Лекции по экологии

из всех возможных состояний в каждый момент времени реализуется то состояние, с которым связано наименьшее количество изменений.

Резонно возникает вопрос: если в любой момент времени природа реализует только оптимальные состояния и процессы, почему же в мире так много абсурда, ошибок, далеких от понятия оптимальности? Или может быть человек, приведший планету к экологической катастрофе, является исключением, для которого закон оптимальности не писан? Но ведь не только человек совершает абсурдные поступки. Разве есть какая-то оптимальность в поведении ночной бабочки, летящей на огонь, или стаи саранчи, уничтожающей всю растительность в округе и затем гибнущей от голода, или мухи, бьющейся о стекло?

Оказывается в природе действует один из самых эффективных алгоритмов поиска оптимального решения: метод случайного поиска.

Например, муха не имеет того зрительного и аналитического аппарата, который есть у человека. Это мы понимаем, что нужно чуть отклониться в сторону и вылететь в открытую форточку. Мухе же не известно, есть ли вообще выход из той ситуации, в которую она попала (фасеточный глаз мухи не в состоянии различить стекло и открытую форточку). Но случайный поиск гарантирует, что решение рано или поздно будет найдено, если оно, в принципе, возможно. Более того, случайный поиск позволяет иногда находить выход даже из, казалось бы, тупиковых ситуаций (так муха может найти свое решение задачи, а не то, которое для нее приготовили мы, например, она может отыскать и вылететь в щель, о которой мы даже не подозревали).

Природа очень часто задействует подобные алгоритмы оптимизации. Так, например, очень показательна в этом смысле тактика поиска мест взятка (нектара и пыльцы), осуществляемая пчелиной семьей. Если одна из пчел найдет богатую цветочную поляну, то при возвращении в улей она совершает свой знаменитый “танец на сотах”, который “рассказывает” другим пчелам, куда нужно лететь, сколько энергии для этого потребуется, какие именно цветы растут на поляне и т.п. После этого множество пчел вылетает по месту назначения. При этом они демонстрируют хорошее понимание переданной им информации. Но почему-то не все пчелы, наблюдавшие танец, достаточно пунктуальны. Некоторые из них сбиваются с пути или даже изначально летят в не правильном направлении, иногда в совершенно противоположном. Это уменьшает количество принесенного в улей взятка. Но, оказывается, подобные ошибки изначально запрограммированы и несут в себе большую пользу. В принципе, природа могла бы наградить пчел абсолютной роботоподобной безошибочностью в понимании друг друга. Но она дала пчелам “право на ошибку”. Даже процент пчел, сбившихся с пути, определен достаточно строго (около 5%). Именно “ошибочные” вылеты приносят, как правило, в улей информацию о других богатых источниках взятка, на которые эти пчелы иногда случайно натыкаются. Без определенной доли ошибки, абсурда, случайности природа не смогла бы развивать и усложнять свои формы.

22

Таким образом, в абсурде всегда есть доля здравого смысла. Без абсурда невозможно достичь оптимального состояния. Вероятно, каждому человеку придется многое пересмотреть в своем мировоззрении, в своем отношении к своим и особенно к чужим ошибкам. Может быть, мы наконец-

то осознаем мудрость слов Иисуса Христоса -“Не судите, да не судимы будете”?

Выводы:

1. Под Вселенной следует понимать всю совокупность объективной и субъективной реальности как материального, так и идеального плана.

2. В природе действует один из самых эффективных алгоритмов поиска оптимального решения: метод случайного поиска.

3. Во Вселенной господствует принцип оптимальности, который является прямым следствием принципа единства Вселенной и принципа дополнительности. Именно эволюция форм проявления принципа оптимальности породила в конечном итоге человеческий разум. Вселенной же в целом он присущ изначально.

Тесты для самопроверки

1. Что следует понимать под Вселенной?

