Московский государственный университет печати

Горбачев В.В.


         

Концепции современного естествознания. В 2 ч.

Учебное пособие


Горбачев В.В.
Концепции современного естествознания. В 2 ч.
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление
1.

Часть I

Предисловие

1.1.

Введение

1.1.1.

Этапы развития и становления естествознания

1.1.2.

Общие проблемы естествознания на пути познания Мира

1.2.

Механика дискретных объектов

1.3.

Физика полей

1.4.

Теория относительности Эйнштейна - мост между механикой и электромагнетизмом

1.4.1.

Физические начала специальной теории относительности

1.4.2.

Общая теория относительности

1.5.

Основы квантовой механики и квантовой электродинамики

1.6.

Физика Вселенной

1.6.1.

Модели происхождения Вселенной

1.6.2.

Современные модели элементарных частиц как первоосновы строения материи Вселенной

1.6.3.

Фундаментальные взаимодействия и их мировые константы

1.6.4.

Модель единого физического поля и многомерность пространства-времени

1.6.5.

Устойчивость Вселенной и антропный принцип

1.6.6.

Ньютоновская модель развития Вселенной

1.6.7.

Антивещество во Вселенной и антигалактики

1.6.8.

Механизм образования и эволюции звезд

1.7.

Проблема «порядок-беспорядок» в природе и обществе

1.8.

Симметрия и асимметрия в их различных физических проявлениях

1.9.

Современная естественнонаучная картина мира с точки зрения физики

2.

Часть II. Физика живого

Введение

2.1.

От физики существующего к физике возникающего

2.1.1.

Термодинамические особенности живых систем

2.1.2.

Энергетический подход к описанию живого

2.1.3.

Уровни организации живых систем и системный подход к эволюции живого

2.1.4.

Физическая интерпретация биологических законов

2.1.5.

Пространство и время для живых организмов

2.1.6.

Энтропия и информация в живых системах

2.2.

Физические аспекты и принципы

2.2.1.

От атомов к протожизни

2.2.2.

Химические процессы и молекулярная самоорганизация

2.2.3.

Биохимические составляющие живого вещества

2.2.4.

Клетка как «элементарная частица» молекулярной биологии

2.2.5.

Роль асимметрии в возникновении живого

2.3.

Физические принципы воспроизводства и развития живых систем

2.3.1.

Информационные молекулы наследственности

2.3.2.

Воспроизводство и наследование признаков

2.3.3.

Процессы мутагенеза и передача наследственной информации

2.3.4.

Матричный принцип синтеза информационных макромолекул и молекулярная генетика

2.4.

Физическое понимание эволюционного и индивидуального развития организмов

2.4.1.

Онтогенез и филогенез. Онтогенетический и популяционный уровни организации жизни

2.4.2.

Физическое представление эволюции. Синтетическая теория эволюции

2.4.3.

Аксиомы биологии

2.4.4.

Признаки живого и определения жизни

2.4.5.

Физическая модель демографического развития С.П. Капицы

2.5.

Физические и информационные поля биологических структур

2.5.1.

Физические поля и излучения функционирующего организма человека

2.5.2.

Механизм взаимодействия излучений человека и окружающей среды и возможности медицинской диагностики и лечения

2.5.3.

Устройство памяти. Воспроизводство и передача информации в организме

2.6.

Физические аспекты биосферы и основы экологии

2.6.1.

Структурная организованность биосферы

2.6.2.

Биогеохимические принципы В.И. Вернадского и живое вещество

2.6.3.

Физические аспекты эволюции биосферы и переход к ноосфере

2.6.4.

Физические факторы влияния Космоса на земные процессы

2.6.5.

Физические основы экологии

2.6.6.

Принципы устойчивого развития

Контрольные вопросы

Литература

Темы курсовых работ, рефератов и докладов

Вопросы к зачету и экзамену

Словарь терминов

Указатели
690   именной указатель
3016   предметный указатель
58   указатель иллюстраций

Организмы существуют не столько
благодаря внешней среде, сколько
вопреки ей.

В.Я. Александров

Отличить живое от неживого
легче всего на рынке:
за живую и дохлую лошадь
дают разную цену.

Б.М. Медников

Мы убедились (подразд. 2.1.3) в связи с применением идей системного анализа к пониманию жизнедеятельности биологических структур, что развитие сложной самоорганизующейся открытой целостной системы живого организма происходит в соответствии с иерархией уровней его Организацияорганизации. Закономерные изменения на каждом уровне составляют его эволюцию. Особенности процессов на двух начальных уровнях - клеточном (подразд. 2.2.4) и молекулярно-генетическом (подразд. 2.3.1) - нами были уже рассмотрены. Остановимся теперь на двух следующих, более высоких по иерархии, уровнях Организацияорганизации - организменном (онтогенетическом) и популяционно-видовом.

Элементарной единицей организменного уровня является особь, которую можно рассматривать в эволюции от момента ее зарождения до прекращения существования в качестве живого организма, что позволяет его назвать и онтогенетическим уровнем. В связи с эволюцией отдельных особей и вида или типа одинаковых особей были введены термины Онтогенез онтогенез и Филогенез филогенез. По существу, появление, развитие и смерть отдельных особей, т.е. их жизнь, и есть онтогенез, в то время как филогенез - это историческое развитие организмов, их совокупности для различных типов, классов, отрядов, семейств, родов и видов в биологической классификации. В этом смысле филогенез можно рассматривать как элементарное явление на популяционном уровне.

Сам термин «онтогенез» был введен в 1866 г. Геккель Э.Э. Геккелем, который считал, что сходство зародышей живых организмов имеет эволюционную сущность. Он построил первое так называемое «родословное дерево» животного мира и установил, что по мере развития зародыша во всех позвоночных происходят изменения от признаков рыбы, Амфибионтамфибии, рептилии, птицы или млекопитающего в зависимости от своего вида. С одной стороны, это указывает на наличие общего предка (если у организма в эмбриональном периоде образуются зачатки, из которых потом не будут развиваться функциональные органы, то их тоже связывают с остатками структур общего предка). А с другой стороны, Адаптацияадаптация к иным условиям Окружающая средаокружающей среды и образу жизни изменяет дальнейший ход развития как отдельных особей, так и их совокупности - Популяцияпопуляции.

Закон ГеккеляГеккелем был сформулирован закон, отражающий это обстоятельство: «онтогенез повторяет филогенез», т.е. те стадии, через которые проходит организм любой живой особи в процессе своего развития, повторяют эволюционную историю того вида, к которому эта особь относится. Можно сказать, что особенности живых организмов определяются их историчностью - каждый организм развивается онтогенетически и несет в себе память о филогенетическом эволюционном развитии. И онтогенез, и филогенез идут в направлении возрастающий сложности, и в процессе эволюции живого организма возникает и запоминается новая информация, в том числе для него возрастает ценность информации. Следовательно, организм является результатом филогенетического эволюционного развития и сам проходит путь онтогенетического развития.

Таким образом, онтогенетический уровень организации жизни на Земле связан с жизнедеятельностью отдельных особей, дискретных Индивидиндивидов. И на данном уровне единицей жизни уже выступает сама особь. Легко увидеть и здесь определенную Аналогияаналогию с физико-химическим строением материи, где в качестве элементарных ее единиц на разных уровнях выступают элементарные частицы, атомы, молекулы, их образования - Макромолекуламакромолекулы, другие их конструкции, отдельные вещества, тела и т.д. Кроме того, здесь также отражаются особенности привлечения понятий целого и части в построении живого организма из своих наименьших частей - клеток. На своем организменном уровне особь выступает как целое! [ссылка на источники литературы].

Моисеев Н.Н.Н.Н. Моисеевым развит для биологических структур синергетический принцип Пригожина - Гленсдорфа: «Живая система, ее составляющие видоизменяются, самоорганизуются так, что используют потребляемую извне энергию наиболее оптимальным способом» [ссылка на источники литературы]. Применение этого принципа к Онтогенезонтогенезу и Филогенезфилогенезу снимает внешнее противоречие между термодинамикой и Биологическая эволюциябиологической эволюцией. «Биологическое структурирование» в онтогенезе имеет характер поведения диссипативных структур в неравновесной термодинамике.

Онтогенез определяется деятельностью некоторой саморегулирующейся иерархической системы, когерентно (согласованно) реализующей наследственные признаки и свойства в процессе жизнедеятельности в пределах отдельной особи. В ходе онтогенеза и реализации наследственной информации в определенных условиях внешней среды формируется фенотип организмов данного биологического вида. Как мы уже представляем, в эволюции познания вопросов всегда остается больше, чем ответов. Для онтогенеза неясным является, в частности, такой вопрос: почему в онтогенезе строго определенные процессы происходят в должное время и в должном месте?

