<< Пред. стр.

стр. 4
(общее количество: 6)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Поскольку популяции, как отмечалось выше, являются элементарными единицами микроэволюции, постольку становится необходимым также рассмотреть эту их характерную особенность, но мы отложим обсуждение этого вопроса до освещения общих проблем эволюции. Теперь же перейдем к анализу биосферного уровня организации живого.


Основные понятия и термины

Аминокислоты
Эукариоты
Белок
Биоценоз
Витализм
Вирус
Генетическая информация
Геном
Классификация
Живая структура
Клетка
Метаболизм
Мутации
Молекулярный уровень
Нуклеиновые кислоты
Прокариоты
(ДНК, РНК)
Редукционизм
Хиральность



Литература

Основная:
Кузнецов В. И., Идлис Г. М., Гутина В. Н. Естествознание. - М., 1996. Гл. XIII-XVII.

Дополнительная:
Заренков Н. А. Теоретическая биология. - М., МГУ, 1988.


Подумайте и ответьте

В чем состоят характерные особенности описательной биологии?
Как пытались объяснить процессы жизнедеятельности сторонники механицизма и редукционизма?
В чем заключается ошибочность витализма в биологии?
Какую роль играют аминокислоты в живом организме?
Чем отличается молекулярная структура живых систем от неживых?
Что называют молекулярной хиральностыо и кто открыл ее?
Можно ли отнести вирусы к живым организмам? Обоснуйте свой ответ.
Какую роль играют молекулы ДНК в передаче наследственности и как был расшифрован генетический код?
Какой уровень организации живых систем называется онтогенетическим?
Чем отличаются клетки-прокариоты от эукариотов?
Какие гипотезы существуют о происхождении эукариотов?
Какие основные способы питания существуют в живой природе?
Какой уровень организации называется популяционным и чем он отличается от онтогенетического?
В чем состоит разница между биоценозами и биогеоценозами?
Какое воздействие сложность трофических связей оказывает на устойчивость и жизнеспособность живых систем?

Глава 11. концепция биосферы и экология

Сточки зрения уровня организации, о которой шла речь в предыдущей главе, биосфера представляет собой наиболее обширное объединение живых существ. Продолжая линию прежних рассуждении, биосферу можно определить как систему биогеоцензов, или живых сообществ. Ввиду сложности такого объединения представления о биосфере менялись и уточнялись с развитием науки, но главным в них оставалась идея обширной и целостной картины живой природы, а также взаимодействия живых систем со средой их обитания. Последние вопросы составляют содержание экологических исследований.

11.1. Эволюция представлений о биосфере

В буквальном переводе термин "биосфера" обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831-1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы "/'живая оболочка Земли" и т. п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.
Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина "биосфера" Э. Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли".
Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж. Б. Ламарк (1744-1829). Он подчеркивал, что

все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже XIX-XX вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.
Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой - сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача - конкретно исследовать, каким образом и в какой мере, живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863-1945).

11.2. Концепция Вернадского о биосфере

Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И. Вернадский определяет как совокупность живых организмов.

Кроме растений и животных, В.И. Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Это воздействие сказывается, прежде всего, в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает

геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

По мнению В.И. Вернадского, в прошлом не придавали значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:
• открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел, о чем говорилось в предыдущей главе;
• явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В.И. Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.
Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Не случайно, поэтому В.И. Вернадский считает, что

живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей. [2 Вернадский В.И. Начало и вечность жизни. - М.: Республика, 1989. - С.156.]

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь - жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту ее роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер (1814-1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.
Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:
• изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах -геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;
• в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется, прежде всего "в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно";
• только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч. Дарвина (1859 г.);
• живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней' и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции. В. И. Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и

свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды. [3 Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. - М.: Наука, 1989. - С. 185.]

Для подтверждения своей мысли он ссылается на непрерывный рост центральной нервной системы животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. По его мнению, в упрощенной додели эту организованность можно выразить так, что ни одна из точек биосферы "не попадает в то же место, в туже точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше" [4 Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. - М.: Наука, 1989. - С. 181.]. В современных терминах это явление можно описать как ^обратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции и развития.
Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на приводные биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т. д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.
Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование своего начала, постольку закономерно возникает вопрос: а есть ли такое начало у жизни? Если есть, то где его искать - на Земле или в Космосе? Может ли возникнуть живое из неживого?
Над этими вопросами на протяжении столетий задумывались многие религиозные деятели, представители искусства, философы и ученые. В.И. Вернадский подробно рассматривает наиболее интересные точки зрения, которые выдвигались выдающимися мыслителями разных эпох, и приходит к выводу, что никакого убедительного ответа на эти вопросы пока не существует. Сам он как ученый вначале придерживался эмпирического подхода к решению указанных вопросов, когда утверждал, что многочисленные попытки обнаружить в древних геологических слоях Земли следы присутствия каких-либо переходных форм жизни не увенчались успехом. Во всяком случае некоторые останки жизни были обнаружены даже докембрийских слоях, насчитывающих 600 миллионов лет. Эти отрицательные результаты, по мнению В.И. Вернадского, дают возможность высказать предположение, что жизнь как материя и энергия существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала. Но такое предположение есть не больше, чем эмпирическое обобщен” основанное на том, что следы живого вещества до сих т. не обнаружены в земных слоях. Чтобы стать научной гипотезой, оно должно быть согласовано с другими результата-" ми научного познания, в том числе и с более широкими концепциями естествознания и философии. Во всяком случае нельзя не считаться с взглядами тех натуралистов и философов, которые защищали тезис о возникновении живой материи из неживой, а в настоящее время даже выдвигают достаточно обоснованные гипотезы и модели происхождения жизни.
Предположения относительно абиогенного, или неорганического, происхождении жизни делались неоднократно еще в античную эпоху, например, Аристотелем, который допускал возможность возникновения мелких организмов из неорганического вещества. С возникновением экспериментального естествознания и появлением таких наук, как геология, палеонтология и биология, такая точка зрения подверглась критике как не обоснованная эмпирическими фактами. Еще во второй половине XVII в. широкое распространение получил принцип, провозглашенный известным флорентийским врачом и натуралистом Ф. Реди, что все живое возникает из живого. Утверждению этого принципа содействовали исследования знаменитого английского физиолога Уильяма Гарвея (1578-1657), который считал, что всякое животное происходит из яйца, хотя он и допускал возможность возникновения жизни абиогенным путем.
В дальнейшем, по мере проникновения физико-химических методов в биологические исследования снова и все настойчивее стали выдвигаться гипотезы об абиогенном происхождении жизни. Выше мы уже говорили о химической эволюции как предпосылке возникновения предбиотической, или предбиологической, стадии возникновения жизни. С указанными результатами не мог не считаться В.И. Вернадский, и поэтому его взгляды по этим вопросам не оставались неизменными
но, опираясь на почву точно установленных фактов, он не допускал ни божественного вмешательства, ни земного происхождения жизни. Он перенес возникновение жизни за пределы Земли, а также допускал возможность ее появлении в биосфере при определенных условиях. Он писал:

Принцип Реди... не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых при научном определении этой формы организованности земной оболочки [5 Вернадский В.И. Биогеохимические очерки. - М., 1940. - С. 49.].

Несмотря на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет собой новый крупный шаг в понимании не только живой природы, но и ее неразрывной связи с исторической деятельностью человечества.

11.3. Переход от биосферы к ноосфере

Превращение разума и труда человечества в геологическую силу планетного масштаба происходило в рамках биосферы, составной частью которой они являются. В.И. Вернадский в своих исследованиях неизменно подчеркивал, какое огромное воздействие человечество оказывает на расширение жизни путем создания новых культурных видов растений и животных. Опираясь на его идеи о биогеохимической основе биосферы, французский математик и философ Эдуар Леруа (1870-1954) ввел в 1927 г. понятие ноосферы, или сферы разума, для характеристики современной геологической стадии развития биосферы. Его позицию разделял также крупнейший французский геолог и палеонтолог Пьер Тейяр де Шарден (1881-1955), впоследствии в своем труде "Феномен человека" определивший ноосферу как одну из стадий эволюции мира. Признавая, что эта стадия, как и сам человек, является результатом тысячелетней истории развития органического мира, он считал движущей силой эволюции целеустремленное сознание ("ортогенез").
В отличие от него В.И. Вернадский рассматривает возникновение сознания как закономерный результат эволюции биосферы, но, однажды возникнув, оно затем начинает оказывать все возрастающее влияние на биосферу благодаря трудовой деятельности человека.

Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше [6 Вернадский В.И. Начало и вечность жизни. - М. - С. 184.].