А. Всю совокупность объективной реальности Б. Всю совокупность физической реальности

В. Всю совокупность объективной и субъективной реальности как материального, так и идеального плана Г. Различные формы существования материи

2. Каков радиус Вселенной?

А. 1 миллиард световых лет Б. 5 миллиард световых лет В. 10 миллиардов световых лет Г. 30 миллиардов световых лет

3. Что такое световой год?

А. Расстояние в вакууме, покрываемое светом за один год, равное 9,46 миллиона км Б. Расстояние в вакууме, покрываемое светом за один год, равное 15 миллионов км

В. Расстояние в вакууме, покрываемое светом за один год, равное 9,46 миллиона миллионов км Г. Расстояние в вакууме, покрываемое светом за один год, равное 1 миллиону миллиона км

4. Формулировка закона Хаббла - …

А. Все далекие галактики удаляются от нас со скоростями, прямо пропорциональными расстояниям до них Б. Вселенная представляет собой расширяющуюся четырехмерную сферу

В. Чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется Г. Все галактики удаляются от земли с постоянной скоростью

5. Каков возраст Вселенной?

А. 2 миллиарда лет Б. 10 миллиардов лет В. 30 миллиардов лет Г. 20 миллиардов лет

23

Лекция 4

Глобальный эволюционный процесс

Цель: познакомиться с законами, лежащими в основе возникновения жизни, и с теориями происхождение жизни на Земле.

Если мы не знаем своей истории, то мы обречены на повторение ошибок, свершенных уже однажды. Как возникла земная жизнь? Были ли в истории Земли катастрофы, подобные той, которая грозит нам? В чем их причины? Можем ли мы хоть как-то изменить «логику» катастроф и надо ли это делать?

4.1 Принцип самоорганизации

Динамика Вселенной проявляется в двух противоречивых взаимодополнительных процессах: разрушение и созидание.

Исторически первым был открыт принцип разрушения, который более известен как второй закон термодинамики, или принцип роста энтропии: в любом реальном процессе энтропия Вселенной возрастает. Как выяснилось,

этот закон имеет всеобщий характер. Он прошел проверку временем и до сих пор считается одним из фундаментальнейших законов природы. Что такое энтропия?

1.Энтропия есть мера хаоса, а также мера неопределенности, непредсказуемости, абсурда в системе. Мера определенности,

предсказуемости, логичности в системе называется негэнтропией или информацией. Чем более упорядочена структура системы, тем более она предсказуема, тем больше ее негэнтропия.

То есть согласно принципу роста энтропии любой процесс сопровождается разрушением упорядоченных структур систем Вселенной и нарастанием хаоса и неопределенности.

2.Энтропия является также мерой качества энергии, под которым понимают степень ее концентрации и направленности. Чем больше качество энергии, тем меньше ее энтропия, тем большее количество превращений из одной формы в другую она может претерпеть. Например, электрическую энергию (направленное движение электронов) можно превратить в механическую (направленное движение физического тела), затем опять в электрическую, затем, например, в химическую и т.д. При каждом превращении часть энергии необратимо рассеивается в тепло (хаотическое движение частиц), так что КПД любого превращения энергии всегда меньше единицы. В конце концов, вся энергия после ряда превращений переходит в тепловую форму. Это конечный пункт любой порции энергии. Дальнейшее полезное использование этой энергии возможно только при наличии более холодного резервуара (холодильника) в окружающей среде. Но когда температура данной порции энергии станет равной температуре окружающей среды, ее повторное использование становится невозможным, энергия окончательно деградирует.

24

То есть любой процесс сопровождается понижением качества энергии, которая стремится рассеяться по всему объему Вселенной. Это необратимо. Круговорот энергии невозможен. Все в мире разрушается и деградирует. Как считал Больцман, когда-нибудь вся энергия рассеется по Вселенной, выравняются все температуры, и все процессы остановятся, что знаменует собой “тепловую смерть Вселенной”.

