкой смены программы функционирования системы, происходит сворачивание, остановка этой программы. Если в ней присутствуют колебания, то они должны замедляться, если же колебаний нет, то их можно искусственно возбудить и наблюдать замедление. В точке катастрофы система уходит от состояния гомеостаза, становится более пластичной, менее упругой, ее собсвенные колебания становятся более мягкими, медленными, низкочастотными. Это прекрасно видно на примере нашей модели маятника: по мере увеличения размаха колебаний маятника его период растет, и обращается в бесконечность в точке бифуркации, когда он застывает в перевернутом состоянии; по мере дальнейшей подкачки энергии уже во вращательное движение период уменьшается. В этой системе характерный период и искать не надо, но что за период в случае неподвижной шпаги? Его можно возбудить, постукивая по шпаге палочкой, будет слышен звенящий тон.

Этот результат носит универсальный характер, не зависит от природы системы и звучит так: характерные, собственные, ритмы системы замедляются по мере приближения к точке катастрофы. Более того, по степени замедления в теории катастроф удается определить тип будущей катастрофы, число альтернативных ее исходов, но это уже серьезная математика.

8.    В   чем   причины   широкой   применимости   модели   "хищник-жертва"   в природных и социогуманитарных системах?

Рассмотрим математическую модель совместного существования двух биологических видов (популяций) типа "хищник - жертва", называемую моделью Вольтерра - Лотки. Впервые она была получена А.Лоткой (1925 г.), который использовал для

описания динамики взаимодействующих биологических популяций. Чуть позже и независимо от Лотки аналогичные (и более сложные) модели были разработаны итальянским математиком В. Вольтерра (1926 г.), глубокие исследования которого в области экологических проблем заложили фундамент математической теории биологических сообществ или так называемой математической экологии.

Пусть два биологических вида совместно обитают в изолированной среде. Среда стационарна и обеспечивает в неограниченном количестве всем необходимым для жизни один из видов, который будем называть жертвой. Другой вид - хищник также находится в стационарных условиях, но питается лишь особями первого вида. Это могут быть караси и щуки, зайцы и волки, мыши и лисы, микробы и антитела и т. д. Будем для определенности называть их карасями и щуками.

Итак, караси и щуки живут в некотором изолированном пруду. Среда предоставляет карасям питание в неограниченном количестве, а щуки питаются лишь карасями. Обозначим

у - число щук,

х - число карасей.

Со временем число карасей и щук меняется, но так как рыбы в пруду много, то не будем различать 1020 карасей или 1021 и поэтому будем считать х и у непрерывными функциями времени t. Будем называть пару чисел (х, у) состоянием модели.

Попробуем из самых простых соображений найти, как меняется состояние (х, у). Рассмотрим dx/dt - скорость изменения численности карасей. Если щук нет, то число карасей увеличивается и тем быстрее, чем больше карасей. Будем считать, что эта зависимость линейная : dx/dt ~ a1 x, причем коэффициент a1 зависит только от условий жизни карасей, их естественной смертности и рождаемости.

В экосистеме скорость изменения численности каждого вида также будем считать пропорциональной его численности, но только с коэффициентом, который зависит от численности особей другого вида. Так, для карасей этот коэффициент уменьшается с увеличением числа щук, а для щук увеличивается с увеличением числа карасей. Будем считать эту зависимость также линейной. Тогда получим систему из двух дифференциальных уравнений:

dx/dt = a1 x - b1 yx

dy/dt = - a2 y + b2 yx

Эта система уравнений и называется моделью Вольтерра-Лотки. Числовые коэффициенты a1, a2, b1, b2 - называются параметрами модели. Очевидно, что характер изменения состояния (x, y) определяется значениями параметров. Изменяя эти параметры и решая систему уравнений модели, можно исследовать закономерности изменения состояния экологической системы.

Модель может быть перенесена в самые разные сферы жизни, таким колебаниям подчиняются: вылов рыбы, тренировки спортсмена, спрос и предложение, борьба с преступностью, экономические циклы, смена стилей в науке и искусстве, колебания моды, волны эпидемий и т.д. Продолжите список сами.

В таких же отношениях находятся человек и биосфера, любой восполнимый ресурс и его использование. Западная цивилизация раскачала слишком много циклических процессов в природе и обществе. Своевременное осознание описанного простого механизма избавило бы человечество от многих ошибок, и не входили бы мы сейчас в апокалипсическую фазу глобального кризиса. Попробуйте найти аналоги «хищников» и «жертв» в приведенных выше или своих примерах. Однако не стоит забывать, что далеко не все эта модель объясняет, например, не описывает колебания успеха в состязании боксеров (жертва не дает сдачи).