Первоначальные представления о направленности эволюционного процесса в сторону возникновения мыслящих существ и признания геологической роли человечества высказывались многими учеными и до В.И. Вернадского. Так, уже в XVIII в. известный французский естествоиспытатель Ж. Бюффон высказал идею о царстве человека, которая в XIX в. была развита основателем современной геологии Жаном Луи Агассисом (1807-1873). Хотя эти идеи и опирались на признание все возрастающей роли человечества в изменении лика Земли, но не были связаны с принципом направленности эволюции живого вещества биосферы.
Этот принцип в качестве эмпирического обобщения выдвинул американский ученый Джеймс Дана (1813- 1895), который еще до появления труда Ч. Дарвина впервые четко заявил, что эволюция живого вещества идет в определенном направлении. Основываясь на своих исследованиях ракообразных и моллюсков, Д. Дана пришел к выводу, что на протяжении по крайней мере двух миллиардов лет происходили усовершенствование и рост центральной нервной системы животных, начиная от ракообразных и кончая человеком. Этот процесс он назвал цефализацией, при которой достигнутый уровень организации нервной системы никогда не снижается. Хотя при этом возможны и остановки, и скачки, но направление эволюции не идет вспять. Его последователь Ле Конт, основываясь на принципе направленности эволюции, назвал эру, связанную с появлением на Земле человека, психозойской. Ближе к нашему времени известный русский геолог Алексей Петрович Павлов (1854--1929), оценивая чрезвычайно возросшую роль человечества как мощного геологического фактора, в последние годы жизни настойчиво говорил об антропогенной эре в эволюции биосферы. Подобных высказываний можно было бы привести много, но за немногими исключениями они ограничиваются лишь констатацией разрозненных фактов, не рассматривают их в системе и не дают им теоретического объяснения.
Концепция Вернадского впервые привела все известные эмпирические факты, данные и результаты в единую целостную систему знания, которая убедительно объясняет, какие факторы способствовали переходу от биосферы к ноосфере. Она основывается на признании решающей роли человеческой деятельности, труда и мысли в эволюции биосферы, а через последнюю и в изменении происходящих на Земле геологических процессов и лика Земли в целом. Важно подчеркнуть, что В.И. Вернадский не ограничивается исследованием влияния трудовой, производственной деятельности на процессы, происходящие в биосфере и на земной поверхности. Хорошо сознавая, что труд представляет собой целесообразную деятельность, основанную на мысли и воле, он указывает, что ноосфера, или сфера разума, будет все больше и больше определять не только прогресс общества, но и эволюцию биосферы в целом, а через нее и процессы, совершающиеся на Земле. Недаром он рассматривает мысль как планетное явление.

Эволюционный процесс получает особое геологическое значение благодаря тому, что он создал новую геологическую силу - научную мысль социального человечества... Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние - в ноосферу [7 Вернадский В.И. Научная мысль как планетное явление// Начало и вечность жизни. - С. 131.].

Каким же образом человеческая деятельность влияет на процессы в биосфере, как она способствует ее эволюции? Почему именно эта деятельность придает эволюции биосферы направленный характер?
Прежде всего, отметим, что биологическая эволюция присуща лишь живому веществу биосферы, т. е. различным видам растений и животных и, разумеется, человеку в той мере, в какой он развивался до возникновения цивилизации и превращения в Homo sapiens (человека разумного). В дальнейшем биологическая эволюция человека переходит в эволюцию социальную.
Эволюция живого вещества биосферы приводит к возникновению новых видов растений и животных, которые, как и остальные виды, неразрывно и непрерывно связаны с окружающей их средой прежде всего питанием и дыханием как наиболее характерными процессами обмена веществ. Такой обмен приводит к миграции, движению атомов от живого вещества к неживому, в особенности к биогенному, в котором живые элементы объединены с неживыми. Нельзя также забывать, что во время эволюции молекулы и атомы живого вещества не остаются неизменными. А все это во многом меняет характер взаимодействия живого вещества биосферы не только с ее неживой частью, но и с остальными сферами оболочки Земли.
В период перехода от биосферы к ноосфере на сцену выступает такой мощный геохимический фактор, как постоянно увеличивающееся количество зеленого живого вещества в биосфере, получаемого посредством расширения посевных площадей и интенсификации земледелия. В результате искусственного отбора новых сортов растений и пород животных значительно ускоряются процессы эволюции, быстрее возникают новые виды. А это в свою очередь в еще большей мере способствует ускорению процессов обмена между живым и косным веществом в биосфере.
По-видимому, постепенный переход к ноосфере начался еще сотни тысяч лет назад, когда человек овладел огнем и стал изготовлять первые, весьма несовершенные еще орудия производства и охоты. Благодаря этому он получил огромное преимущество перед животными, но с геологической точки зрения гораздо более важным был длительный процесс приручения диких стадных животных и создания новых сортов культурных растений. Как известно, именно этот процесс положил начало скотоводству и земледелию, которые исторически привели к первому наиболее значительному разделению общественного труда и систематическому обмену его продуктами между разными племенами. В.И. Вернадский указывает:

Человек, этим путем стал менять окружающий его мир и создавать для себя новую, не бывшую никогда на планете живую природу. Огромное значение этого проявилось еще и в другом - в том, что он избавился от голода новым путем, лишь в слабой степени известным животным - сознательным, творческим обеспечением от голода и, следовательно, нашел возможность неограниченного проявления своего размножения [8 Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. С. 193.].

Что же касается борьбы с животными, то человек одержал в ней победу по существу с изобретением огнестрельного оружия и поэтому теперь он должен предпринимать особые меры, чтобы не допустить истребления всех диких животных. Еще большие усилия необходимы для сохранения самой биосферы в связи с многократно возросшими техногенными нагрузками на нее. В связи с этим возникает общая для всего человечества глобальная проблема сохранения окружающей среды и прежде всего живой природы.

11.4. Современная концепция экологии

О проблемах экологии по-настоящему заговорили в 70-е годы нашего века, когда не только специалисты, но и рядовые граждане почувствовали, какую возрастающую угрозу несет нынешнему и будущим поколениям техногенная цивилизация. Загрязнение атмосферы, отравление рек и озер, кислотные дожди, все увеличивающиеся отходы производства, в особенности использованных радиоактивных веществ и многое другое - все это не могло не повлиять на рост интереса широких слоев населения к проблемам экологии. В связи с этим изменился и сам взгляд на предмет экологии. Сам термин "экология" был введен Э. Геккелем свыше ста лет назад и как самостоятельная научная дисциплина она сформировалась еще в 1900 г., тем не менее долгое время она оставалась чисто биологической дисциплиной. В настоящее время экология вышла уже из этих узких рамок и стала по сути дела междисциплинарным направлением исследований процессов, связанных с взаимодействием биосферы и общества. Как указывает известный специалист по этим вопросам Ю. Одум, сейчас экология оформилась

в принципиально новую интегрированную дисциплину, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками [9 Одум Ю. Экология. - М.: Мир, 1986. - С. 13.].

О связи экологии с общественными и гуманитарными науками свидетельствует появление таких ее разделов, как социальная, медицинская, историческая, этическая экологии.
Более полное представление об экологии и ее задачах мы получим, если будем рассматривать структуру и динамику различных экологических систем, а также разные уровни их организации и иерархии.

Экологические системы и их структура

К экологическим системам обычно относят все живые системы вместе с окружающей их средой, начиная от отдельной популяции и кончая биосферой. Все они являются открытыми системами, которые обмениваются с окружающей природной средой веществом, энергией или информацией. Наименьшей единицей экологии является совокупность организмов определенного вида, которые взаимодействуют между собой внутри вида, а вид как целостная система - с окружающей средой. Следовательно, ни молекулярный, ни клеточный, ни организменный уровни, о которых шла речь выше, не рассматриваются в экологии, хотя и живая молекула, и клетка, и тем более организм представляют собой открытые системы, которые могут существовать благодаря взаимодействию со средой. Даже отдельные популяции у чистом виде выделить трудно, поскольку в естественной природе они объединяются в более обширные сообщества живых систем и взаимодействуют также с неживыми факторами среды.
На популяционном уровне, как мы видели, различают такие сообщества, или экологические системы, как биоценозы и биогеоценозы, в которых сообщества живых организмов исследуются в тесной связи с неорганическими условиями их существования, например, почвой, микроклиматом, гидрологией местности и т. п. Еще более крупным системным объединением в экологии считается биом, который включает в свой состав живые системы и неживые факторы на обширной территории, например, лиственные породы деревьев на среднерусской возвышенности. Наконец, биосфера охватывает, согласно В.И. Вернадскому, все живое, биокосное и косное вещество на поверхности нашей планеты. И хотя она в известных пределах функционирует автономно, но в конечном итоге может существовать и развиваться только за счет энергии Солнца и потому является также открытой системой, которую в отличие от других систем называют экосферой.
В экологии наибольшее значение для изучения структуры ее систем приобретает анализ тех трофических, или пищевых, связей, которые соединяют различные популяции друг с другом. О них кратко говорилось выше, но теперь мы обратимся к более подробной классификации, чтобы выяснить механизм функционирования трофических связей. Как и раньше, будем различать автотрофные и гетеротрофные организмы соответственно тому, питаются ли они самостоятельно за счет преобразования неорганической энергии, или же поедают другие живые организмы. Поэтому в экосистеме можно выделить два уровня:
• на верхнем, автотрофном уровне, который называют также зеленым поясом, мы встречаемся с растениями, содержащими хлорофилл и перерабатывающими солнечную энергию и простые неорганические вещества в сложные органические соединения;
• на нижнем, гетеротрофном уровне происходит преобразование и разложение этих органических соединений в простые.
Таким образом, в механизме трофических связей можно выделить следующие элементы:
• продуценты автотрофных организмов, главным образом зеленых растений, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ;
• фаготрофы, к которым принадлежат гетеротрофные животные, питающиеся другими живыми организмами, растительными и животными;
• сапротрофы, которые получают энергию путем разложения мертвых тканей или растворенного органического вещества.
В связи с этим гетеротрофные организмы разделяют на биофагов, поедающих живые организмы, и сапрофа-гов, питающихся мертвыми тканями.
Одна из характерных черт всех экосистем состоит в том, что в них происходит постоянное взаимодействие автотрофных и гетеротрофных подсистем организмов. Такое взаимодействие приводит к круговороту вещества в природе, несмотря на то, что иногда организмы разделены в пространстве. Как мы видели, автотрофные процессы наиболее интенсивно протекают на зеленом ярусе системы, где растениям доступен солнечный свет, в то время как на нижнем ярусе усиленно протекают гетеротрофные процессы. Аналогичный разрыв между этими процессами может происходить и во времени, причем значительный разрыв между производством органического вещества автотрофами и гетеротрофами приводит к его накоплению. Именно благодаря такому временному разрыву на нашей планете образовались огромные запасы ископаемого топлива.
Взаимодействия между частями и целым в экологических системах могут исследоваться двумя путями. С одной стороны, изучением свойств частей и экстраполяцией их на свойства целого. Такое сведение свойств целого к сумме свойств его частей представляет собой типичный случай редукционизма и потому сталкивается с немалыми трудностями. С другой стороны, признание специфичности свойств целого, несводимости их к свойствам частей открывает значительные перспективы для исследования и получения эффективных новых результатов. Обычно в конкретных исследованиях системный метод изучения становится совершенно необходимым в тех случаях, когда части целого настолько тесно связаны между собой, что их трудно отделить друг от друга и посредством такого приема получить знание о свойствах системы в целом. В противоположность этому суммативный метод используется тогда, когда отдельные части совокупности могут изучаться относительно независимо друг от друга и поэтому свойства целого можно выявить путем суммирования свойств частей.
Отсюда становится ясным, что каждый из этих методов следует применять на своем месте, в зависимости от конкретных условий исследования, а следовательно, они не исключают, а предполагают и дополняют друг друга. Суммативный подход часто оказывается целесообразным при проведении экспериментов с такими экологическими совокупностями, которые исследуют, например, воздействие различных внешних факторов на систему. Системный подход нередко используется при построении теоретических моделей, когда необходимо выяснить взаимодействие различных частей экосистемы.
Моделирование представляет собой абстрактное выражение реальных процессов, происходящих в природе. Оно может осуществляться в словесной форме с помощью соответствующих понятий и величин, характеризующих поведение и развитие экосистем. Нередко для большей ясности и наглядности в этих же целях используются графические модели. Поскольку важной целью моделирования является предсказание поведения системы в различных условиях и в разные периоды времени, постольку в последние годы в экологии стали чаще прибегать к построению математических моделей, начиная от простейших, типа так называемого черного ящика, и кончая сложнейшими, в которых учитывается действие большого числа переменных. Для их расчета используются мощные компьютеры и другая вычислительная техника.