Особи в природе не абсолютно изолированы друг от друга, а объединены следующим, более высоким уровнем биологической организации - популяционно-видовым. Такое выделение и рассмотрение жизни на этом уровне связано с объединением отдельных особей в популяции. Популяция Популяция является совокупностью особей всех представителей определенного вида живых организмов, занимающих какую-то территорию в одно и то же время. Она может обосновываться в данной области при наличии подходящего для нее климата, питательных веществ и источника энергии и составляет часть пищевой цепи существующих в этой области сообществ других живых организмов.

Сами популяции целостны, хотя и состоят из множества особей. Они расположены на определенной территории, взаимодействуют между собой, скрещиваются, как говорят биологи, но относительно изолированы от других видов. Поскольку внутри популяции и вне ее происходят взаимодействия, то ее можно считать открытой системой. Зная механизмы поведения популяции, можно определить эволюцию живых систем. Целостность популяции как раз и обеспечивается взаимодействием особей в популяциях и воссозданием генетического материала через обмен в процессе полового размножения. Отметим, кстати, что достоинством полового размножения является повышение видового разнообразия, резкое увеличение темпов эволюции и приспособления к Окружающая средаокружающей среде.

В этом смысле популяция представляет собой открытую генетическую систему, а отбор необходимых ценных признаков при взаимодействии друг с другом и окружающей средой обусловливает появление новых свойств и особенностей в популяции, отличных от свойств на клеточном, молекулярно-генетическом и онтогенетическом уровнях. Действие элементарных эволюционных факторов приводит к изменению генетического фонда популяции, которое может характеризоваться как элементарное явление на данном уровне.

Можно считать, что популяция - это «разработанный» самой природой способ существования и выживания особей определенного типа. Функции популяции состоят в том, чтобы расти, развиваться и поддерживать в изменчивых условиях свое существование. Отдельные индивидуальные особи меняются, а сама популяция сохраняется. Ферхюльстом установлены некоторые закономерности развития популяций [ссылка на источники литературы]. Так, биологический потенциал популяции зависит от скорости ее роста и определяется отношением скорости роста к числовому значению популяции, а сопротивление биологической среды росту популяции - отношением уменьшения популяции к квадрату численности популяции.

Таким образом, популяция выступает как самоорганизующаяся система, которая обладает не только способностью к саморазвитию, но и способностью наследования. ВидВиды могут рассматриваться как системы популяций (сами популяции выступают на популяционно-видовом уровне в виде элементарных, далее не разложимых эволюционных единиц), в которых есть как внутрипопуляционный обмен и скрещивание особей, так и генетический обмен между популяциями.

Стимулирующее действие хорошей
гипотезы прямо пропорционально ее
необоснованности.

В.Я. Александров

Как жаль, что мы живем недостаточно
долго, чтобы пользоваться
уроками своих ошибок.

Ж. де Лабрюйер

Раскрытие Генетический кодгенетического кода и установление закономерностей Биология молекулярнаямолекулярной биологии показали необходимость соединения современной Генетикагенетики и дарвиновской теории эволюции. Так родилась новая биологическая Парадигмапарадигма - Синтетическая теория эволюциисинтетическая теория эволюции (СТЭ), которую можно рассматривать уже как неклассическую биологию. И хотя до настоящего времени не создана физическая модель эволюции в СТЭ, но так же, как в целом в физике живого и как мы неоднократно это обсуждали, могут быть использованы синергетические идеи развития сложных самоорганизующихся систем и квантовые принципы. В частности, в активизации процессов самоорганизации и усложнении структуры живого организма состоит суть его эволюции. Причем эта Самоорганизациясамоорганизация в биологических объектах происходит с непревзойденными точностью, эффективностью и скоростью и тем самым является характеристикой эволюции живой природы.

Основные идеи эволюции Дарвина с его триадой - наследственностью, Изменчивостьизменчивостью, Естественный отборестественным отбором - в современном представлении эволюции живого мира дополняются представлениями не просто естественного отбора, а такого отбора, который детерминирован генетически. Началом разработки синтетической или общей эволюции можно считать работы Четвериков С.С.С.С. Четверикова по Популяционная генетикапопуляционной генетике, в которых было показано, что отбору подвергаются не отдельные признаки и особи, а генотип всей Популяцияпопуляции, но осуществляется он через фенотипические признаки отдельных особей. Это приводит к распространению полезных изменений во всей популяции. Таким образом, механизм эволюции реализуется как через случайные мутации на генетическом уровне, так и через наследование наиболее ценных признаков (ценности информации!), определяющих Адаптацияадаптацию мутационных признаков к окружающей среде, обеспечивая наиболее жизнеспособное потомство.

Учитывая вероятностный характер возникновения мутаций, в этом смысле подчиняющихся законам статистической физики, их нельзя считать основным фактором эволюции, так как они только влияют на изменчивость генотипа и поэтому мутационный процесс приводит к образованию и полезных, и вредных генов, которые как бы составляют фонд наследственной изменчивости. Следовательно, изменчивость на молекулярно-генетическом уровне также не является фактором эволюции и естественный отбор на этом уровне не работает. Полезность Изменчивостьизменчивости будет определяться естественным отбором особей, наиболее приспособленных к жизни в определенных условиях. Естественный отбор будет действовать непосредственно на фенотип живого организма и тем самым начнет проявляться с онтогенетического уровня организации живого.

Как отмечал Моисеев Н.Н.Н.Н. Моисеев [ссылка на источники литературы], изменчивость создает поле возможностей развития той или иной живой системы, Наследственностьнаследственность ограничивает это Полеполе, но отбор реализующегося варианта эволюции будет определяться некоторыми правилами или принципами. Принципы этого отбора - это законы физики, Биологиябиологии, общественного развития, с помощью которых с какой-то вероятностью из допустимых значений отбираются наблюдаемые нами в реальности. Кстати, к таким же правилам отбора относятся и те следствия человеческого опыта, на которые мы опираемся в своей практической деятельности, принимая те или иные решения. Заметим, что с физической точки зрения в основе этих принципов лежат законы сохранения, а сами фундаментальные принципы имеют запретительный характер: никакие изменения не могут идти вопреки закону изменения энергии и закону сохранения количества движения. Вспомним из первой части нашего курса, что законы различных механик (классической, квантовой и релятивистской) также имеют ограничительный характер и справедливы лишь для определенных условий.

В рамках СТЭ и в целом эволюции всей биосферы элементарной единицей эволюции считается уже не особь, а совокупность особей одного вида, способных скрещиваться между собой, т.е. популяция. Мутировавший ген создает у особи новый признак. Если он полезен для популяции, он закрепляется в ней. Эффективность процесса будет определяться частотой возникновения в популяции признака и некоторой величиной e, которая в модельном представлении эволюции описывает состояния особей в популяции. В работах Шелепин Л.А.Л.А. Шелепина [ссылка на источники литературы] в предложенной им модели был проведен анализ состояний популяций в зависимости от конкретных условий.

ПопуляцияПопуляции рассматриваются как целое по отношению к ресурсам, хищникам для данной популяции и к внешним условиям, а сами особи выступают как своего рода неразличимые молекулы. При анализе распределения особей внутри популяции выделяются четыре основных типа стратегии Адаптацияадаптации. Первая реализуется в условиях достаточного ресурса и отсутствия хищников. Для нее характерны экспоненциальный рост численности, активность к расселению, высокая скорость Метаболизмметаболизма. Вторая осуществляется в условиях конкуренции ограниченности территории и наличия хищников. В этом типе адаптации проявляются определенное самолимитирование и уменьшение прироста численности с увеличением популяции под действием конкурентности, отбор особей по силовым, размерным, скоростным качествам и умеренный метаболизм. Третья стадия проходит при ухудшающихся неблагоприятных условиях, недостатке ресурсов, прессинге хищников и приводит к существенным изменениям скорости метаболизма, запасанию корма, поиску убежища, спячке. Последняя, четвертая, стадия идет при крайне неблагоприятных условиях и ведет уже к возникновению качественных изменений особей и популяции в целом, появляются мутанты и происходит переход в новую экологическую нишу. В рамках популяции имеют место в той или иной степени все четыре типа ее развития. Переходы от одной стадии к другой идут в зависимости от внутренних и внешних условий.

Параметр <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
как раз и характеризует состояние популяции в процессе ее эволюции. С ростом e проходят все четыре стадии. При достижении некоторого критического значения e0 происходят генетические преобразования. Измененные организмы уходят в новую экологическую нишу и закрепляются в ней - формируется новый вид. Поскольку процессы появления и закрепления признаков на разных стадиях носят случайный, статистический характер, состояние популяции может быть задано функцией распределения <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, где r - пространственная координата, t - текущее время. При изменении определяющих факторов в пространстве и времени на каждой стадии, которое и выражается через введенный параметр e, происходит общий процесс перераспределения особей в популяции по состояниям от комфортных условий до генетических преобразований в пределах <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
.

Функция распределения особей в популяции может быть описана больцмановским распределением по e в рамках представлений молекулярной физики:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.4.1)

где T - некая «популяционная температура», также характеризующая энергетическое состояние популяций. При малых T популяция находится в комфортных условиях. С ростом T наступают мутагенные и соматические изменения у все возрастающего числа особей и численность популяции, достигнув насыщения, постепенно начинает уменьшаться. При достижении некоторого критического значения <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, когда резко возрастает вариабельность (число и подвижность приобретаемых изменений и признаков), популяция либо прекращает свое существование, либо изменяется и переходит в новое состояние, новую экологическую нишу.