Согласно современным представлениям “тепловая смерть” нам не угрожает, так как Вселенная расширяется, о чем Больцман еще не знал.

Парадокс жизни состоит в том, что вопреки второму закону термодинамики биосистемы способны наращивать и усложнять свою упорядоченную структуру, понижая тем самым внутреннюю энтропию.

Долгое время теория эволюции развивалось в полном отрыве от физики, которая не могла понять, как это вообще возможно объяснить феномене жизни.

Ответ был получен только в середине двадцатого века, когда выяснилось, что запрет существует только для замкнутых систем, которые в чистом виде в природе вообще отсутствуют. Все живые организмы существуют только потому, что они открыты для окружающей среды.

Парадокс был рожден, по сути дела, механистическим подходом к попытке понять жизнь. Только в механистической науке существует понятие замкнутой системы, оторванной от внешнего мира.

Наличие процессов эволюции, усложнения форм жизни вытекает из принципа единства Вселенной и принципа дополнительности (дуальности): при наличии во Вселенной процессов разрушения следует ожидать в ней равного по объему созидания. Более конкретно, жизнь является следствием принципа Ле Шателье - Брауна: рост энтропии Вселенной вызывает процессы,

сдерживающие этот рост, то есть направленные на рост негэнтропии, а значит, на возникновение и усложнение упорядоченных структур. Это называется самоорганизацией.

Существование жизни во Вселенной оказывается возможным лишь благодаря данному нам “разрешению” на разрушение окружающей среды и рассеяние энергии. Любое изменение внутри самоорганизующейся системы (например протекание физиологических процессов в организме) согласно второму закону термодинамики приводит к росту энтропии (неопределенности, хаоса, ошибки). Это грозит живому организму потерей упорядоченности. Поэтому организм может существовать, лишь выводя эту энтропию (хаос) в

окружающую среду. Вывести энтропию значит упорядочить внутреннюю

организацию.

Таким образом, человек, в принципе, не может жить не разрушая. Другое дело, в каких количествах мы можем разрушать. Природа накладывает

определенный “лимит” на разрушение.

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

25

воздействия такая система должна вернуться в исходное состояние. Для устойчивых систем характерно подобие части и целого.

Однако подобие не должно быть абсолютным. Как уже говорилось,

устойчивые структуры гармоничны, то есть в них заложено "золотое соотношение" между предсказуемостью и непредсказуемостью.

По-видимому, основная причина экологической катастрофы заключается в следующем: человек выделился из природы, утратил связь и подобие с ней, стал слишком “свободным”, а потому пошел вслепую по пути, ведущему в «пропасть». Здесь же и ответ на вопрос, как избежать катастрофы. Надо вспомнить, что не природа (метасистема) должна подстраиваться под человека, а человек должен принять главенствующую роль природы и подчиниться ее требованиям.

Но, возможно, наше поведение, наш “бунт” против матери-природы является закономерным и фатально неизбежным? То есть вполне возможно, что сама природа предусмотрела для каких-то целей вероятность подобных бунтов. Для ответа на этот вопрос надо посмотреть, было ли нечто подобное в истории Вселенной.

4.2 Современная космологическая модель

В момент рождения Вселенной была сверхэкстремальная ситуация.

Тем не менее, основные принципы, рассмотренные нами, вероятно, уже действовали. И сразу же наметились две тенденции в жизни Вселенной:

разрушение вакуума (ничто есть идеально упорядоченная структура) и созидание (самоорганизация) материи.

Мы не знаем, какими были самые первые структуры во Вселенной. Возможно, в первые моменты бытия Вселенной были реализованы такие первичные структуры, которые имеют прямые аналогии с идеальными образами, используемыми человеком в процессе мышления. Поэтому все

древние космологические концепции рисуют творение Вселенной, как свободный волевой акт единого Творца.