Взаимодействие экосистемы и окружающей среды

В биологических исследованиях, в особенности в классической теории эволюции, обычно делается упор на изучение воздействия окружающей среды на живые организмы и их системы. Именно под таким углом зрения рассматривается действие различных факторов на их эволюцию. Однако живые системы отнюдь не являются пассивными в этом взаимодействии. Они в свою очередь оказывают мощное воздействие на окружающую их среду.
В наибольшей степени такое воздействие можно проследить на примере больших экосистем. Именно на такого рода факты опирается известная гипотеза Геи, выдвинутая в 1970-е гг. физиком и изобретателем Джеймсом Лавлоком и микробиологом Линн Маргулис. Свое название эта гипотеза получила от древнегреческого слова "гея", обозначающего землю. Она предлагает совершенно иной подход, к причинам и факторам становления жизни на нашей планете. Если традиционно допускают, что жизнь на Земле появилась после того, когда возникла сначала атмосфера со значительным содержанием в ней кислорода, то, согласно гипотезе Геи, образование кислорода и атмосферы в целом обязано воздействию тех простейших живых организмов, которые в анаэробных, т. е. бескислородных, условиях стали выделять в окружающее пространство кислород. Свое предположение авторы гипотезы подтверждают ссылкой на то, что на близких к Земле планетах Марсе и Венере их атмосфера состоит соответственно на 95 и 98% из углекислого газа, кислорода же Марс содержит 0,13%, а на Венере замечены лишь его следы. Примерно такая же картина наблюдалась бы на безжизненной Земле. Конечно, гипотеза Геи нуждается в дальнейших разработке и обосновании, но опирается она на важную я в общем виде признаваемую многими идею, что жизнь обеспечивает условия для своего дальнейшего существования и развития. Эта идея отнюдь не является чистым умозрением, а подтверждается многочисленными фактами из истории развития органического мира.
Факты также свидетельствуют, что экосистема не только испытывает воздействие со стороны окружающей среды, но в свою очередь оказывает обратное действие на нее и соответствующим образом ее формирует.
Поскольку экосистема - система открытая, она не может не взаимодействовать со своим окружением и тем самым не влиять на него. Только постоянное и непрерывное взаимодействие со средой поддерживает жизненные процессы в любой экосистеме. В результате такого взаимодействия осуществляется постоянный обмен энергией и веществом между экосистемой и средой, что проявляется, во-первых, в усвоении абиотических, или неорганических, факторов среды (солнечная энергия, вода, минеральные вещества и т. п.), во-вторых, биотических, или органических, факторов посредством тех трофических (пищевых) связей, которые существуют между разными живыми системами. Функционирование и эволюция экосистем зависят не только от круговорота вещества и энергии, существующего в природе. Чтобы выжить, а тем более развиваться, экосистемы должны соответствующим образом регулировать свою деятельность и управляться, а это требует установления информационных связей между различными подсистемами и элементами системы.

Информация и управление в экосистеме

Наряду с потоками энергии и круговоротом вещества экосистемы связаны также информационными сетями. Управление и регулирование в них осуществляется с помощью физических и химических элементов. Такие управляющие системы по своему функциональному назначению можно рассматривать как кибернетические. Однако в отличие от искусственных систем, созданных человеком, в природных экосистемах элементы управления рассредоточены внутри самой системы и поэтому процесс регулирования и управления в них происходит не из внешнего специального органа управления, как в технических кибернетических системах.
Согласно кибернетическим принципам, всякий процесс управления связан с передачей и преобразованием информации. Для устойчивого динамического функционирования системы необходимо, во-первых, наличие прямых сигналов, несущих информацию от управляющего к исполнительному устройству, во-вторых, обратных сигналов, которые информируют управляющее устройство об исполнении команд. Получив такие сигналы, управляющее устройство отдает команду о корректировке системы, если ее положение отклоняется от заданного или установленного. Именно таким способом осуществляется автоматическое регулирование не только в кибернетических системах, но и в живых организмах. В физиологии этот способ поддержания динамического равновесия был сформулирован американским физиологом Уолтером Кенноном (1871-1945) в виде принципа гомеостаза, согласно которому все важнейшие параметры организма (температура тела, частота пульса и дыхания, состав крови и кровяное давление и др.) поддерживаются на постоянном уровне благодаря обратным сигналам, поступающим из органов в головной мозг.
Кибернетика обобщила это положение в виде принципа обратной связи. Нетрудно понять, что указанный принцип объясняет лишь процесс достижения и сохранения динамического равновесия в любой системе, но для того чтобы понять, как происходят эволюция и развитие систем, необходимо признать возникновение изменений в состоянии и структуре систем. А для этого следует ввести принцип положительной обратной связи, согласно которому непрерывные воздействия на систему, постепенно накапливаясь, приводят к разрушению прежних связей между ее частями и возникновению новой ее структуры.
В экосистемах живой природы действие этих принципов приобретает более сложный характер, поскольку, как мы видели, регулирующие центры в них диффузны, или распределены внутри всей системы, а наличие избыточности, когда одна и та же функция выполняется несколькими компонентами, обеспечивает необходимую стабильность системы. Эта стабильность зависит от множества условий, но определяющие среди них - степень сопротивления внешней среды и эффективность работы управляющих механизмов самой системы. Для более конкретной характеристики стабильности экосистем обычно вводят понятие резистентной устойчивости, которая определяется как способность системы сопротивляться внешним нагрузкам и оставаться при этом устойчивой. Понятие упругой устойчивости характеризует способность системы быстро восстанавливать свою устойчивость. При благоприятных условиях внешней среды экосистемы обычно повышают свою сопротивляемость усложнением внутренней структуры. Внезапные и случайные изменения внешней среды (например штормы) могут резко снизить устойчивость экосистемы и даже разрушить ее. Таким образом, тесная взаимосвязь и взаимодействие между живыми организмами и окружающей средой представляют собой характерную особенность всех экосистем. Хотя отдельный организм, будучи открытой системой, также взаимодействует с окружением, тем не менее взаимодействие экосистемы со средой имеет более эффективный и устойчивый характер.
Эта особенность проявляется прежде всего в достижении большей стабильности функционирования и развития экосистем в сравнении с отдельными организмами в результате установления информационных связей между отдельными организмами в рамках системы, возникновения иерархических отношений между отдельными ее подсистемами, которые приводят к усложнению ее структуры. В связи с этим еще раз следует подчеркнуть, что любая экосистема, начиная от популяции и кончая экосферой, представляют собой надорганизменный уровень организации живого в природе, качественно отличающийся от отдельного организма. Именно в результате объединения отдельных организмов в рамках целого, их взаимодействия друг с другом экосистема приобретает новые, системные свойства, которые отсутствуют у отдельных организмов. Соответственно этому меняются и различные отношения и связи экосистемы с окружающей средой. Наиболее важными и по существу решающими являются энергетические связи.