В общем случае изменение функции <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, характеризующей изменения в состоянии Популяцияпопуляции, описывается так называемым уравнением Фоккера - Планка с учетом источников N, задающих процессы рождения и гибели особей. Таким образом, генетические преобразования и Эволюцияэволюция в целом идут в значительной мере через изменение состояния популяции. При определенных значениях e в организмах создаются условия для мутаций. В этом смысле мутации определяются условиями существования популяций. Комплексный анализ такой взаимосвязи имеет большое значение при рассмотрении эволюции живого мира.

В СТЭ существуют представления о микро- и макроэволюции. МикроэволюцияМикроэволюция связана с необратимыми преобразованиями генетико-экологической структуры популяции, которые могут привести к формированию нового вида. МакроэволюцияМакроэволюция изучает основные направления и закономерности развития жизни на Земле и происхождение человека как биологического вида и таким образом осуществляется через процессы микроэволюции. В рамках системного подхода и ту, и другую можно описать через элементарные явления и ведущие факторы.

Тимофеев-Ресовский Н.В.Н.В. Тимофеев-Ресовский [ссылка на источники литературы] сформулировал представления об элементарных явлениях и факторах эволюции в следующих основных положениях. В качестве элементарной эволюционной структуры выступает популяция. Изменение генотипического состава популяции является элементарным эволюционным явлением. Сам Генофондгенофонд есть элементарный эволюционный материал. И наконец, существуют элементарные эволюционные факторы - мутационный процесс, популяционные волны, Изоляция изоляция, Естественный отбор естественный отбор.

Мутационный процесс, как мы уже убедились, хотя и является, так сказать, поставщиком элементарного эволюционного материала, не оказывает направляющего воздействия на ход эволюционного процесса. Существенное влияние на эволюцию Популяцияпопуляций оказывают популяционные волны, или Волны жизни«волны жизни», которые представляют собой количественные колебания в численности популяций под воздействием различных проявлений внешней среды - сезонных изменений климата, различных природных или техногенных катастроф и т.д. С одной стороны, это приводит к изменению частоты повторяемости генов в популяциях и, как следствие, к снижению наследственной изменчивости. Этот процесс иногда называют Генетический дрейфдрейфом генов. А с другой - к изменениям концентрации различных мутаций и уменьшению разнообразия генотипов, содержащихся в популяции, что может привести к изменениям направленности и интенсивности действия отбора. В этом смысле популяционные волны не дают вполне определенного хода эволюции.

Третий фактор - Изоляцияизоляция, нарушая свободное скрещивание. закрепляет как случайно возникшие, так и под действием отбора изменения в наборах признаков и численности генотипов в различных частях популяции. Изоляция может возникать по пространственно-географическому и биологическому (репродуктивному) признакам. Биологическая изоляция проявляется в пяти формах различия: по поведению особей (этологическая), по предпочтению разных мест обитания (экологическая), по сезонности в сроках размножения (сезонная), по размерам и структуре тела (морфологическая) и по различию наследственного аппарата, связанного с несовместимостью половых клеток (генетическая). Общим итогом изоляции может быть возникновение независимых Генофондгенофондов двух популяций, которые могут впоследствии развиться в независимые виды. Направленной эволюции этот фактор также не дает.

Естественный отборЕстественный отбор, четвертый элементарный эволюционный фактор, проявляется в дифференцированном, направленном сохранении в популяции определенных генотипов и их избирательном участии в передаче следующему поколению. Как мы уже отмечали, этот процесс идет на уровне целого живого организма и закрепления признаков в особях и популяции. Таким образом, Естественный отборестественный отбор, являясь направленным фактором, определяет направление движения всей биосферы, ее развитие в процессе становления порядка из хаоса. Согласно Шмальгаузен И.И.И.И. Шмальгаузену [ссылка на источники литературы], естественный отбор может реализовываться в движущей и стабилизирующей формах.

Движущий отбор в результате действия Мутациямутаций и Окружающая средаокружающей среды для популяции производит закономерное изменение ее в определенном направлении, стабилизирующий - совершенствует индивидуальное развитие особей, не меняя признаков организмов. Это как бы защитный аппарат от возможных случайных нарушений во внутренней и внешней средах, и он связан с выработкой более устойчивых механизмов нормального формообразования. Во все этих механизмах эволюции в организмах и их совокупностях - популяциях - сохраняются основные законы жизни - развитие при сохранении устойчивости, стабильности различных форм жизни.

И организм, по выражению Шмальгаузен И.И.И.И. Шмальгаузена, предстает как целое в индивидуальном и историческом развитии. Устойчивость развития сложной живой системы определяется через ее гомеостаз. Сочетание эволюционных принципов оптимальности и термодинамических закономерностей, определяющих устойчивость неравновесных самоорганизующихся систем, позволяет построить количественную теорию гомеостаза живых организмов. Живой организм как единое целое сохраняет иерархическую общую структуру взаимодействия его элементов при изменении внешних условий и стабилизации внутреннего состояния посредством положительных и отрицательных обратных связей. Все это дает огромное разнообразие проявления признаков живого и выступает в качестве саморегуляции эволюции живого.

В заключение подведем итог современных представлений Синтетическая теория эволюциисинтетической теории эволюции и отметим некоторые эмпирические закономерности развития биосистем. Установленный закон генетического разнообразия отражает тот факт, что живое генетически различно и имеет тенденцию к увеличению биологических разновидностей. С ростом сложности организации биосистем продолжительность существования вида уменьшается, а темпы эволюции возрастают. Любопытную закономерность установил также Вернадский В.И.В.И. Вернадский: «В ходе геологического времени выживающие формы увеличивают свои размеры, а следовательно, и вес, а затем вымирают» [ссылка на источники литературы].

Эволюционные изменения случайны и ненаправленны, поскольку исходным материалом для их являются различные мутации. ЭволюцияЭволюция протекает дивергентно, постепенно, через отбор мелких случайных мутаций. Новые формы могут образовываться через более крупные наследственные изменения, жизненность которых определяется отбором. Хотя сам процесс эволюции идет достаточно медленно в своем историческом развитии и постепенно, в этом процессе могут быть скачки (так называемое правило прерывистого равновесия) в связи с Бифуркациябифуркациями в геологическом развитии Земли и изменением условий для Биотабиоты.

Добиологическая эволюция, приведшая к образованию биологических молекул, и биологическая эволюция должны рассматриваться как часть эволюции Вселенной, следовательно, учитывать эволюцию в неживой, косной природе Земли, в том числе и геологическую эволюцию. Имеются модели зарождения жизни в процессе планетарной эволюции или планетарной формы движения материи. Из геологических исследований следует, что первые изверженные, метаморфические и даже первичные осадочные породы возникли около 4,3-3,9 млн. лет тому назад, следы первых простейших живых организмов микрофоссилий - около 3,5 млн. лет. Такое совпадение предопределило гипотезу естественного эволюционного возникновения жизни на Земле вместе с геологической эволюцией.

В этой гипотезе предполагается, что появление соответствующих горных пород и минералов, а также магнитного поля Земли примерно совпадает с моментом появления жизни, т.е. Самоорганизациясамоорганизация эволюционных процессов для Природа неживаянеживой и Природа живаяживой природы идет по одной и той же схеме. Экспериментально было показано, что на глинах может происходить синтез Полипептидполипептидов, а на базальтах - полинуклеотидов, т.е. как бы имеется Код минералогическийминералогический код, который управляет синтезом на поверхности породы и даже обеспечивает для глин возможность матричного синтеза как самих глин (до 30 слоев), так и полимеров. Возможно, что первые примитивные гены представляли собой микрокристаллические кристаллы глины, причем каждый новый слой глины выстраивается в соответствии с особенностями строения предыдущего, как бы получая от него информацию о строении. Предполагается, что Становлениестановление генетической информации шло по схеме: геохимические процессы - минералообразование - эволюционный катализ (Автокатализавтокатализ).

В рамках синергетических представлений Моисеев Н.К.Н.К. Моисеев [ссылка на источники литературы] построил следующую схему эволюции нашей планеты. Процесс формирования Земли из протопланетного облака, вероятно, длился много миллиардов лет. Принято считать, что окончательно Земля сформировалась как планета около 5 млрд. лет тому назад. Как мы отмечали в подразд. 2.2.1, появление развитой биосферы можно считать первой фундаментальной Бифуркациябифуркацией - скачком в эволюции, когда появилась анаэробная прокариотическая жизнь. Создатели той первой биосферы - Прокариотпрокариоты, производя кислород, подготовили условия для возникновения второй бифуркации. Они погибли, однако Биосферабиосфера осталась, но изменилась. Около 1,2 млрд. лет назад появились Эукариотыэукариоты, обладающие кислородным дыханием. Последующие бифуркации связаны с накоплением кислорода в атмосфере и выходом живых организмов на сушу около 600-700 млн. лет тому назад.