Основные особенности современной космологической модели:

1) В ходе процессов уже на первых миллисекундах Вселенная стала почему-то электрически неоднородной, возникли условия для зарождения пар противоположно заряженных частиц. То есть Вселенную на этом этапе можно представить в виде своеобразного вакуумного конденсатора, рождающего "из ничего" пары частица-античастица. Откуда взялась энергия для рождения этих частиц? По этому поводу нет единого мнения. Любые рассуждения на эту тему являются лишь гипотезами. Если исходить из информационной модели

Вселенной - энергия есть разность между тем, чего мы могли бы иметь, и тем, чего мы на самом деле имеем. Именно эта разность порождает движущую силу, приводящую в действие весь эволюционный процесс во Вселенной.

Мир элементарных частиц, вероятно, был очень разнообразен. Наши синхрофазотроны довольно грубо моделируют процессы того времени. С ростом количества частиц электрическая неоднородность сглаживалась

26

(конденсатор разряжался). "Рождаемость" частиц сначала замедлилась, потом прекратилась. В этой стадии развития Вселенной наряду с рождением

зарядов присутствовала и их смерть - аннигиляция частиц и античастиц. И вот "рождение" прекратилось, но аннигиляция осталась. Это была "первая экологическая катастрофа", известная нам. К счастью, ранняя Вселенная была почему-то асимметрична: электронов оказалось чуть больше, чем позитронов, а протонов больше, чем антипротонов. Поэтому на каждые

100 миллионов пар "выжила" одна частица. Этого оказалось достаточно для того, чтобы построить все вещество Вселенной, которой в ту пору было несколько секунд от роду.

2)Эпоха элементарных частиц закончилась. В итоге Вселенная

"открыла" устойчивые частицы, которые стали элементами для построения систем более высокого иерархического уровня. Если бы этого не произошло и разрушение элементарных частиц было бы полным, то Вселенная достигла бы максимума энтропии Smax (Вселенная, заполненная излучением) и, возможно, прекратила бы свое существование (хотя бы потому, что без вещества не определены понятия пространства и времени). Возникновение

устойчивых частиц повысило максимально возможное значение энтропии Вселенной до какой-то новой величины Smax, то есть появилась возможность дальнейшего роста энтропии, но уже не за счет разрушения частиц, а за счет их рассеяния и перемешивания в разных комбинациях.

3)Этот алгоритм в дальнейшем повторяется. То есть в процессе

стремления систем к максимуму энтропии Smax они обязаны найти устойчивые формы, которые смогут отодвинуть само значение Smax. Чем сложнее система, тем большее количество подсистем содержится в ее структуре. При этом каждая частица (элемент) может входить одновременно во множество подсистем. Это значит, что возрастает количество реальных объектов (частиц, подсистем, систем и т.д.), которые являются слагаемыми энтропии, что и обеспечивает возрастание максимально возможного значения энтропии Smax. Этот процесс мы и называем эволюцией.

4)Вселенная расширялась и охлаждалась, частицы теряли энергию и конденсировались в атомы, в основном, водорода. Правда, считается, что на этой же стадии присутствовал и гелий (порядка 30%). Более тяжелые элементы практически отсутствовали, они образовались на более поздних этапах эволюционного процесса.

5)Любые неоднородности плотности водорода усиливаются силами гравитации и в результате водородно-гелиевое облако распадается на сгущения

(протогалактики). Из сгущений внутри галактик рождаются звезды первого поколения. Здесь пока нет полной ясности.

6)Солнечная система родилась около пяти миллиардов лет назад путем конденсации газово-пылевого облака. Поэтому Солнце - это звезда второго поколения.