Энергетическая характеристика экосистем

Если проследить процессы превращения и получения энергии в экосистемах, то нельзя не придти к тому выводу, который сделал упоминавшийся выше Майер, утверждавший, что жизнь есть создание солнечного луча. Действительно, лучистая энергия Солнца посредством фотохимического синтеза сначала преобразуется зелеными растениями в органические соединения, которые впоследствии служат пищей для растительноядных животных, а последние в свою очередь - пищей для других животных. Кроме того, задолго до этого органическое вещество, заготовленное на протяжении тысячелетий растениями, как и сами растения, особенно деревья, подверглись многочисленным химическим превращениям и образовали то ископаемое топливо, которое до сих пор служит важнейшим источником энергии для общества.
В экосистемах происходит постоянное преобразование рассеянной в пространстве солнечной энергии в более концентрированные ее формы сначала автотрофными растениями, а затем гетеротрофными животными и человеком. При этом на каждой стадии превращения энергии происходит также ее диссипация, или рассеяние, в окружающее пространство. Для характеристики этих процессов нам необходимо привлечь законы термодинамики, которые мы изучали в гл. 6, но их необходимо конкретизировать применительно к экосистемам.
Закон сохранения энергии полностью применим и к этим системам, ибо никогда не наблюдались случаи создания энергии из ничего. Энергия может лишь превращаться из одной формы в другую, но она никогда никуда не исчезает.
Второй закон термодинамики, который в физике обычно формулируют с помощью понятия энтропии, в экологии предпочитают выражать посредством утверждения о преобразовании концентрированной энергии в рассеянную. Процесс концентрации рассеянной солнечной энергии происходит, как уже говорилось выше, в различных живых системах и охватывает длительный период времени. Полученная концентрированная энергия может быть в дальнейшем использована в экосистемах в виде пищи, а в технике - как ископаемое топливо. В обоих случаях будет происходить преобразование концентрированной энергии в рассеянную.
Какую энергию можно считать концентрированной?

С экологической точки зрения, энергия по способу своего получения будет тем больше концентрированной, чем дальше отстоит источник ее получения, например пиша, от начала превращения рассеянной солнечной энергии, т. е. от автотрофных организмов, а именно зеленых растений и микроорганизмов.

В физических терминах концентрированную энергию можно определить как обладающую низкой степенью энтропии, т. е. характеризующуюся меньшей степенью беспорядка. Ведь в результате концентрации энергии происходит выведение беспорядка из системы во внешнюю среду. Поэтому если беспорядок в системе уменьшается, то во внешней среде он увеличивается.
В отличие от концентрации рассеяние энергии сопровождается возрастанием беспорядка в системе. Поэтому если система останется закрытой, то она окажется полностью дезорганизованной, т. е. придет в состояние максимального беспорядка, соответствующего установлению теплового равновесия в системе.
Таким образом, с энергетической точки зрения системы могут описываться не только количественно, но и качественно, причем высококачественными будут считаться наиболее концентрированные формы энергии, которые могут обладать более высоким рабочим потенциалом, т. е. возможностью произвести соответствующую работу. Так, например, ископаемое топливо обладает большим рабочим потенциалом, чем рассеянная солнечная энергия. Аналогично этому животная пища является более качественной, чем растительная. Опосредованно качество используемой энергии определяется химической структурой ее источника.
Все приведенные выше рассуждения показывают, что при энергетическом подходе задача экологии по сути дела сводится к изучению связи между рассеянным солнечным излучением и экосистемами, а также процессами последовательного превращения менее концентрированных форм энергии в более концентрированные.
Поскольку материальное производство общества существенным образом зависит от использования энергии, постольку представляется целесообразным провести классификацию экосистем с точки зрения применения их энергии в интересах развития общества и прежде всего его производительных сил. На этой основе можно выделить четыре фундаментальных типа экосистем.
1. Природные системы, полностью зависящие от энергии солнечного излучения, которые можно назвать системами, движимыми Солнцем. Несмотря на то что такие системы не в состоянии поддерживать достаточную плотность населения, они тем не менее важны для сохранения необходимых экологических условий на планете. Следует также отметить, что такие природные системы занимают огромную площадь на земной поверхности. Ведь только одни океаны покрывают 70% этой поверхности.
2. Природные системы, движимые Солнцем, а также получающие энергию из других природных источников, к которым относятся прибрежные участки морей и океанов, большие озера, тропические леса и некоторые другие экосистемы. Кроме солнечной энергии, такие системы функционируют и растут за счет энергии, например, морских прибоев, приливов, глубоководных течений, рек, дождей, ветра и тому подобных источников.
3. Природные системы, движимые Солнцем и получающие энергию от ископаемого топлива (нефть, уголь, древесина и др.). Исторически такие смешанные естественные и искусственные экосистемы впервые возникли в сельском хозяйстве для возделывания культурных растений и улучшения пород домашних животных. Сначала там применялась мышечная сила человека и животных, а впоследствии и энергия машин, работающих на ископаемом топливе.
4. Современные индустриально-городские системы, использующие главным образом энергию ископаемых горючих, преимущественно нефти, угля, газа, а также радиоактивных веществ для получения атомной энергии. В этих системах производится основное богатство страны в виде разнообразных промышленных товаров, а также переработка пищевых продуктов для питания больших масс сконцентрированного в городах и индустриальных центрах населения. Сырье для такой переработки они получают из сельскохозяйственных экосистем. Энергетическая зависимость индустриальных центров от Солнца минимальна, так как энергоносители они получают от добывающей промышленности, а продукты питания - от сельского хозяйства.
Интенсивный рост промышленности в развитых странах сопровождается все возрастающим потреблением энергии и одновременно все увеличивающимися отходами производства. Загрязнение атмосферного воздуха, отравление водных источников, накопление радиоактивных отходов - неизбежные спутники жизни в крупных индустриальных центрах. Хищническая эксплуатация быстро сокращающихся запасов ископаемого топлива, погоня за прибылью любой ценой и особенно за счет нарушения экологического баланса в окружающей среде - все это с особой остротой выдвигает перед человечеством и прежде всего перед промышленно развитыми странами глобальную экологическую проблему сохранения динамического равновесия биосферы и нормального жизнеобеспечения людей. Поскольку сейчас наша цивилизация находится в процессе перехода от биосферы к ноосфере, когда разум становится определяющей силой общества, то вполне естественно задуматься над глобальной стратегией и перспективами дальнейшего развития мира. Хотя строить прогнозы всегда рискованно, тем не менее они необходимы для того, чтобы наметить основные направления, по которым с определенной степенью вероятности можно эффективно подготовиться к встрече будущего.
Недостатка в таких прогнозах и сценариях будущего развития не ощущается. Одни из них имеют оптимистический характер и делают ставку главным образом на то, что новая технология будет принципиально отличаться от современной, станет безотходной, менее энергоемкой и более совершенной по другим параметрам. Другие считают, что при установившейся тенденции развития никакая технология не спасет общество, если люди будут непрерывно увеличивать потребление, предприниматели добиваться получения максимальной прибыли, а промышленно развитые страны неизменно стремиться к экономическому росту.
Выход из надвигающегося экологического кризиса многие видят в радикальном изменении сознания людей, их нравственности, в отказе от взгляда на природу как объект бездумной эксплуатации ее человеком. Однако одного изменения и совершенствования взглядов и нравственности людей явно недостаточно для выхода из экологического кризиса и решения экологических проблем в будущем. Для этого необходимо, прежде всего, чтобы общество в своей экономической деятельности учитывало не только непосредственные материальные и трудовые ресурсы, затрачиваемые на производство товаров и услуг, но и тот вред, который наносится окружающей среде в результате такого производства. Все признают, что рыночная экономика пока еще не научилась это делать. Очевидно, что экономия энергоносителей и других быстро уменьшающихся запасов сырья, создание малоотходной и безотходной технологии, поиски и использование альтернативных источников энергии - все это во многом сможет помочь решению экологической проблемы, по крайней мере, ослабить ее остроту.
В этой связи заслуживает особого внимания инициатива ученых и общественных деятелей, объединившихся в рамках Римского клуба, участники которого собрались в 1968 г. для обсуждения актуальных глобальных проблем человечества'. Первый же доклад "Пределы роста", представленный американскими учеными Деннисом и Донеллой Медоузами в 1972 г., вызвал сильнейший шок среди многих политических деятелей и представителей общественности. Основываясь на фактических данных и тенденциях экономического, технического и социального развития, авторы построили компьютерную модель современного общества, в которой были учтены связи между различными подсистемами общества и воздействие на них разных факторов роста. Они показали, что если потребление ресурсов и промышленный рост вместе с увеличением численности населения будут продолжаться прежними темпами, то будет, достигнут "предел роста", за которым неизбежно последует катастрофа. Хотя многие специалисты критиковали доклад за то, что в нем не учитываются усилия общества по совершенствованию технологии, поискам новых источников энергии и сырья и т. д., но все вынуждены были признать, что в нем содержится обоснованная тревога за будущее человечества.
Во втором докладе - "Человечество на перепутье", представленном Михаилом Месаровичем и Эдуардом Пестелем, преодолены некоторые недостатки первого и намечены перспективы развития не столько мирового сообщества, сколько отдельных его регионов. Такой подход учитывает конкретные особенности и условия роста отдельных регионов мира и поэтому лучше подходит для решения экологических, энергетических, сырьевых и других глобальных проблем. В последующих докладах обсуждались более конкретные проблемы, касающиеся отношений со слаборазвитыми странами, переработки отходов, использования энергии и другие.
Деятельность Римского клуба привлекла внимание широкой публики к актуальным глобальным проблемам современности, в частности, к такой жизненной для всего человечества проблеме, как сохранение окружающей природной среды. Участники клуба наметили также возможные пути решения проблем, однако, поставив правильный диагноз возникшим трудностям и болезням современного общества, они мало преуспели в том, чтобы убедить общество следовать их советам и предпринять конкретные действия по реализации выдвинутых ими программ и рекомендаций.