9. Перечислите сценарии перехода к хаосу.

Как известно, в уравнениях динамических систем обычно присутствуют параметры — величины, которые считаются постоянными во времени, но от задания которых может зависеть характер реализующегося в системе режима. Можно представить себе, что система заключена в черный ящик, на котором имеется несколько ручек настройки. Предположим, что при одном положении ручек наблюдается регулярный режим динамики, например, периодические колебания, а при другом —

хаос. Если мы плавно меняем настройку так, чтобы перейти от первой ситуации ко второй, то какой будет на пути к хаосу последовательность бифуркаций — событий, состоящих в качественном изменении характера наблюдаемого режима? Об этой последовательности бифуркаций принято говорить как о сценарии перехода к хаосу. При этом подразумевается, что имеется сравнительно немного сценариев, являющихся в определенном смысле слова типичными, так что проблема их классификации и изучения не является необозримой.

Общепризнанно, что отправным пунктом в исследовании проблемы перехода к хаосу послужила работа Л.Д.Ландау, опубликованная в 1944 г. В ней ставится вопрос о том, как возникает турбулентность при увеличении числа Рейнольдса, основного управляющего параметра в гидродинамических задачах. Согласно предложенному Ландау сценарию, первичное течение теряет устойчивость по отношению к колебательному возмущению на некоторой частоте, затем возникшее осциллирующее течение в свою очередь становится неустойчивым по отношению к возмущению на другой частоте и т. д. В результате большого числа бифуркаций, которые сопровождаются возникновением все новых и новых частот, находящихся в иррациональных отношениях, возникает сложный динамический режим — турбулентность. Несколько позднее аналогичные представления были развиты немецким математиком Эберхардом Хопфом. Он предложил также конкретную модельную систему, демонстрирующую усложнение динамики в результате последовательного рождения составляющих с несоизмеримыми частотами.

В начале 70-х годов анализ Ландау и Хопфа был подвергнут критике в работе исследователей из Франции и Голландии Дэвида Рюэля и Флориса Такенса. Согласно их утверждению, после рождения первых трех (в другой версии теоремы — после четырех) составляющих с несоизмеримыми частотами может возникать странный аттрактор, который характеризуется неустойчивостью принадлежащих ему фазовых траекторий (Ruelle, Takens, 1971; Newhouse, Ruelle, Takens, 1978). По Рюэлю и Такенсу, странный аттрактор и есть математический образ турбулентного движения. Ситуация, когда имеет место большее число бифуркаций не то чтобы невозможна, но атипична, т. е. практически невероятна.

Проблема сценариев возникновения хаоса не ограничивается качественной стороной, т. е. не сводится к перечислению возможных последовательностей бифуркаций, а имеет количественный аспект.

Итак, в итоге изучения вопроса о переходе динамических систем к хаосу сложилось представление о трех основных сценариях, а именно:

1. Перемежаемость - в системе сначала возникают вспышки хаоса в регулярной работе, а затем погружение в хаос.

2.  Период 3 рождает хаос (если в системе произошло утроение периода следует ждать хаоса).

3. Универсальность Фейгенбаума (череда удвоений периода колебаний системы, после чего наступает хаос).

10. Сформулируйте стратегии преодоления кризиса.

1. «Силовая», если кризис краткий (меньше горизонта предсказуемости) - можно разогнать систему (прицелиться) в нужную альтернативу (спортивные проход на байдарке через узкую полосу порогов). Так можно реструктурировать предприятия, вылечить начинающуюся простуду и т.д.

2. Затяжной кризис «вероятностная» стратегия: система попадает в самые разные области, и мы можем изучить за долгое время вероятность ее появления в них, тогда по завершении кризиса можно говорить о вероятности альтернатив-сценариев

(любимая тема политологов), влиять на кризис силовым образом не удается, но можно менять правила игра и вероятности тоже изменятся.

3. Промежуточный, самый сложный вариант: неизвестна продолжительность кризиса, или она соизмерима с горизонтом предсказуемости. Здесь огромную роль начинает играть личностное начало, интуиция, когда включить силовой сценарий.

11 Что такое горизонт предсказуемости и каковы принципы прогнозирования в хаосе.

Из-за неустранимых элементов хаоса и наличия странных аттракторов в поведении сложных систем существуют определенные пределы нашего проникновения в будущее. Существует горизонт нашего видения будущего даже для достаточно простых физических и химических эволюционирующих систем и, тем более, для экологических, социальных, человеческих систем.