В дальнейшем неизвестные нам катаклизмы в природе Земли привели к новым бифуркациям - гибели динозавров и развитию млекопитающих. Около 33,5 млн. лет тому назад произошла еще одна катастрофическая Перестройкаперестройка биосферы, которую Моисеев Н.Н.Н.Н. Моисеев красиво назвал восхождением к разуму, поскольку она в той или иной степени связана со Становлениестановлением человека в Палеолитпалеолите и Неолитнеолите и переходом человечества к земледелию и скотоводству. Если в предыдущие периоды человек еще полностью был включен в Биотабиоту, как и другие живые существа, участвуя в естественном круговороте веществ, то в результате неолитической бифуркации он стал выделяться из остального живого мира, начав формировать искусственный кругооборот веществ.

Возникла так называемая вторая природа, или Техносфератехносфера, появились искусственные биогеохимические циклы. Сначала это были искусственные биоценозы, затем человек стал включать в круговорот вещества и наследие прошлых биосфер - полезные ископаемые, т.е. возник новый, ранее не существовавший круговорот веществ в природе. Сейчас в силу всех своих неразумных действий мы находимся на пороге новой кардинальной перестройки биосферы. Симптомами приближения к бифуркационному состоянию являются потепление климата, уменьшение толщины озонового слоя и уменьшение биоразнообразия. Но об этом - в главе 2.6.

Возвращаясь к основным положениям СТЭ, подчеркнем, что главной движущей силой является Естественный отборестественный отбор. Эволюционный процесс в биосфере в целом носит многоуровневый характер и протекает на всех уровнях организации живой природы. Различаясь по уровням, эти процессы эволюции сливаются в единый процесс эволюции биосферы. В целом и Онтогенезонтогенез, и Эволюцияэволюция определяются термодинамическими особенностями самоорганизации открытых систем и связаны с оттоком энтропии от живых организмов в окружающую среду. Живое можно также рассматривать как совокупность биосистем различных уровней организации жизни. Подчеркивая роль эволюции, можно сказать, что именно в процессе эволюции возникла жизнь, как особая форма материи, из неживого вещества. Сама биологическая эволюция связана с возникновением Генетический кодгенетического кода.

Я давно уже чувствую, что биология
должна увлекать не меньше, чем
какая-нибудь таинственная история,
потому что она и есть таинственная
история.

Р. Докинз

Исследовать - значит видеть то,
что все видели, а думать так,
как не думал никто.

Р. Докинз

Для построения корректной теории, которая могла бы адекватно описывать явления в рамках какой-либо науки, необходимо иметь некоторое количество основных положений или принципов. Это хорошо понималось в старой доброй натурфилософии. Конечно, такой подход является в известной мере абстрактным, но ведь и сама теория достаточно абстрактна. Кроме того, эти аксиомы проверяются опытами и превращаются по мере развития в законы науки. Особенно важно это для тех наук, которые возникли как описательные. К ним относятся и науки о Природа живаяживой и Природа неживаянеживой природе - геология, география, биология, ботаника и целый ряд производных от этих наук.

Уже достаточно давно возникли желание и потребность не просто классифицировать огромное количество накопившихся фактов о сложных явлениях, наблюдаемых человеком в реальном мире, но и сформулировать некие основные положения - аксиомы, общие закономерности развития Универсума. В общем понимании аксиомы - это концентрированный опыт человечества, в известном смысле стартовая площадка для последующего взлета [ссылка на источники литературы]. Не будем, правда, забывать, что «аксиома - это предрассудок, освященный тысячелетиями», как сказал Белл Э.Э. Белл. Поскольку проблемами живых организмов занимается Биологиябиология, то вопрос ставится более конкретно: можно ли сформулировать основные аксиомы биологии?

Учитывая глубокое проникновение точных наук (для которых аксиматичность является одной из основ формулировки задач) в Биология молекулярнаямолекулярную биологию, на этот вопрос следует дать положительный ответ. Однако трудность формулировки аксиом биологии состоит в том, что надо не только отобрать их из многих важных биологических закономерностей, но и дать общее определение жизни и признаков живого (этот вопрос мы специально рассмотрим в подразд. 2.4.4). Аксиомы, положенные в основу теоретической биологии, должны быть очевидными, необходимыми и достаточными. Система аксиом должна быть полной и независимой, как это формулируется в математике.

Существенным моментом определения биологических аксиом является то, что они не должны противоречить законам физики, которые тоже описывают природу в целом, но количественно, и, кроме того, как мы уже это обсуждали, вся живая природа состоит из тех же самых атомов и полей, что и неживая. По существу, во всей второй части нашего пособия мы пытаемся показать, что физические модели и представления во многом применимы к пониманию функционирования живого организма, особенно с использованием понятий нелинейных процессов в сложных самоорганизующихся системах.

Надо отметить, что фундаментальные физические законы (почти что аксиомы) носят характер запрета. В этом мы легко убеждались, рассматривая законы классической, квантовой и релятивистской механик: каждая справедлива лишь для определенных условий. Подобные запреты действуют и в живой природе, к ним, естественно, должны быть добавлены и специфичные для биологии законы, но не противоречащие первым. Поэтому биологические аксиомы могут быть выведены из физических аксиом. К сожалению, для самой физики полной и независимой системы физических аксиом до сих пор нет.

В свое время в начале XX века великим математиком Гильберт Д.Гильбертом были сформулированы проблемы, стоящие перед математикой. 23-я проблема, относящаяся к формулировке физических аксиом, так и осталась пока не решенной: строго говоря, не создана база исходных независимых положений, на основе которых можно вывести все физические законы. И это в общем-то понятно: естественную науку нельзя построить как замкнутую систему, т.е. раз и навсегда перечислить все ее исходные положения. Но это уже проблемы самой физики! В научном же Методметоде описания живой природы физика прекрасно работает.

Первая аксиома. Мы уже знаем, что каждому живому организму присуща неповторимая для других организмов специфичная структура белковых молекул. Первая аксиома, формулировка и раскрытие смысла которой затянулись на более чем две тысячи лет, и определяет условия, при которых возможно воспроизведение этой специфической организации молекул.

Используя идеи самоорганизации сложных систем, роли информации в эволюции живого и Кибернетикакибернетики как математического аппарата теории информации и управления, мы приходим к выводу, что в основе развития любого живого организма должны обязательно иметь место две программы, инструкции: что делать; описание, из чего состоит эта структура, и описание, как ее воспроизвести, т.е. сделать. Таким образом, весь процесс размножения и развития организма состоит из двух раздельных операций - копирования наследственной программы (в терминах подразд. 2.3.2 - генотипа) и собственно изготовления самого организма, реализующегося в фенотипе. В этом смысл первой аксиомы биологии: Все живые организмы представляют собой единство Фенотипфенотипа и Генотипгенотипа - программы для его построения, передающейся из поколения в поколение.

Это положение лежит в основе всей живой материи. Жизнь на основе только одного генотипа или фенотипа невозможна, поскольку тогда нельзя создать условий ни для самовоспроизведения, ни для ее построения и самоподдержания. Такая формулировка первой аксиомы является функциональной для нашего понимания жизни во Вселенной. В земных условиях основа генотипа - Нуклеиновая кислотануклеиновые кислоты, фенотипа - Белокбелки. Возможное разнообразие жизни во Вселенной может иметь другое структурное воплощение, но принцип раздельного копирования при единстве генотипа и фенотипа является, по-видимому, единым и незыблемым для всего Универсума.

Конечно, первая аксиома не снимает многих других важных для биологии вопросов. В частности: сколько нужно информации, содержащейся в генотипе, для создания фенотипа; сколько вообще ее потребуется для описания и генотипа, и фенотипа; как реализуется генетическая программа в развитии организма и т.д. Ответы на них надо искать в следующих аксиомах.

Вторая аксиома. Она была сформулирована русским биологом Кольцов Н.К.Н.К. Кольцовым в 1927 г.: «Наследственные молекулы» синтезируются матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения. Кольцов в своей аксиоме как бы логично продолжил цепь рассуждений биологов предыдущих поколений. Вспомним принцип Реди Ф.Ф. Реди: «Omne vivum ex vivo» (все живое из живого), Вирхова «Omnis cellula ex cellula» (каждая клетка из клетки). Кольцов справедливо добавляет: «Ommnis molecula ex molecula» (каждая «наследственная молекула» из «наследственной молекулы»).