Основные понятия и термины

Автотрофы
Биосфера
Биом
Гетеротрофы
Живое вещество
Ноосфера
Надорганизменный уровень
Принцип Реди
Устойчивость
Экологическая система
Стабильность
Экосфера


Литература

Основная:
Вернадский В. И. Начало и вечность жизни. - М.: Республика, 1989.
Одум Ю. Экология. - М.: Мир, 1986. T.I, гл. 1-2.

Дополнительная:
Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера. - М.: Наука, 1989.



Что включает В. И. Вернадский в понятие биосферы?
Какие элементы называются в биосфере биогенными и косными?
Как осуществлялся переход от биосферы к ноосфере?
Почему В.И. Вернадский сравнивает деятельность разума человека с геологической силой?
Что изучает экология?
Что служит наименьшей единицей в экологии?
Расскажите об основных трофических (пищевых) связях в экосистемах.
Почему солнечная энергия служит источником функционирования и развития экосистем? Обоснуйте свой ответ.
Какую энергию в экологии считают концентрированной, рассеянной?
Как связана деятельность общества с функционированием экосисистем?


Глава 12. Концепция эволюции в биологии

Понятие эволюции употребляется в разных смыслах, но большей частью отождествляется с развитием. В ходе изложения нам уже приходилось говорить о глобальной эволюции Вселенной, геологической эволюции и эволюции живой природы. Во всех этих случаях под эволюцией подразумевался процесс длительных, постепенных, медленных изменений, которые в конечном итоге приводят к изменениям коренным, качественным, завершающимся возникновением новых материальных систем, структур, форм и видов. Именно такой смысл придается понятию эволюции в теории Дарвина и появившихся после него гипотезах и теориях.
В этой главе мы познакомимся с основными идеями как классической эволюционной теории Дарвина, так и постклассических теорий, в которых были обобщены результаты новых открытий в области наследственности, изменчивости и естественного отбора.

12.1. Чарльз Дарвин – основоположник теории эволюции
Идеи о постепенном и непрерывном изменении всех видов растений и животных высказывались задолго до Ч. Дарвина многими учеными. Наиболее интересными представляются взгляды Ж. Б. Ламарка, который считал, что эволюция живых организмов происходит под направляющим влиянием условий окружающей среды. Именно под воздействием этой среды организмы приобретают благоприятные для жизни свойства, которые затем передаются по наследству. Таким образом, по мнению Ж.Б. Ламарка, все приобретенные живыми организмами благоприятные признаки и свойства оказываются наследственными и поэтому определяют ход дальнейшей эволюции.
Хотя дарвиновская концепция эволюции и признает существование такой групповой изменчивости, которую организмы приобретают под действием определенного фактора внешней среды, но считает, что только случайные индивидуальные изменения, оказавшиеся полезными, могут передаваться по наследству и тем самым влиять на процесс дальнейшей эволюции.
Опираясь на огромный фактический материал и практику селекционной работы по выведению новых сортов растений и пород животных, Ч. Дарвин сформулировал основные принципы своей эволюционной теории.

Первый примут постулирует, что изменчивость является неотъемлемым свойствам живого.

В природе нельзя обнаружить два совершенно одинаковых, тождественных организма. Чем тщательнее и глубже же мы изучаем природу, тем больше убеждаемся во всеобщем, универсальном характере принципа изменчивости. При поверхностном взгляде может, например, показаться, что все деревья в сосновом бору одинаковые, но более внимательное изучение может выявить некоторые различия между ними. Одна сосна дает более крупные семена, другая - в состоянии лучше переносить засуху, третья - обладает повышенным содержанием хлорофилла в иголках и т. д. При обычных условиях эти различия не оказывают заметного влияния на развитие деревьев. Но в крайне неблагоприятных условиях, указывает Алексей Владимирович Яблоков (р. 1933 г.), каждое такое мельчайшее отличие способно стать именно тем решающим изменением, которое и определит, останется ли этот организм в живых или будет уничтожен.
Ч. Дарвин различает два типа изменчивости. К первому, который называется "индивидуальной" или "неопределенной" изменчивостью, он относит ту, которая передается по наследству. Второй тип он характеризует как "определенную" или "групповую" изменчивость, поскольку ей подвержены те группы организмов, которые оказываются под воздействием определенного фактора внешней среды. В дальнейшем "неопределенные" изменения обычно стали называть мутациями, а "определенные" модификациями.

Второй принцип теории Дарвина заключается в раскрытии внутреннего противоречия в развитии живой природы. Оно состоит в там, что, с одной стороны, все виды организмов имеют тенденцию к размножению в геометрической прогрессии, а с другой - выживает и достигает зрелости лишь небольшая часть потомства.

Достаточно отметить, что многие растения дают десятки и сотни тысяч семян, а рыбы выметывают от нескольких сот до миллионов икринок. В этих условиях как раз и развертывается борьба за выживание, которую чаще всего называют борьбой за существование. Однако, как подчеркивает Ч. Дарвин, "борьба за существование" представляет собой метафорическое выражение, с помощью которого характеризуются различные отношения между организмами, начиная от сотрудничества внутри вида против неблагоприятных условий окружающей среды и кончая конкуренцией между организмами в добывании пищи, занятии лучшею места обитания, лидерстве в группе и т. п. В связи с этим часто различают внутривидовую и межвидовую борьбу.

Третий принцип обычно называют принципам естественного отбора, который играет фундаментальную роль в теории эволюции не только Дарвина, но ч всех теорий, появившихся позднее.

С его помощью удалось удовлетворительно объяснить, почему из громадного потомства живых организмов выживают и достигают зрелости лишь небольшое количество особей. Дарвин выдвинул гипотезу весьма общего характера, согласно которой в природе существует особый механизм отбора, который приводит к избирательному уничтожению организмов, оказавшихся неприспособленными к существующим или изменившимся условиям окружающей среды. Эти результаты, указывает Дарвин, есть

следствия одного общего закона, обусловливающего прогресс всех органических существ, именно - размножения, изменения, выживания наиболее сильных и гибель наиболее слабых.

Разрабатывая учение о естественном отборе, он обращает внимание на такие его характерные особенности, как постепенность и медленность процесса изменений и способность суммировать эти изменения в крупные, решающие, которые в конечном итоге приводят к формированию новых видов. Ч. Дарвин писал:

Выражаясь метафорически, можно сказать, что естественный отбор ежедневно и ежечасно расследует по всему свету мельчайшие изменения, отбрасывая дурные, сохраняя и слагая хорошие, работая неслышно и невидимо, где бы и когда бы ни представился к тому случай, над усовершенствованием каждого органического существа в связи с условиями его жизни, органическими и неорганическими.

Самым слабым местом в учении Ч. Дарвина были-представления о наследственности, которые подверглись серьезной критике его противниками. Действительно, если эволюция связана со случайным появлением полезных изменений и наследственной передачей приобретенных признаков потомству, то каким образом они могут сохраняться и даже усиливаться в дальнейшем? Ведь в результате скрещивания особей с полезными признаками с другими особями, которые ими не обладают, они передадут эти признаки потомству в ослабленном виде. В конце концов, в течение ряда поколений случайно возникшие полезные изменения должны постепенно ослабнуть, а затем и вовсе исчезнуть. Сам Ч. Дарвин вынужден был признать эти доводы весьма убедительными, при тогдашних представлениях о наследственности их невозможно было опровергнуть. Вот почему в последние годы жизни он стал все больше подчеркивать воздействие на процесс эволюции направленных изменений, происходящих под влиянием определенных факторов внешней среды. Нетрудно понять, что такое изменение взглядов означает, по сути дела, переход на позиции Ж. Б. Ламарка, согласно которой эволюция происходит под управляющим воздействием внешней среды, которая заставляет организмы изменяться в определенном направлении. В связи с этим исчезает необходимость в устранении неприспособленных особей, а тем самым и основного принципа дарвиновской теории эволюции - естественного отбора. Между тем реальные факты свидетельствовали, что такой отбор происходит повсеместно, но сам принцип отбора был обоснован недостаточно убедительно прежде всего относительно передачи наследственных признаков. В дальнейшем были выявлены и некоторые другие недостатки теории Дарвина, касающиеся основных причин и факторов органической эволюции. Эта теория нуждалась в дальнейшей разработке и обосновании с учетом последующих достижений всех биологических дисциплин.

12.2. Основные факторы и движущие силы эволюции

Современная теория органической эволюции отличается от дарвиновской по ряду важнейших пунктов:
• она ясно выделяет элементарную структуру, с которой начинается эволюция. В настоящее время такой структурой считается популяция, а не отдельная особь или вид, который включает в свой состав несколько популяций;
• в качестве элементарного явления или процесса эволюции современная теория рассматривает устойчивое изменение генотипа популяции;
• она шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции, выделяя среди них факторы основные и не основные.
Ч. Дарвин и последующие теоретики к основным факторам эволюции относили изменчивость, наследственность и борьбу за существование. В настоящее время к ним добавляют множество других дополнительных, не основных факторов, которые, тем не менее, оказывают влияние на эволюционный процесс. Сами основные факторы теперь понимаются по-новому и соответственно этому к ведущим факторам относят сейчас мутационные процессы, популяционные волны численности и изоляцию. Прежде чем перейти к их характеристике, заметим, что трудности, с которыми встретился Ч. Дарвин при объяснении наследственной передачи полезны признаков потомству, легко преодолеваются уже с мощью тех законов наследственности, которые установил австрийский ученый Грегор Мендель (1822-1884). Действительно, один из его законов утверждает, что от дельные наследственные признаки родителей при скрещивании не сливаются, а передаются потомству в первоначальном виде. Поэтому никакого "растворения'* наследственного вещества, о котором говорили критики| Ч. Дарвина, на самом деле не происходит. Дальнейшее! развитие эти идеи получили при истолковании процессов изменения и наследственности в современной теории эволюции.