Существование странных, или хаотических, аттракторов один из фундаментальных фактов в теории самоорганизации сложных систем. Странные аттракторы открыты к настоящему времени практически всюду, в самых различных областях природного и человеческого мира, начиная с метеорологии и физики плазмы и кончая нейрофизиологией, изучением различных типов активности человеческого мозга. Если быть более точными, то это тепловая конвекция (собственно говоря, именно тот странный аттрактор Э.Лоренца, с которого в 1963 г. начались исследования в данном направлении), некоторые типы волн в плазме, генерация излучения лазера в некотором диапазоне параметров, движение некоторых небесных тел (например, астероидов), переполюсовка магнитных полюсов Земли, погода и долговременные климатические изменения, многие химические и биохимические реакции в открытых системах, колебания численности биологических популяций, активность головного мозга человека в состоянии глубокого сна, определяемая по электроэнцефалограмме.

Странные аттракторы показывают нам пределы предсказуемости эволюционных процессов и существование областей принципиальной непредсказуемости явлений. Например, согласно убеждению большинства экспертов сегодня, принципиально невозможно предсказывать погоду на 3-5 недель вперед, т.е. давать среднесрочные прогнозы. Система циркуляции в атмосфере Земли обладает свойством чувствительности к начальным данным: смежные траектории расходятся экспоненциально. Вероятностное, хаотическое поведение динамических сложных систем обусловлено не ограниченностью наших инструментов исследования, а самой природой этих систем.

«Горизонт предсказуемости» может быть истолкован и несколько иначе, как «глубина памяти» сложных нелинейных систем. «Он дает характерный временной масштаб, определяющий, на каких временах будут сказываться изменения начальных данных на величину ε. Он показывает, насколько быстро будут “забыты” системой последствия наших действий, если мы можем изменить состояние последней на ε. По существу, горизонт прогноза характеризует “память” изучаемого объекта».

12. Фрактальные структуры в природе и динамическом хаосе, в чем причина их повсеместности?

Понятие "фрактал" было введено Бенуа Мандельбротом в 1975 году. Фрактал, в определении Мандельброта, это структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. Такое определение позволяет охватить наиболее широко множество объектов, которые подпадают под понятие "фрактал". Таким образом, самоподобие является одним из основных признаков фракталов. Небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале.

Подавляющее большинство объектов в природе не могут быть описаны с применением гладких кривых, гладких поверхностей, свойственных привычным геометрическим фигурам. Для описания природных объектов больше подходят недиференцируемые кривые. Если двигаться в сторону меньших масштабов и углубляться в область микромира, то начинают сказываться квантовые проявления в природе. Для такого уровня описания природы гладкие кривые принципиально неприменимы. "Правильные" евклидовы объекты являются математической абстракцией, природа же предпочитает негладкие, шероховатые, зазубренные и т.п. формы. К евклидовой геометрии и к геометрии Лобачевского-Бойяи добавилась новая геометрия, отличие которой состоит в том, что она не оперирует гладкими объектами и привычными формами типа треугольника, квадрата, круга, шара и т.п. Фракталы остро обнажили то, что не замечалось раньше, а именно, что почти два тысячелетия человечество изучало правильные и гладкие кривые, считая евклидову геометрию геометрией природы. В математике известно, что иррегулярные функции составляют подавляющее большинство по сравнению с непрерывными, гладкими кривыми, поэтому

диференцируемость есть нетипичное свойство функций и траекторий. В то же время недиференцируемость является типичным свойством кривых, относящихся к природным объектам. Фрактальная геометрия открывает путь к изучению свойств природных объектов, выражаемых степенными законами.

Фракталы широко представлены как в математике, так и в природе. Фракталы применяются в компьютерной графике, в математике, в механике, в физике. Фракталы стали новым направлением в искусстве, демонстрируя собой настоящие шедевры - картины необычайной красоты и привлекательности. Красота фракталов тем более интригующа, поскольку она проявляется на объектах полученных чисто математическими приемами. Фракталы становятся новым инструментом познания мира. На рис. 1 приведена классификация фракталов. В этой классификационной таблице фракталы представлены двумя классами. Один класс представлен "рукотворными" фракталами, другой класс представлен природными фрактальными структурами. К классу "рукотворных" фракталов относятся геометрические, алгебраические и стохастические фракталы. Природные фрактальные структуры представлены физическими фракталами.