Солнце и планеты формировались, по-видимому, одновременно. Ближе к Солнцу могут образовываться тела только из тяжелых и тугоплавких материалов. Легкие вещества испаряются и улетучиваются на более дальние

27

орбиты. Поэтому ближние к Солнцу планеты более твердые. Они образуются путем слияния астероидов и осаждения пыли на орбите данной планеты. Орбиты планет близки к окружностям, диаметры которых подчинены правилу золотого сечения (закон Боде). Согласно закону Боде между Марсом и Юпитером должна находиться еще одна планета, вместо которой обнаружен пояс астероидов. Возникли разного рода фантастические предположения о гибели существовавшей когда-то на этой орбите планеты Фаэтона. Об этом же свидетельствуют и некоторые мифические сюжеты. Ученые же считают, что эта орбита является естественной границей между малыми плотными планетами и планетами-гигантами, что породило неустойчивость, не позволившую здесь сформироваться ни малой планете, ни планете-гиганту.

Выводы:

1.К моменту образования Земли эволюция Вселенной подготовила возможность зарождения земной жизни.

2.Расширяясь, Вселенная быстро остывает, что приводит к возникновению фрактальных структур, объединяющих в себе порядок и случайность, хаос. Примерами фрактальных структур являются снежинки, морозные узоры на стекле, береговые линии морей, ветви дерева, спиральная формы ракушек и т.п. Особенно типичными фрактальными структурами являются биосистемы. Обычно фрактальные структуры возникают при сравнительно быстрой потере энергии в открытой системе, когда элементы системы не успевают перестроиться в симметричные упорядоченные структуры, поэтому в них сохраняется доля хаоса.

3.При остывании появляется возможность устойчивого существования все более сложных структур, которые разрушились бы при более высоких энергиях.

4.По мере расширения Вселенной усложняются формы организации материи, то есть сложность форм как-то связана с объемом Вселенной.

5.Пока Вселенная расширяется, эволюцию не остановить. Не известно, является ли именно расширение Вселенной движущей силой глобального эволюционного процесса, но эти два процесса, вероятно, тесно связаны друг с другом.

Тесты для самоконтроля

1. Что такое энтропия?

А. Мера определенности, предсказуемости, логичности в системах Б. Мера хаоса, а также мера неопределенности, непредсказуемости, абсурда в системах В. Упорядоченная структура системы Г. Разрушение и созидание в системах

2. Что такое негэнтропия или информация?

А. Мера определенности, предсказуемости, логичности в системах Б. Мера хаоса, а также мера неопределенности, непредсказуемости, абсурда в системах В. Упорядоченная структура системы Г. Разрушение и созидание в системах

28

3. Принцип самоорганизации

А. вопреки второму закону термодинамики биосистемы способны наращивать и усложнять свою упорядоченную структуру, понижая тем самым внутреннюю энтропию.

Б. рост энтропии Вселенной вызывает процессы, сдерживающие этот рост, то есть направленные на рост негэнтропии, а значит, на возникновение и усложнение упорядоченных структур.

В. рост энтропии Вселенной уравновешивается ростом негэнтропии Г. устанавливает связь между температурой и плотностью вещества в момент сингулярности.

4. Парадокс жизни состоит в том, что…

А. вопреки второму закону термодинамики биосистемы способны наращивать и усложнять свою упорядоченную структуру, понижая тем самым внутреннюю энтропию.

Б. рост энтропии Вселенной вызывает процессы, сдерживающие этот рост, то есть направленные на рост негэнтропии, а значит, на возникновение и усложнение упорядоченных структур.

В. рост энтропии Вселенной уравновешивается ростом негэнтропии Г. устанавливает связь между температурой и плотностью вещества в момент сингулярности.

.

29

Лекция 5

Эволюция жизни на Земле. Планета как живой организм

Цель: познакомиться с современными теориями появления жизни на Земле и особенностями эволюционного процесса.

5.1 Теории появления жизни на Земле

Существует несколько теорий появления жизни на Земле. Из них можно выделить три наиболее известные:

теория креационизма (от английского слова create - создавать) - жизнь создана высшим существом - Богом;

теория панспермии - жизнь принесена на Землю из космоса; так уже в метеоритах находят белковые соединения;

теория эволюции - жизнь на Земле народилась вследствие естественных законов усложнения форм организации материи.