Важнейшим из них является мутационный процесс, который исходит из признания того неоспоримого теперь факта, что основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций, т. е. изменений наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызванных искусственными средствами.

Мутации являются теми наследственными изменениями, которые либо отдельно, либо совместно определяют изменения свойств, признаков, особенностей или, норм реакции организмов. В своей совокупности они представляют то, что Ч. Дарвин называл индивидуальной или неопределенной изменчивостью. Поскольку мутации возникают случайно, постольку их результат действительно является неопределенным. Однако случайное изменение становится необходимым, когда оно оказывается полезным для организма, помогает ему выжить в борьбе за существование. Закрепляясь и повторяясь в ряде поколений, такие случайные изменения вызывают перестройку в структуре живых организмов и их популяций и таким образом приводят к возникновению новых видов.
Хотя мутации - главные поставщики эволюционного материала, но они относятся к изменениям случайным, подчиняющимся вероятностным, или статистическим, законам. Поэтому они не могут служить направляющей силой эволюционного процесса. Правда, некоторые ученые рассматривают мутационный процесс в качестве определяющей силы эволюции, забывая при этом, что в таком случае приходится признать изначальную полезность и пригодность всех возникающих случайных изменений, что противоречит наблюдениям в живой природе и практике селекции. В действительности, кроме отбора - естественного или искусственного - не существует никакого другого средства регулирования наследственной изменчивости. Только случайные изменения, оказавшиеся полезными в определенных условиях окружающей среды, отбираются в естественной природе или искусственно человеком для дальнейшей эволюции.

Вторым основным фактором эволюции служат популяционные ваты, которые часто называют "волнами жизни". Они определяют количественные флуктуации, или отклонения, от среднего значения численности организмов в популяции, а также области ее расположения (ареала).

Установлено, что малочисленные и многочисленные популяции не являются благоприятными для эволюции и возникновения новых форм живых организмов. В больших популяциях новым наследственным изменениям гораздо труднее проявиться, а в малочисленных такие изменения подвержены воздействию случайные процессов. Поэтому наиболее подходящими для эволюции и возникновения новых видов оказываются популяции средних размеров, в которых постоянно происходит изменение численности особей.

В качестве третьего основного фактора эволюции признается обособленность группы организмов.

На эту особенность указывал еще Ч. Дарвин, который считал, что для образования нового вида определенная группа организмов старого вида должна обособиться, но он не мог объяснить необходимость этого требования с точки зрения наследственности. В настоящее время установлено, что обособление и изоляция определенной группы организмов необходимы для того, чтобы она не могла скрещиваться с другими видами и тем самым передавать им и получать от них генетическую информацию. Изоляция различных групп организмов в природе, а также в практике селекции осуществляется самыми разными способами, но цель их одна - исключить обмен генетической информацией с другими видами. Для этого может служить географическая граница (непреодолимая водная среда, болота, высокие горы и т. п.), экологические условия (предпочтения в выборе экологической ниши или места обитания), разные периоды спаривания, особенности поведения разных групп и видов организмов и многое другое.
К указанным основным факторам эволюции часто добавляют частоту смены поколений в популяциях, темпы и характер мутационных процессов, и некоторые другие. Следует подчеркнуть, что все перечисленные основные и не основные факторы выступают не изолированно, а во взаимосвязи и взаимодействии друг с другом.
Самое же главное заключается в том, что хотя все факторы эволюции, и являются необходимыми ее предпосылками, сами по себе ни в отдельности, ни в совокупности они не могут объяснить механизм эволюционного процесса и его движущую силу. Такая сила заключается в действии естественного отбора, который является результатом взаимодействия популяций и окружающей их среды. Популяции составляют элементарные объекты для отбора, а среда ограничивает возможности такого отбора, поскольку потенциально возможность размножения является чрезвычайно высокой, характеризуемой геометрической прогрессией, а пищевые, территориальные, географические, климатические и экологические возможности среды весьма ограничены. Именно борьба таких противоположных тенденций, как, с одной стороны, стремление к сохранению жизни и размножению, а с другой - воздействие внешней среды, направленной на ограничение размножения, - составляют внутренне противоречивое содержание процесса эволюции.
Внутренние противоречия на разных уровнях организации живых систем составляют источник их развития и определяют характер "борьбы за существование". На уровне популяций эти противоречия выступают в форме единства и борьбы особей внутри популяции, на уровне вида - единства популяций, составляющих вид, и в то же время конкуренции между ними, которая может привести к формированию сначала разновидностей, а потом и нового вида. Результатом этого сложного процесса является устранение от размножения отдельных организмов, популяций, видов и других уровней организации живых систем. Нередко естественный отбор характеризуют как процесс выживания наиболее приспособленных организмов. Впервые такую формулировку употребил известный английский философ Герберт Спенсер (1820-1903), у которого ее заимствовал сам Ч. Дарвин. Впоследствии она получила широкое распространение среди биологов.
Если вдуматься, то такую характеристику нельзя считать корректной, поскольку выражение "приспособленность" допускает различные степени, словесно определяемые с помощью терминов "большая или меньшая приспособленность". Действительно, как можно оценить, какой вид является более приспособленным к условиям существования, например, слон или тигр? Кроме того, даже при меньшей степени приспособления допускается возможность размножения. В .отличие от этого элиминация, или устранение от размножения, имеет однозначный смысл и точно определяет результат естественного отбора. Ведь о результатах естественного отбора можно судить только ретроспективно, т. е. задним числом. Вот почему английский биолог Джулиан Хаксли (1887-1975) рекомендует употреблять термин "уничтожение неприспособленных" вместо термина "выживание приспособленных". Однако естественный отбор имеет не только негативный, но и творческий характер. В самом деле, путем такого отбора не только устраняются старые формы жизни, но создаются новые, более совершенные формы.
Современная теория эволюции раскрывает также конкретные типы механизмов естественного отбора:
• при стабилизирующем отборе устраняются все заметные отклонения от некоторой средней нормы, вследствие чего не происходит возникновения новых видов. Такой отбор играет незначительную роль в эволюции, поскольку сохраняет уже устоявшиеся формы живых организмов, в том числе и таких древних, как, например, кистеперые рыбы.
• ведущей (движущей) формой отбора является такая, которая подхватывает мельчайшие изменения, способствующие прогрессивным преобразованиям живых систем и возникновению новых, более совершенных видов;
• при дезруптивном отборе, который обычно происходит при резком изменении условий существования организмов, многочисленная группа особей среднего типа попадает в неблагоприятные условия и погибает;
• более сложный характер имеет балансировочный отбор, когда речь идет о существовании и смене адаптивных, или приспособительных, форм.
• при отборе с повышенной изменчивостью преимущество в отборе получают те популяции, которые отличаются наибольшим разнообразием по тем или иным признакам.
Следует, однако, отметить, что перечисленные типы отбора очень редко встречаются в "чистом" виде. Как правило, в живой природе наблюдаются сложные, комплексные типы отбора, и необходимы особые усилия, чтобы выделить из них более простые типы.

12.3. Синтетическая теория эволюции

Обсуждая основные факторы эволюции, мы убедились, что первоначальная теория Дарвина в дальнейшем подверглась значительным уточнениям, дополнениям и исправлениям, которые привели, в конце концов, к возникновению новой синтетической теории эволюции.

Эта теория действительно представляет собой синтез основных эволюционных идей Дарвина и, прежде всего идеи естественного отбора с новыми результатами биологических исследований в области наследственности и изменчивости.

Важным новым результатом синтетической теории было ясное установление тех исходных объектов, которые служат предметом исследования эволюционной теории. Ч. Дарвин в своей теории говорит об эволюции в рамках вида, о чем свидетельствует уже заголовок его книги "Происхождение видов". В синтетической теории элементарной единицей эволюции служит популяция, поскольку именно в ее рамках происходят наследственные изменения генофонда.
Другое существенное отличие синтетической эволюции от дарвиновской состоит в четком разграничении областей исследования микроэволюции и макроэволюции. Эти термины впервые были введены в 1927 г. отечественным генетиком Юрием Александровичем Филипченко (1882-1930) для характеристики разных масштабов эволюции. Дальнейшее уточнение они получили в работах известного российского генетика Николая Владимировича Тимофеева-Ресовского (1900-1981), который определяет, что

лшкроэвалюция - совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов. В отличие от этого макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период времени, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого.