Нам уже известно, что Крик Ф.Криком и Уотсон Дж.Уотсоном была расшифрована структура этой «наследственной молекулы». «Веществом наследственности» оказались молекулы Дезоксирибонуклеиновая кислотаДНК. Заметим, что мы здесь рассматриваем аксиомы, т.е. они должны распространяться на более широкий круг явлений. И так же как при формулировке первой аксиомы, где по наследству передается не сама структура, а ее описание и инструкция по ее изготовлению, так и во второй аксиоме главное - это не материальный Субстратсубстрат, а матричный принцип. В земных условиях Белокбелки оказались плохими матрицами, а нуклеиновые кислоты - хорошими. Но из этого не должно следовать, что в других частях Вселенной это будет выполняться: гены там могут состоять из других комбинаций, но мы предполагаем, что размножаться они будут также матричным способом по второй аксиоме Кольцова.

Вторая аксиома биологии постулирует широкое распространение матричного копирования в жизненных процессах, как мы убедились в подразд. 2.3.4. Новая ДНК копируется на матрице старой, мРНК копируется на матрице ДНК, на матрице мРНК копируется полипептидная цепь, образующая белок. Как уже отмечалось, по существу вся жизнь - это матричное копирование с последующей Самосборкасамосборкой копий. Заметим, что понятие матриц широко используется в математике и физике, как определенной связи чисел в некоторой структуре - матрице, а принцип матричного копирования известен уже тысячи лет, например использование оттисков с печатей в Древнем Египте и Месопотамии.

Эта идея до сих пор используется в практической деятельности человека для массового копирования сложных структур с закодированной в них информации: классическое книгопечатание (есть даже такой термин - «газетные матрицы»), чеканка монет, изготовление фотоснимков и т.д. Можно даже в шутку для наглядности сказать, что лежащее в основе жизни матричное копирование есть книгопечатание в мире молекул. Заметим, что первая и вторая аксиомы биологии описывают в целом статические закономерности, но не описывают, так сказать, динамику жизни, например механизм изменения наследственных матриц. Это требует введения дополнительных аксиом.

Третья аксиома. Эта аксиома и отвечает на вопрос, какие динамические закономерности приводят к изменениям в наследственных матрицах. А нам уже понятно теперь, что именно изменения ведут к развитию, эволюции организма. Но как это происходит? Причина как раз и состоит во влиянии воздействий внешней среды на передачу необходимой генетической информации для построения живого организма. Само формирование блока полезной информации есть выделение ее из бесполезного шума (вспомним понимание ценности информации). Шум Шум - это Стохастическийстохастическое изменение случайных сигналов, подверженных влиянию внешних факторов. Простейшим из них является температура, приводящая к изменению скорости движения молекул, в том числе и в живом организме. Этот тепловой шум искажает целенаправленный генетический сигнал, вносит в него изменения, т.е генетическая программа передается не идеально, а искаженно, с ошибками, подобно опечаткам при перепечатке (даже и матричным способом) текста. На языке Генетикагенетики - это и есть мутации, о которых уже говорилось в подразд. 2.3.4.

Третья аксиома биологии имеет из всех других аксиом наиболее глубокий физический смысл. Дело в том, что здесь «напрямую» работает статистическая и квантовая физика. Поведение «наследственных молекул» может быть описано на языке статистической физики как хаотическое движение микрочастиц со случайным распределением их параметров. Средняя тепловая энергия теплового движения молекул при тех температурах, когда возможна жизнь, составляет около 0,025 эВ. Это означает, что при физиологических температурах молекула ДНК остается относительно стабильной. Однако это среднее значение энергии, а в целом в статистическом ансамбле микрочастиц даже при хаотическом их движении в состоянии равновесия имеет место так называемое физическое распределение Максвелла, показывающее, что всегда возможны такие скорости движения молекул, что эти молекулы разрушают структуру гена и вызывают мутации.

В соответствии со статистической физикой и ее вероятностным пониманием законов такие мутации будут случайными (поэтому можно говорить лишь о некоторой вероятности мутации), непредсказуемыми (в противном случае мы должны знать координаты и импульсы всех молекул в данной клетке) и ненаправленными, т.е. без учета содержания сохраняющейся информации, и, тем самым, они только случайно становятся приспособительными.

Такие представления приводят к следующей формулировке третьей аксиомы: В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными. В биологическом понимании этот постулат углубляет неопределенное дарвиновское определение Изменчивостьизменчивости - исходного материала для эволюции.

Биофизики подсчитали, что для единичной мутации, приводящей к изменению генетической программы, необходимо подвести к молекуле Дезоксирибонуклеиновая кислотаДНК энергию порядка 2,5-3 эВ, что, заметим, всего лишь в 100 раз больше средней тепловой энергии при обычной для организма температуре. Поэтому для Мутагенезмутагенеза определяющим является не нагрев тела, а другие физические факторы, имеющие уже квантовую природу. Это, в первую очередь, Кванткванты жесткого внешнего облучения живого организма (g-кванты, Нейтроннейтроны, высокоэнергетичные частицы, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения, быстрые элементарные частицы), а также молекулы и ионы веществ, реагирующие с ДНК, так называемые химические мутагены.

В том случае, когда Мутациямутацию вызывают кванты излучений, происходит перераспределение энергии во всей совокупности молекул и их взаимодействие должно определяться квантово-механическими процессами и химической кинетикой. Здесь проявляется вторая физическая сторона третьей аксиомы Биологиябиологии - вступают в силу законы квантовой механики, в частности, вероятностное понимание положения квантовой частицы через ее волновую функцию y и хорошо уже известный нам из подразд. 1.1.1 принцип неопределенности Гейзенберга (мутации-то происходят в микромире!).

Для того чтобы вызвать мутацию, надо довести необходимую для этого энергию (<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
) до области, где происходит мутация, размер которой определяется размерами гена. Тимофеев-Ресовский Н.В.Тимофеев-Ресовский и ЦиммерманЦиммерман ввели для этой области понятие радиуса эффективного обмена и определили, что <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
составляет порядка см.<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
Это уже типично квантовые размеры, и начинает свою работу принцип неопределенности. Поскольку размер области мутагенеза известен, то импульс излучения, а следовательно, и необходимая для мутации энергия могут быть точно известны лишь до постоянной Планка h в соотношении неопределенности <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
.

Другими словами, мы можем лишь с какой-то долей вероятности предполагать, достаточной ли энергией обладает Квантквант ионизирующего излучения для мутации и попадет ли он в область эффективного взаимодействия с геном. Это положение квантовой механики подтверждает, что процесс мутагенеза является вероятностным. Более того, по тем же законам квантовой механики, время и место каждой единичной Мутация спонтаннаяспонтанной мутации принципиально непредсказуемы.

Таким образом, третья аксиома биологии является следствием квантово-механических физических постулатов - из-за невозможности реально точно и одновременно определить координаты и импульсы всех молекул в клетке (если бы мы это точно знали, то могли бы предсказать, как пойдет эволюция живого!) мы также принципиально не можем найти одновременно необходимые параметры тех квантов, которые вызывают мутацию. Если хотите, третья аксиома - это просто физическая аксиома, и ее выполнение обусловлено определенными значениями характерных констант мутации <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
и <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
.

Заметим, что отбор случайных изменений, подмеченных еще Дарвином в его триаде «наследственность, Изменчивостьизменчивость, Естественный отборестественный отбор», выступает с рассмотренных позиций не только как двигатель эволюции жизни, но и причина ее становления. Без мутаций естественный отбор не работает. Такой вывод позволяет расширить применение этой аксиомы до проблемы понимания зарождения жизни вообще в масштабах Вселенной: для эволюции необходимы мутации, которые могут играть роль инструмента только в Лабильностьлабильном Субстратсубстрате, и это, с нашей антропной точки зрения, приводит, в частности, к невозможности существования во Вселенной кремниевых или металлических форм жизни. Как удачно отметил Медников Б.М.Б.М. Медников, «жизнь всегда идет по лезвию бритвы» [ссылка на источники литературы]. Рассмотренные три аксиомы все же не дают обоснования тому, как происходит Становлениестановление фенотипа тех признаков, которые присущи живому. С этой проблемой связана четвертая аксиома.

Четвертая аксиома. Вообще-то говоря, из третьей аксиомы должно вытекать, что раз изменения генетических программ происходят случайно и ненаправленно, то, накапливаясь из поколения в поколение, они должны были бы разрушать и генетическую информацию, и в целом фенотип, который формируется и под влиянием внешней среды и генетической программой. В реальной же эволюции всех видов живого этого не происходит: структуры живых организмов сохраняются от поколения к поколению и, более того, на длительном отрезке времени происходит значительное усложнение структур и, можно сказать, их совершенствование. В чем здесь дело?

В значительной мере это противоречие, к которому мы неодно-кратно обращались в нашем пособии при рассмотрении смысла эволюции Больцман Л.Больцмана и эволюции Дарвин Ч.Дарвина, обусловлено представлениями классической термодинамики и ее второго начала, что хаос победит в конце концов структуру, порядок, организованность, усреднит сложность, низведет ее до печальной для нас мертвящей простоты. Как мы уже убедились, синергетические представления нелинейного развития сложных самоорганизующихся термодинамических открытых систем обязывают динамический хаос порождать в диссипативных структурах порядок, более сложно организованные части хаотической системы, что и позволяет на каком-то этапе в пространстве и времени ожидать возрастания сложности, перехода от простых амеб к более высокой иерархии организованности человеческого организма.