У каждой теории есть свои плюсы и минусы, свои сильные и слабые стороны. Так теория панспермии многое объясняет, но не решает вопроса о происхождении жизни во Вселенной вообще, вопрос лишь отодвигается на более далекие космические объекты. К тому же существует ряд веских аргументов в пользу земного происхождения жизни. Например, известно, что только земная биоорганика обладает оптической асимметрией. Так если раствор сахара, полученного из свеклы (“живой сахар”), осветить лучом поляризованного света, то плоскость поляризации луча на выходе оказывается смещенной вправо на некоторый угол. Если же сахар синтезирован искусственным путем, то такой раствор не поворачивает плоскость поляризации света. Вся биоорганика Земли поворачивает плоскость поляризации света.

Вся “космическая” и искусственная органика оптически нейтральна.

Известно также, что вся 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, как, например, в компьютерной таблице кодировки символов. Но однажды принятый “стандарт” един для всех биосистем Земли и никогда не нарушается.

Теория креационизма хорошо вписывается в принцип роста энтропии и легко объясняет природу целесообразности в устройстве Вселенной.

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 (науки о

30

самоорганизации) и неравновесной термодинамики позволяют надеяться на то, что в научном понимании жизни уже в ближайшее время ожидается существенный прорыв. Мы уже понимаем механизмы самоорганизации. И все же целесообразность Вселенной не вписывается в концепции "слепых законов природы". Необходимо всегда помнить о принципе дополнительности. Теория эволюции, безусловно, идет по верному пути, но эмерджентные свойства

природы оказываются близкими к идеальным формам, до сих пор остающимся лишь в ведении религиозных и мистических культов и учений.

Земная жизнь является естественным следствием глобального эволюционного процесса, который в свою очередь достаточно однозначно (телеологично) “запрограммирован” в структуре изначальных принципов существования Вселенной.

Под действием сил гравитации протопланетное облако сжимается и недра планеты значительно разогреваются. Сейчас температура ядра Земли составляет порядка 4000-5000оС. Уплотнение протопланетного сгущения и нарастание температуры недр свидетельствует об уменьшении энтропии внутри планеты, а значит, и о процессах структурообразования (для тепловой энергии высокая температура является показателем низкой энтропии). В соответствии с теорией самоорганизации это говорит о том, что планета является типичной устойчивой самоорганизующейся системой. Другими словами, это есть одна из форм небиологической жизни.

По мере возрастания температуры недр возрастает и поток энергии в космос, который выступает для разогревающейся планеты в роли

“холодильника”. Согласно принципу Ле Шателье - Брауна это приводит к

формированию структур, аккумулирующих энергию, уменьшая темпы остывания планеты, то есть происходит формирование своего рода “теплоизолирующего” слоя планеты.

Насколько мы знаем, в настоящее время недра планеты больше не разогреваются, то есть согласно теории самоорганизации, информация

может расходоваться только на формирование и поддержание упорядоченных структур. Значит, недра планеты имеют достаточно сложную организацию. И эта организация усложняется по мере того, как разогреваются недра планеты и остывает ее поверхность.

Иная картина складывается на ее поверхности. Здесь можно выделить два основных источника энергии: энергия Солнца и энергия недр планеты. В

период разогревания планеты, по-видимому, именно за счет возрастающего потока энергии из ее недр формировались и усложнялись первые формы биологической жизни. По мере ослабевания темпов разогрева недр планеты и роста мощности “теплоизолирующего” слоя понижается температура на поверхности и поток собственной энергии планеты уменьшается. Поэтому тем формам жизни на поверхности планеты, которые существуют за счет этого потока энергии, суждено, вероятно, постоянно уменьшать сферу своего присутствия. В наше время она представлена лишь хемосинтезирующими бактериями и некоторыми многоклеточными организмами в глубоководных впадинах. Чем ниже температура на поверхности планеты, тем

31