Изменения, которые изучаются в рамках микроэволюции, доступны непосредственному наблюдению, тогда как макроэволюция происходит на протяжении длительного исторического периода времени и поэтому ее процесс может быть реконструирован лишь задним числом. В этих целях могут быть использованы методы сравнительно-морфологического, эмбриологического ^ палеонтологического исследования, позволяющие с определенной степенью правдоподобия восстановить возможную картину происходивших процессов эволюции! При этом следует учитывать, что макроэволюция, как и микроэволюция, происходит в конечном итоге под воздействием изменений в окружающей среде.
Несмотря на трудности, с которыми сталкиваются исследователи при изучении макроэволюции, к настоящему времени накоплен немалый обобщающий материал, формулируемый обычно в виде определенных закономерностей или правил макроэволюции крупных групп организмов. Не претендуя на полноту, перечислим некоторые из них.
• Любая новая крупная группа организмов, выше уровня вида, как правило, возникает потому, что приобретает в ходе эволюции качественно новые особенности в своей структуре и организации, которые дают ей коренное преимущество в борьбе за существование. Наибольший интерес в этом смысле привлекает идея отечественного биолога Алексея Николаевича Северцова (1866-1936) об ароморфозе, согласно которой каждое крупное изменение в строении и функции организма можно рассматривать как новый фактор эволюции, во многом меняющий ее дальнейшее направление и вызывающий новые формы отбора. Он подчеркивал, например, что именно появление разумного поведения у высших животных явилось существенным усовершенствованием движущих сил эволюции.
• Чем значительнее оказываются произошедшие изменения (ароморфоз) в группах организмов (таксонов) высшего порядка, тем настоятельнее адаптации к частным условиям среды таксонов низшего порядка.
• Каждая группа организмов характеризуется определенным средним темпом эволюции. Чем быстрее совершается процесс приспособления группы к частным, конкретным условиям среды, тем скорее она достигает расцвета и соответственно гибели.
• Уничтожение целых групп живых организмов в ходе эволюции обусловлено естественным отбором других групп, более приспособленных к изменившимся условиям окружающей среды. Исчезнувшие в процессе эволюции отдельные организмы, виды и группы впоследствии никогда не восстанавливаются в прежней форме.
• Эволюция не всегда идет от простого к сложному. Некоторые группы организмов, как, например, бактерии, сохранились с древнейших эпох только благодаря упрощению своей организации.
Решение многих проблем развития органического мира предполагает не противопоставление, а дополнение макроэволюционного подхода микроэволюционным. Особенно важен такой подход при рассмотрении мировоззренческих вопросов эволюции.

12.4. Философские проблемы эволюционной теории

Важнейшая мировоззренческая проблема, вокруг которой происходили ожесточенные споры между материализмом и идеализмом, наукой и религией, состоит в объяснении явлений целесообразности в живой природе. Наблюдая удивительную приспособляемость живых организмов к условиям своего существования, целесообразное устройство их тел и органов, люди уже давно задумались над причиной такой целесообразности.
Не останавливаясь на религиозных объяснениях, которые приписывали совершенство и целесообразность в природе вмешательству божественной воли, рассмотрим, как пытались объяснить эти явления первоначально в рамках античной философии и науки. Согласно телеологическому подходу, совершенство и приспособленность живых организмов к условиям среды есть результат заложенной в них внутренней цели (от греч. teleos - цель), которая раскрывается в ходе индивидуального развития организмов. Такой телеологический подход выступает в разной форме. У Аристотеля он фигурирует, как мы видели, в виде энтелехии как своеобразной целевой причины. Многие сторонники витализма обращаются в качестве объяснения к особой жизненной силе и т. п.
Сильнейший удар по таким представлениям нанесла эволюционная теория Дарвина, которая впервые дала научное объяснение явлениям целесообразности живой природы. Из всего, что говорилось выше об этой теории, становится ясным, что

целесообразность есть неизбежный результат естественного отбора, в ходе которого устраняются организмы, не приспособленные к условиям своего существования, и получают право на жизнь и потомство организмы, обладающие определенными преимуществами передними.

Такие преимущества выражаются в адаптации новых организмов, популяций, видов и других групп либо к уже существующим, либо, чаще всего, к изменившимся условиям окружающей среды. По мере развития живой природы происходит усложнение характера взаимодействия между организмами и внешней средой, популяциями и условиями их существования. Таким образом, чтобы правильно объяснить целесообразность, необходимо иметь в виду, что любая ее форма зависит от внешней среды, определяется ее условиями и состоянием. Поэтому ни о какой "чистой" целесообразности, не зависимой от условий существования живых организмов, речи быть не может. Стоит этим условиям несколько измениться, как свойство или характер приспособления, бывшие полезными прежде, оказываются бесполезными и вредными в новых условиях.
Вторая важная проблема, связанная с теорией эволюции, касается соотношения случайности и необходимости в развитии органического мира. Обсуждая вопрос о взаимодействии между живой системой и условиями ее существования в окружающей среде, мы не раз отмечали, что хотя под воздействием внешних факторов в ней возникают определенные изменения, но последние не передаются по наследству и, следовательно, непосредственно не определяют характер эволюции. Такая эволюция связана с мутациями, или случайными изменениями, в генотипе организма. Если они оказываются полезными в борьбе за существование, то становятся объектом для естественного отбора и передаются потомству. Повторяясь и закрепляясь в потомстве, такие случайные изменения становятся постепенно все более целесообразными и потому необходимыми для существования организма или вида. Напротив, с изменением условий внешней среды, ранее приобретенные изменения и свойства утрачивают свою необходимость и становятся сначала случайными, а потом и совсем исчезают. Отсюда очевидно, что мерой целесообразности и совершенства живых систем всегда служит внешняя среда. То, что целесообразно в одних условиях, оказывается нецелесообразным и даже вредным в "других. Поэтому целесообразность всегда имеет относительный характер.
Третья проблема мировоззренческого характера связана с характеристикой направленности развития в органическом мире. Существует ли в нем прогресс и каковы его критерии? Очевидность прогресса на первый взгляд не вызывает особых возражений, и эволюционная теория дает многочисленные тому подтверждения. Сам Ч. Дарвин признавал прогресс в живой природе, но никакого точного определения этому понятию не дал. Его последователи попытались более точно проанализировать это понятие. Значительный интерес в этом отношении представляют взгляды А. Н. Северцова, который различал прогресс морфо-физиологический и биологический. Решающее значение он придавал биологическому прогрессу, поскольку связывал с ним успех в борьбе за существование. В настоящее время не существует пока общепризнанных критериев прогресса, хотя в последние годы его связывает со степенью упорядоченности и сложностью организации биологических систем


Основные понятия и термины

Ароморфоз
Борьба за существование
Биологический прогресс
Естественный отбор
Изменчивость
Модификация
Изоляция
Мутация
Наследственность
Синтетическая теория
Селекция
Случайность
Телеология
Целесообразность
Факторы эволюции
Эволюция


Литература

Основная:
Кузнецов В.И., Идлчс Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. - М.,1996. Гл. XIV и XVII.
Яблоков А.В. Актуальные проблемы эволюционной теории. - М., 1966.

Дополнительная:
Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора или сохранения благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь. Соч. T.III. - М.-Л., 1939.
Тимирязев К. А. Чарльз Дарвин и его учение. - Собр. соч. T.IV.


Подумайте и ответьте

Сформулируйте основные принципы учения Ч. Дарвина об эволюции.
В чем заключается главный недостаток его теории?
Чем отличается синтетическая теория эволюции от дарвиновской?
Перечислите основные факторы и движущие силы эволюции.
Каков механизм генетической эволюции?
Как объясняет эволюционная теория целесообразность в природе?
Почему телеологические объяснения являются не верными?
С чем связан биологический прогресс?
Чем отличается макроэволюция от микроэволюции?
Какая связь имеется между случайностью и необходимостью в живой природе?


Глава 13. Концепция самоорганизации в науке

В настоящее время концепция самоорганизации получает все большее распространение не только в естествознании, но и в социально-гуманитарном познании. Поскольку большинство наук изучают процессы эволюции систем, постольку они вынуждены анализировать и механизмы их самоорганизации. Вот почему концепция самоорганизации становится теперь парадигмой исследования обширного класса систем и совершающихся в них процессов и явлений. Обычно под парадигмой в науке подразумевают фундаментальную теорию, которая применяется для объяснения широкого круга явлений, относящихся к соответствующей области исследования. Примерами таких теорий могут служить классическая механика Ньютона или эволюционное учение Дарвина. Сейчас значение понятия парадигмы еще больше расширилось, поскольку оно применяется не только к отдельным наукам, но и к междисциплинарным направлениям исследований. Типичными примерами таких междисциплинарных парадигм являются возникшая полвека назад кибернетика и появившаяся четверть века спустя синергетика. По ходу изложения в некоторых главах мы уже освещали некоторые понятия и принципы синергетики, чтобы получить более общее и глубокое представление о конкретных механизмах самоорганизации. В этой главе рассмотрим их подробнее в историческом и теоретическом плане.

13.1. Формирование идей самоорганизации

Ранние подходы к изучению самоорганизации в отдельных науках ясно обозначились еще в XVIII в. Они связаны, прежде всего, с деятельностью основоположника классической политической экономии Адама Смита (1723-1790), который в своем главном труде "Исследование о природе и причинах богатства народов" ясно выразил идею о том, что спонтанный порядок на рынке является результатом взаимодействия различных, часто противоположных стремлений, целей и интересов многочисленных его участников. Именно такое взаимодействие приводит к установлению того никем не предусмотренного и незапланированного порядка на рынке, который выражается в равновесии спроса и предложения. Эту главную свою мысль А. Смит выразил в форме метафоры "невидимой руки", которая регулирует цены на рынке.

Каждый отдельный человек старается употреблять свой капитал так, чтобы продукт его обладал наибольшей стоимостью. Обычно он и не имеет в виду содействовать общественной пользе и не сознает, насколько содействует ей. Он имеет в виду лишь собственную выгоду, причем в этом случае он невидимой рукой направляется к цели, которая не входила в его намерения. Преследуя свои собственные интересы, он часто более действенным образом служит интересам общества, чем тогда, когда сознательно стремится служить им.