Но не надо забывать, что хаос и порядок живут вместе и взаимодействуют случайным образом. Поскольку изменения происходят случайно и в фенотипе, Эволюцияэволюция живой природы оказывается принципиально непредсказуемой. Однако опять же из опыта наблюдений приспособления живых организмов к Окружающая средаокружающей среде мы знаем, что Естественный отборестественный отбор способствует размножению тех особей, которые наилучшим образом приспособились к конкретной окружающей среде и передали эту Адаптацияадаптацию своим потомкам.

Объяснение этого и содержится в четвертой аксиоме биологии, сформулированной как принцип усиления нашим известным генетиком Тимофеев-Ресовский Н.В.Н.В. Тимофеевым-Ресовским: Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипов многократно усиливаются и подвергаются отбору условиями внешней среды.

Расчет такого усиления, проведенного Ратнер Е.М.Ратнером, приводит Б.М. Медников [ссылка на источники литературы]. Допустим, какая-то Клеткаклетка, носительница мутации гена, кодирующего важный для жизни фермент, в процессе роста и развития превратилась в <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
клеток, соответственно умножились и гены. Предположим, что каждый ген производит 100 молекул тРНК, а на каждой молекуле тРНК образуется 100 молекул фермента. Считаем также, что при этом каждая молекула фермента осуществляет <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
актов какой-либо реакции в минуту. Тогда, учитывая все эти количественные прикидки <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, мы получаем, что во столько раз усиливаются результаты одного квантового скачка одной мутации. Этот коэффициент усиления <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
сравним с числом Авогадро, которое определяет число молекул в одном моле вещества. С таким ощутимым коэффициентом усиления Естественный отборестественный отбор работать уже может. В данном случае мы уже от микроуровня переходим к макроуровню эволюции! Заметим, что этот отбор действует не впрямую на генетические программы, а на фенотипы, в которых каждое изменение усилится в миллиарды миллиардов раз.

Любопытно, что известный биохимик и фантаст Азимов А.Айзек Азимов назвал естественный отбор, по аналогии с Демон Максвелла«демоном Максвелла», Демон Дарвина«демоном Дарвина». Напомним, что «демон Максвелла» в классической термодинамике открывает «заслонку» в перегородке сосуда, заполненного разреженным газом, перед быстрыми молекулами и закрывает перед медленными. Как он их распознает и сортирует - это его дело: на то он и «демон». Тогда один конец сосуда нагревается, другой - охлаждается. Поскольку общая энергия молекул в сосуде сохраняется, то первый Законзакон термодинамики не нарушается, но система перешла от более вероятного к менее вероятному состоянию как бы волевым («демоновским»!) порядком. «Демон» как бы разрешает получить разность температур, позволяющую совершить работу в обход второго закона термодинамики. Кстати, пример с «демоном» придумал сам Максвелл. В нашем случае именно этот Демон Дарвина«демон Дарвина» (отбор) пропускает в следующее поколение такие организмы, изменения в которых дают более высокие шансы на выживание и размножение.

Таким образом, количественные физические законы и постулаты объясняют биологические закономерности, в частности законы Дарвина, и рассмотренные аксиомы биологии. Можно считать, что живой организм в деталях своего строения и поведения не опровергает законов физики, и тем самым мы на современно этапе развития науки как бы выводим во многом биологию из физики. То, что сегодня известно в молекулярной биологии, практически целиком обосновывается физическими представлениями, в том числе и на основе статистической физики. И тогда «жизнь - лишь вероятностный туман», как сказал английский физик Баулс К.Клэр Баулс. Естественно, это не означает, что все нам понятно и все объясняется только физикой. Но справедливое желание привнести в биологию действующие количественные физические законы порождает надежду понять зарождение жизни и ее эволюцию с позиций постнеклассической физики и синергетических методов исследования общих закономерностей живой и неживой природы на основе фундаментальных законов современного естествознания.

Вероятно, что и четыре аксиомы Биологиябиологии, впервые обобщенные Медников Б.М.Б.М. Медниковым [ссылка на источники литературы] 20 лет назад, могут быть дополнены новыми, но это не будет означать, что они неверны. Все это - очередные наши шаги к познанию истины, которая, по философской мудрости, не что иное, как заблуждение, которое длилось много веков, а заблуждение - это истина, которая просуществовала лишь несколько минут.

Важным же для нас здесь является то, что эти четыре аксиомы Б.М. Медникова характеризуют именно жизнь и не применимы к описанию неживой природы.

Жизнь может быть понята
только в обратном направлении,
но должна быть прожита -
в прямом.

Серен Кьеркегор

Жить - значит обладать способностью
более или менее целесообразно
откликаться на воздействие
окружающей среды.

Н.Д. Платэ

Только совокупность двух процессов,
созидания и разрушения, характеризует
живое тело. Организм живет только
пока он разрушается.

К.А. Тимирязев

Ответить на «простенький» вопрос «что такое жизнь» чрезвычайно трудно, ибо это один из главных вопросов, который человек может себе задать. Живые организмы обладают рядом признаков, которых нет у большинства объектов неживой природы (а часть и есть!), но среди них нет ни одного, который был бы присущ только живому, т.е. выделить один существенный и единственный критерий жизни на современном уровне науки практически невозможно. В большинстве случаев, казалось бы, уж точно установленный фактор или принцип определения по мере развития наших представлений требует дополнений, уточнений и т.д. Это связано еще и с тем, что этими проблемами занимаются многие специалисты из разных областей науки и они в своих определениях подчеркивают существенный признак живого именно с позиций своей науки.

В этом мы легко убедимся, когда рассмотрим эти определения. Но вовсе не значит, что они неверны - просто они отражают какой-то один из признаков жизни и понимания жизни. Даже в случае признания, что жизнь должна определяться физическими и химическими законами (но по механизмам их реализации именно в живой природе!), невозможно путем сведения к этим законам отдельных явлений понять полно сущность жизни как особого явления. Утверждение, что жизнь подчиняется только законам физики, на самом деле есть просто признание того, что в биологических объектах законы физики не нарушаются.

Поэтому жизнь, а следовательно и все живое, по-видимому, не может быть определена по какому-либо одному признаку. Современная Биологиябиология при описании живого идет пока по пути лишь перечисления этих признаков, но в их совокупности. Синергетические методы, применяемые к изучению сложных самоорганизующихся систем, также не позволяют выделить наиболее существенный критерий. Кроме того, отличие живого от неживого с давних времен находится на границе меду материализмом и идеализмом: «Психея» ПлатонПлатона, «Энтелехия» АристотельАристотеля, бессмертная душа в различных религиозных учениях и верованиях, «мировой разум» Гегель Г.В.Ф.Гегеля, «жизненная сила» виталистов и даже модное сейчас понятие энергоинформационного поля - это все попытки объяснить живое нематериальными представлениями. При этом предполагалось, что нематериальная душа, выступая в роли причин жизни, управляет материальными процессами в живых организмах и не нарушает физических Законзаконов. Конечно, с позиций современной науки с этим согласиться нельзя. Жизнь материальна по своей природе и проявляется так же, как и в неживом неорганическом мире, через движение материальных носителей, но в специфической форме. Но вот дать полное и исчерпывающее определение жизни Науканаука пока не может. Да и возможно ли это вообще?

Какова же совокупность основных признаков живого?

  • Живые организмы характеризуются сложным высокоупорядоченным строением и системной организацией. Уровень их организации и иерархичности значительно выше, чем в неживых объектах. Живые системы характеризуются также и гораздо более высоким уровнем асимметрии, в том числе наличием молекулярной Хиральностьхиральности, и процессами самоупорядочения в пространстве и времени. Структурная компактность, энергетическая экономичность и эффективность использования энергии живых организмов являются результатом высочайшей пространственной упорядоченности на молекулярном уровне.

  • Живые организмы имеют Потребностьпотребность для своего развития получать энергию из Окружающая средаокружающей среды, непосредственно или косвенно используя для этого лучистую энергию Солнца для поддержания и усиления своей высокой упорядоченности. Зеленые растения используют эту энергию для синтеза питательных веществ. Животные используют энергию, содержащуюся в их пище, для поддержания своего существования, роста и размножения. Живое извлекает структурированную полезную для живого организма отрицательную энтропию из окружающей среды и «сбрасывает» избыток неструктурированной положительной энтропии обратно в эту среду. Происходит перераспределение энтропии как формы энергии в системе живой организм - окружающая среда. Сама сложность и организованность структуры живого организма будет определяться этим перераспределением. Живое способно также «извлекать» порядок из хаотического поведения молекул своего организма, что также способствует уменьшению его энтропии как упорядоченной системы.

  • Живые организмы активно реагируют на окружающую среду и участвуют в обмене энергией, веществом и информацией с окружающей средой. Живые организмы способны усваивать полученные извне питательные вещества, перестроив их так, чтобы они становились подобными их собственным материальным структурам, и в результате этого многократно воспроизводить эти структуры. Способность реагировать на внешние раздражители, в том числе и на получение информации, является универсальным признаком всех живых систем - и растений, и животных. Живые организмы обладают способностью двигаться и проявлять активность при взаимодействиях с окружающей средой.