Аналогичные идеи относительно самоорганизации норм нравственности в обществе высказывали в том же веке шотландские моралисты, которые подчеркивали, что принципы нравственного поведения людей не создаются правителями, политиками и иными общественными деятелями, а формируются медленно и постепенно в ходе самоорганизации людей под влиянием изменяющихся условий их жизни.
Важно при этом обратить внимание на то, что идеи самоорганизации, самосовершенствования и улучшения деятельности социальных систем и общественных учреждений упомянутые ученые связывают с эволюционными процессами, которые происходят в жизнедеятельности людей. Конечно, чаще всего идеи самоорганизации и эволюции не были четко и ясно выражены, они скорее были результатом интуитивного прозрения, чем строгого научного исследования. Тем не менее, от этого их ценность не уменьшается, ибо они подготовили почву для будущих исследований процессов самоорганизации и эволюции.
Эволюционная теория Дарвина послужила мощным толчком для развертывания исследований о механизмах развития различных природных и социальных систем. Если физические и химические методы исследования многое дали для анализа структуры и функционирования живых систем, то эволюционная концепция биологии заставила физиков и химиков по-новому взглянуть на объекты своих исследований и природу в целом. Они вынуждены были считаться с тем глубоким противоречием, которое существовало между их взглядами и достоверными фактами и теоретически обоснованными утверждениями дарвиновской эволюционной теории. Формирование идей самоорганизации в физике было продиктовано как раз стремлением преодолеть указанное противоречие, которое свидетельствовало о том, что некоторые ее основополагающие понятия и принципы имеют слишком идеализированный характер и неадекватно отображают исследуемую реальность.
Прежде всего, понятие об обратимых процессах, прочно утвердившееся в механике, не учитывало реального характера процесса изменений в природе. Действительно, для механического описания процессов достаточно задать лишь начальные координаты и скорость движущегося тела. Тогда с помощью системы дифференциальных уравнений, описывающих движение, можно однозначно определить положение тела в любой момент, как в прошлом, так и в настоящем. Поэтому фактор времени по сути дела не играет никакой роли в механике.
Такое представление крайне упрощает свойства реальных процессов, и в середине прошлого века физики в связи с изучением тепловых процессов вынуждены были ввести фактор времени, который отражал бы реальные изменения, происходящие в ходе эволюции системы. Но представление об эволюции в классической термодинамике, изучающей изолированные системы, было совершенно чуждо механике. В то же время эволюция в термодинамике понималась совсем иначе, чем в биологии. В самом деле, если в теории Дарвина эволюция приводила к совершенствованию и усложнению живых систем в результате их адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды, то в классической физике она связывалась с дезорганизацией и разрушением системы. Такое представление вытекало из второго начала термодинамики, согласно которому закрытая система постепенно эволюционирует в сторону беспорядка и дезорганизации
Резкое противоречие между биологической и физической эволюцией удалось разрешить только после того, когда физика обратилась к понятию открытой системы, т. е. системы, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. При определенных условиях в открытых системах могут возникнуть процессы самоорганизации в результате получения новой энергии и вещества извне и диссипации, или рассеяния, использованной в системе энергии. Таким образом, было установлено, что ключ к пониманию процессов самоорганизации содержится в исследовании процессов взаимодействия системы с окружающей средой.
К установлению общего взгляда на процессы самоорганизации разные ученые шли разными путями. Автор самого термина "синергетика" немецкий физик Герман Хакен, работавший в лабораториях фирмы Белла над новыми источниками света, исследовал механизмы кооперативных процессов, которые происходят в твердотельном лазере. Он выяснил, что частицы, составляющие активную среду резонатора, под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться в одной фазе. В результате этого между ними устанавливается когерентное, или согласованное, взаимодействие, которое приводит в конечном итоге к их кооперативному, или коллективному, поведению.
Однако в первое время, по его собственному признанию, он ясно не понимал, что подобные процессы могут происходить и в других системах, а лазер - лишь один из типичных их представителей.
Видный теоретик самоорганизации И. Р. Пригожий пришел к своим идеям из анализа специфических химических реакций, которые приводят к образованию определенных пространственных структур с течением времени при изменении концентрации реагирующих веществ. Вместе со своими сотрудниками он построил математическую модель таких реакций, которые впервые экспериментально были изучены нашими отечественными учеными Б. Белоусовым и А. Жаботинским.
Теоретической основой модели стала нелинейная термодинамика, изучающая процессы, происходящие в нелинейных неравновесных системах под воздействием флуктуации. Если такая система удалена от точки термодинамического равновесия, то возникающие в ней флуктуации в результате взаимодействия со средой будут усиливаться и в конце концов приведут к разрушению прежнего порядка или структуры, а тем самым и к возникновению новой системы. Структуры и системы, возникающие при этом, И.Р. Пригожий назвал диссипативными, поскольку они образуются за счет диссипации, или рассеяния, энергии, использованной системой, и получения из окружающей среды новой, свежей энергии. За исследования по термодинамике диссипативных структур И. Р. Пригожину была присуждена Нобелевская премия по химии.
Другой видный теоретик самоорганизации немецкий ученый М. Эйген убедительно доказал, что открытый Ч. Дарвином принцип отбора' продолжает сохранять свое значение и на микроуровне. Поэтому он имел все основания утверждать, что генезис жизни есть результат процесса отбора, происходящего на молекулярном уровне. Он показал, что сложные органические структуры с адаптационными характеристиками возникают благодаря эволюционному процессу отбора, в котором адаптация оптимизируется самими структурами. Предпосылками для осуществления такой самоорганизации макромолекул являются- взаимодействие системы со средой или открытость для обмена веществом и энергией, автокатализ, мутации и естественный отбор.
В начале 1960-х гг. Е. Лоренц, изучая компьютерные модели предсказания погоды, пришел к важному открытию, что уравнения, описывающие метеопроцессы, при почти тех же самых начальных условиях приводят к совершенно разным результатам. А это свидетельствовало о том, что детерминистская система уравнений обнаруживает хаотическое поведение. Отсюда был сделан вывод, что хаос также характеризуется определенным порядком, который, однако, имеет более сложный характер. Его можно рассматривать как вид регулярной нерегулярности.
Мы видим отсюда, что исследования процессов самоорганизации в начале 1960-х гг. ограничивались отдельными естественнонаучными и инженерными дисциплинами. Сами исследователи не придавали им обобщающего характера и потому никто тогда не предвидел, что из них в 70-х гг. сформируется единая парадигма междисциплинарного исследования. Однако постепенно ученые в своих исследованиях стали выходить за рамки своих дисциплин, начали замечать аналогию между понятиями и уравнениями, которые применялись для анализа разных по конкретному содержанию процессов. Таким образом, медленно, но неуклонно формировалось убеждение, что во всех этих исследованиях существует единое концептуальное ядро, которое служит общей их основой. В сущности именно это ядро и составляет парадигму исследования процессов самоорганизации.
Однако оно превратилось в такую парадигму только в условиях определенного научного и социального климата, возникшего в 1970-е годы, когда и в науке и в социальной жизни шел поиск новых форм организации исследовательской и общественной деятельности. В науке такие поиски сопровождались отказом от традиционных методов редукционизма, когда сложные процессы пытались свести к простым и элементарным, а тем самым игнорировали их специфические особенности. В системе образования студенты требовали отказа от устаревших методов обучения, предоставления им большей свободы и самостоятельности.
Для научного познания этого времени наиболее характерным был переход от исследования отдельных предметов и процессов к изучению их целостных систем, от рассмотрения их бытия и существования - к анализу их возникновения и развития. Такой переход отчетливо выражен в новом системном методе исследования, который получил широкое распространение после Второй мировой войны в форме комплексных и междисциплинарных исследований. И кибернетика и позднее возникшая синергетика развиваются в русле общего системного движения науки, исследуя такие важнейшие аспекты систем, как их динамическая устойчивость, самоорганизация и организация и особенно механизм возникновения новых системных качеств.
С интересующей нас точки зрения отличие кибернетики от синергетики заключается прежде всего в том, что первая акцентирует внимание на анализе динамического равновесия в самоорганизующихся системах. Поэтому она опирается на принцип отрицательной обратной связи, согласно которому всякое отклонение системы корректируется управляющим устройством после получения информации об этом. В этом смысле допустимо, пожалуй, также говорить о самоорганизации, но здесь эта самоорганизация заложена в систему самой природой, как это видно на примере гомеостаза в функционировании живых систем, либо она заранее планируется и конструируется человеком, например, в автоматах и других подобных устройствах.
В синергетике в противоположность кибернетике исследуются механизмы возникновения новых состояний, структур и форм в процессе самоорганизации, а не сохранения или поддержания старых форм. Именно поэтому она опирается на принцип положительной обратной связи, когда изменения, возникшие в системе, не подавляются или корректируются, а, наоборот, постепенно накапливаются и в конце концов приводят к разрушению старой и возникновению новой системы.
Для характеристики самоорганизующихся процессов в литературе употребляются разные термины, начиная от синергетических и кончая нелинейными неравновесными системами или даже системами автопоэтическими или самообновляющимися. Но в целом все они выражают одну и ту же идею, так как речь в них идет о сложноорганизованных системах, являющихся системами открытыми, находящимися вдали от точки термодинамического равновесия.
Хотя для всех них пока не существует единой фундаментальной теории, в общую парадигму их объединяет принадлежность к сложноорганизованным системам.

13.2. Самоорганизация как основа эволюции

Несмотря на то, что идеи эволюции, начиная от космогонической гипотезы Канта - Лапласа и кончая эволюционной теорией Дарвина, получили широкое признание в науке, тем не менее, они формулировались скорее в интуитивных, чем теоретических терминах. Поэтому в них трудно было выявить тот общий механизм, посредством которого осуществляется эволюция. Как отмечалось выше, главным препятствием здесь служило резкое противопоставление живых систем неживым, общественных - природным. В основе такого противопоставления лежали слишком абстрактные, а потому неадекватные понятия и принципы классической термодинамики об изолированных и равновесных системах. Именно поэтому эволюция физических систем связывалась с их дезорганизацией, что противоречило общепринятым в биологических и социальных науках представлениям об эволюции.

<< Пред. стр.

стр. 4
(общее количество: 6)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>