  • В процессе самоорганизации живые организмы развиваются, изменяются и усложняются. В отличие от самоорганизации неживых неорганических систем, где молекулы просты, а механизм реакций сложен, в самоорганизации живых систем механизмы просты, а молекулы сложны. Существенна и роль обратной связи организмов с окружающей средой. Для создания и развития новых структур, образования новых органов нужна положительная обратная связь, а для устойчивого состояния - отрицательная обратная связь. Лауреат Нобелевской премии русский физиологи Павлов И.П.И.П. Павлов еще до появления теории самоорганизации называл эти процессы в живом организме саморегуляцией. Живой организм способен и к самосохранению, устойчивости своего существования, и к развитию, восприимчивости, и к изменениям. В живом организме на протяжении всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на вновь образующиеся.

  • Все живое не только размножается, но и имеет способность к избыточному воспроизводству. Это одна из главных особенностей живого, в которой проявляется действие механизмов Изменчивостьизменчивости и наследственности, определяющих эволюцию всех видов живой природы и условия их выживания.

  • Живое качественно превосходит другие формы существования материи своим многообразием форм, сложностью химических компонентов и динамикой протекающих в живом организме процессов. Процесс усложнения структур и функций связан со все более эффективным использованием энергии, черпаемой из окружающей среды и превращаемой биологическими системами в сложность и разнообразие форм жизни.

  • Живые организмы способны получать, сохранять и передавать информацию. Причем живым организмам присуще стремление полученную информацию о себе и окружающем мире использовать максимальным образом. Наследственная информация, заложенная в генах и необходимая живому организму для существования, развития и размножения передается от каждого индивидуума его потомкам. Эта информация определяет направление развития организма, и в процессе взаимодействия его с Окружающая средаокружающей средой реакция на ее Индивидиндивида может искажаться, обеспечивая тем самым эволюцию развития потомков. Признаком живого является также Биологическое узнаваниебиологическое узнавание.

  • Живые организмы способны хорошо приспосабливаться к окружающей среде обитания и соответствуют своему образу жизни. При этом проявляется еще одна сущность жизни - поддержание таких биологических норм, которые противостоят силам, стремящимся низвести жизнь до уровня физического равновесия.

  • Живые организмы имеют способность целесообразно распространяться в пространстве и времени, а также активно влиять на неживую природу и изменять в целом биосферу Земли. Целевая функция живого объективно сводится к достижению оптимальных условий для выживания вида.

  • И наконец, высшим формам живых организмов присущ РазумРазум, который и позволяет материи познавать самое себя.

Заметим, что отдельные свойства могут встречаться и в неживой природе, но только в совокупности эти свойства присущи именно живому и в своем единстве являются критериями отличия живого от неживого. Живое от неживого можно отличить также по трем признакам: веществу (в живом - органические Биополимерыбиополимерные молекулы), структуре (живой организм состоит из живых клеток) и функционально (живое воспроизводит себя).

Вероятно, в будущем мы сможем привести и другие признаки жизни, однако и этих основных на сегодня достаточно, чтобы представить себе различие между живой и неживой природой. Хотелось бы, чтобы в определении жизни были учтены все эти функциональные признаки. Посмотрим, как это реализовалось в имеющихся определениях.

Долгое время классическим определением, не утратившим свою силу и до наших дней, считалась формулировка, данная Энгельс Ф.Ф. Энгельсом в его «Анти-Дюринге»: «Жизнь - это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». Заметим, что здесь уже отмечен существенный, но ведь не единственный признак - обмен веществ, который, кстати, может реализовываться и для неживых и самоорганизующихся систем. Энгельс также отметил, что обмен веществ приводит к постоянному обновлению химического состава частей белковых тел путем питания и выделения.

Это определение развивает Опарин А.И.А.И. Опарин [ссылка на источники литературы]: «Жизнь - это непрерывный процесс внутреннего движения, синтеза и распада, обмена энергией с окружающей средой, направленный на самосохранение и самовоспроизведение в передаче устойчивых признаков в меняющихся условиях внешней среды».

Шредингер Э.Э. Шредингер в своей книге «Что такое жизнь с точки зрения физики» считал, что «жизнь - это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время». В силу специфической упорядоченности Шредингер даже сравнивал живые тела с апериодическими кристаллами. Известный наш биофизик Волькенштейн М.В.М.В. Волькенштейн определяет жизнь «как форму существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации и самовоспроизведению». Блюменфельд Л.А.Л.А. Блюменфельд подчеркивал, что живой организм способен создавать информацию при взаимодействии с Окружающая средаокружающей средой.

По Югай Г.А.Г.А. Югаю [ссылка на источники литературы]: «Жизнь есть особая космическая организованная форма материи, существенным моментом которой является борьба энтропии и эволюции, удержание негэнтропийного состояния на основе постоянного самообновления, обмена или круговорота вещества, энергии и информации». По его мнению, одним из главных признаков является приспособляемость живых организмов к среде, и жизнедеятельность как специфическое биологическое свойство качественно отличается от физико-химических свойств и поэтому относится к категориям, раскрывающим сущность жизни.

Медников Б.М.Б.М. Медников приводит такое определение [ссылка на источники литературы]: «Жизнь - это активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфической структуры». По мнению Гольданский В.И.В.И. Гольданского, Аветисов В.А.В.А. Аветисова, жизнь возникла в результате Спонтанныйспонтанного нарушения симметрии в биоорганическом мире вследствие индуцированной Бифуркациябифуркации, создания асимметрии и, тем самым, уже возникновения направленной эволюции. Заварзин Г.А.Г.А. Заварзин отмечает, что проблема возникновения жизни не сводится только к образованию биологических Макромолекуламакромолекул, необходима еще и их Самоорганизациясамоорганизация в целостную функциональную систему, подобную клетке.

Афанасьев В.Г.В.Г. Афанасьев [ссылка на источники литературы] считает, что возникновение жизни - системный процесс, приводящий к сложноорганизованной иерархической системе живого организма, который представляет собой диалектическое единство целого и частей. Как мы уже знаем, по Бауэр Э.Бауэру, основой жизни является «устойчивое неравновесие». Главной отличительной чертой живого является его целостность, подчеркивает Либерман Е.А.Е.А. Либерман [ссылка на источники литературы]. По замечанию Тимофеев-Ресовский Н.В.Н.В. Тимофеева-Ресовского, одно из проявлений живого состояния не в том, что с развитием природы нарастает масса живого, а в том, что множится число элементарных Индивидиндивидуумов и особей.

Американский биофизик Фокс Р.Р. Фокс [ссылка на источники литературы] определяет жизнь как «самогенерирующийся и самоподдерживающийся процесс, эволюционировавшийся до состояния, при котором уже неразличимы его истоки», подчеркивая. что главной движущей силой эволюции является энергия. Согласно Ичас М.М. Ичасу [ссылка на источники литературы], живое - это физическая система, обладающая свойствами осмысленности и целенаправленности. С позиции системного анализа Берталанфи Л. (фон)Л. Берталанфи для биологических структур Штеренберг М.И.М.И. Штеренберг [ссылка на источники литературы] дает определение жизни как сигнальной активной формы существования систем.

Многие ученые, справедливо подчеркивая роль информации в становлении и эволюции живого, отмечали это обстоятельство в качестве одного из главных критериев жизни. Так, Карагодин В.И.В.И. Карагодин считает: «Живое есть такая форма существования информации и кодируемых ею структур, которая обеспечивает воспроизведение этой информации в подходящих условиях внешней среды». Связь информации с жизнью отмечает и Ляпунов А.А.А.А. Ляпунов: «Жизнь - это высокоупорядоченное состояние вещества, использующее для выработки сохраняющихся реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул». Известный наш астрофизик Кардашев Н.С.Н.С. Кардашев также подчеркивает информационную составляющую жизни: «Жизнь возникает благодаря возможности синтеза особого рода молекул, способных запоминать и использовать вначале самую простую информацию об окружающей среде и собственной структуре, которую они используют для самосохранения, для воспроизводства и, что для нас особенно важно, получения еще большего количества информации». На эту способность живых организмов сохранять и передавать информацию обращает внимание в своей книге «Физика бессмертия» эколог Типлер Ф.Ф. Типлер: «Я определяю жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется Естественный отборестественным отбором». Более того, он считает, если это так, то система жизнь - информация является вечной, бесконечной и бессмертной.

Другую сторону живого отражает Попов Е.М.Е.М. Попов [ссылка на источники литературы]: «Именно спонтанное образование фиксированной активной формы белка, а не сама форма, есть изначальная причина фундаментальных особенностей живой природы». В материалах [ссылка на источники литературы] дается такое определение живого: это «система, способная эволюционно самоорганизовываться, адаптивно и Агрессивностьагрессивно взаимодействующая с окружающей средой и повышающая свою структурную негэнтропию. Это такая система, внутренние процессы в которой протекают кооперативно, а сочетание элементов подчиняется правилу сверхаддитивного сложения». Предполагается, что «такая структура и происходящие в ней процессы обеспечивают образование и функционирование информационного поля». По мнению авторов, это и есть поле жизни. Голицын Г.А.Г.А. Голицын и Петров В.М.В.М. Петров [ссылка на источники литературы] считают сущностью жизни «поддержание биологических норм, противостояние силам, стремящимся низвести жизнь до уровня физического равновесия».

В пособиях по современному естествознанию можно встретить и такие определения, как «живыми называются такие системы, которые способны самостоятельно поддерживать и увеличивать свою очень высокую степень упорядоченности в среде с меньшей упорядоченностью» [ссылка на источники литературы] и (там же) «живая природа - неоднородная целостная система, которой свойственна иерархическая организация. В живой природе системы формируются не случайно, а в определенном порядке, формируемом Биологическое узнаваниебиологическим узнаванием». Поэтому реализация узнавания является универсальной и может также считаться признаком жизни.

В другом пособии [ссылка на источники литературы] жизнь определяется как «высшая из природных форм движения материи, она характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют Белокбелки, Нуклеиновая кислотануклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения». Встречаются и более краткие, например «жизнь есть форма существования сложных открытых систем, способных к самоорганизации и самопроизведению» [ссылка на источники литературы], «жизнь есть способ существования и эволюции биологических систем, проявляющийся в форме процессов образования вещества и энергии, а также накопления информации» [ссылка на источники литературы], еще одно - «жизнь - это саморегулирующийся ритмический процесс, в основе которого лежит устойчивое неравновесие циклов обмена веществ» [ссылка на источники литературы].

Фундаментальным свойством живой материи Кокин А.В.А.В. Кокин [ссылка на источники литературы] считает «способность и к стереоспецифичной Репродукция комплементарнаякомплементарной репродукции». Имеют место даже и более экзотические определения: «жизнь являет собой разрастающийся центр упорядоченности в менее упорядоченной Вселенной» [ссылка на источники литературы] или «жизнь - своего рода насос, снабжающий организм энергией Солнца, энергией химических реакций» [ссылка на источники литературы]. Там же живой организм определяется «как энергетически структурированный объект, устойчивый, многоуровневый со своей закономерной энергетической морфологией и формирующийся в русле солитоноэнергетических возможностей саморазвития».

Словом, имеется такое разнообразие определений, только что не уступающее самому разнообразию видов живой природы. Так и хочется вслед за Ходжой Насреддином в шутку сказать: и тот прав, и этот прав! А если всерьез, то это является отражением желания найти одно полное и исчерпывающее определение живого. Понятно, что на данном этапе нашего развития и понимания окружающей нас природы вряд ли это возможно. Следует также заметить, что кроме упомянутых выше ученых этими проблемами занимались и многие другие. Так, еще 1886 г. Больцман Л.Л. Больцман сделал первую попытку найти принципиальное отличие жизни именно с физических позиций. Он писал: «Всеобщая борьба за существование - это борьба за отрицательную энтропию, становящуюся доступной при переходе от пылающего Солнца к холодной Земле». Его идеи были развиты с учетом новых достижений для каждого времени. Этими проблемами занимались и другие крупные ученые, среди которых Вернадский В.И.В.И. Вернадский, Чижевский А.Л.А.Л. Чижевский, Тимирязев К.А.К.А. Тимирязев, Умов Н.А.Н.А. Умов, Бауэр Э.Э. Бауэр, Бриллюэн Л.Л. Бриллюэн, Пригожин И.Р.И.Р. Пригожин, Эйген М.М. Эйген, Моисеев Н.Н.Н.Н. Моисеев, Шноль С.Э.С.Э. Шноль и многие другие. Их трудами и работой современных исследователей и складывается та Парадигмапарадигма, в рамках которой в настоящее время ведутся поиски физической сущности жизни и ее происхождения [ссылка на источники литературы]. Заметим, что общая теория жизни, по-видимому, не может быть создана только в рамках Биологиябиологии или физики, необходимо целостное современное естествознание, так как целостность является признаком сущности жизни.

История естествознания - это
история попыток объяснить
разнородные явления общими
причинами.

А.Б. Мигдал

Ученый в России делает,
что можно и как нужно.
Ученый на Западе делает, что
нужно и как можно.

М. Азбель

Вопрос о характере изменения численности людей на Земле является также одним из глобальных вопросов человечества как по взаимодействию человека с природой, так и по своим социальным последствиям. Широкий круг процессов и явлений, связанных с существованием человека и его деятельностью, является производным от основного вопроса - сколько людей живет, жило и будет жить на Земле. Поэтому проблема роста народонаселения наряду с «вечными» вопросами загадки происхождения и развития жизни безусловно является предметом анализа в современном естествознании.

Долгое время в описании демографического развития господствовала широко известная теория Мальтуса, согласно которой рост численности населения происходит по закону геометрической прогрессии. Заметим, что эта модель давала возможность в социологическом плане обосновывать целесообразность войн и других катастроф (природных и созданных человеческими стараниями, Геноцидгеноцид, авторитарный режим и т.д.), приводящих к уменьшению числа людей и тем самым снижающих экологическую нагрузку на ту среду, в которой человек живет.

Однако в последние годы в связи с развитием идей и Методметодов Синергетикасинергетики появились новые модели демографического кризиса и законов развития человечества [ссылка на источники литературы]. Согласно этим представлениям, демографическая проблема может быть рассмотрена как открытая и эволюционирующая система. Большой вклад в разработку этих вопросов и в целом в синергетику внесли отечественные ученые Курдюмов С.П.С.П. Курдюмов, Князева Е.Н.Е.Н. Князева, Малинецкий Г.П.Г.П. Малинецкий, а по демографии - особенно Капица С.П.С.П. Капица. Это обусловлено тем, что в условиях возрастания общей неустойчивости мирового развития, усиления информационных потоков в Обществообществе, усиления неопределенности, глубинной нестабильности и роста хаотичности в общественном сознании, культуре, знаниях и в науке (что мы и наблюдаем в современном искусстве, массовой культуре и философии) именно новый Методологияметодологический подход синергетики к сложным самоорганизующимся системам и процессам позволяет построить правильный вектор развития. Человечество как раз и представляет такую сложную самоорганизующуюся систему, к которой применимы законы синергетики. Кроме того, в наше время ускоряющегося развития выявление законов организации и Коэволюциякоэволюции сложных биологических, экологических и социальных систем приобретает особое значение в связи с тем, что у человечества сейчас уже нет времени определить организацию мира методом проб и ошибок. Надо искать кратчайшие пути, и синергетика позволяет это сделать.

О развитии системы человечества как целого можно судить по изменению отдельных параметров, которые описывают ее динамику. В феноменологической модели Капица С.П.С.П. Капицы на основе имеющегося значительного фактического, демографического, антропологического и исторического материала человечество рассматривается как единое целое и в качестве ключевого параметра развития его как системы выбирается количество людей N. При этом не требуется учитывать пространственное распределение людей на Земле, их миграцию и т.д. Действительно, как отмечает С.П. Капица, с Земли никто еще не улетел! Число людей N становится параметром порядка по Хакену, что позволяет описывать процесс изменения народонаселения дифференциальным уравнением роста

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.4.2)

где K = 67 000 является константой модели.

Следует отметить, что числами порядка <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
определяется эффективный размер группы, в которой проявляются коллективные признаки когерентного сообщества людей. Например, таким может быть оптимальный масштаб города или района большого города, обладающего системной самодостаточностью, или численность устойчиво существующего вида или Популяцияпопуляции, занимающей определенный Ареалареал или экологическую нишу. Таким образом в общем смысле параметр K отражает масштаб сообщества, имеющего генетическую или социальную природу.

Особенность этого уравнения - квадратичная Нелинейностьнелинейность роста. Предполагается, что рост биологических особей обусловлен естественным механизмом увеличения их числа путем полового размножения и поэтому зависит от числа встреч пар особей, парными столкновениями с возможным порождением. Кроме того, сохранение исходных взаимодействующих тел после столкновения создает возможность последующих неоднократных столкновений. Поэтому-то скорость роста населения пропорциональна не числу людей N, а квадрату числа людей <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. Как мы уже отмечали ранее в первой части нашего курса, это уже нелинейный закон изменения параметра. Оказалось, что зависимость числа людей N от времени описывается гиперболой, которая имеет асимптоту около 2010-2025 лет. Заметим также, что нелинейный рост привел к демографическому взрыву, людей стало больше, чем сравнимых с ними животных.

По существу, это новый количественный закон исторического развития, известный в Синергетикасинергетике как развитие системы в режиме с обострением. Оказалось, что большинство процессов лавинообразного роста (биологические процессы, некоторые процессы в экономике, увеличение потока информации, в том числе и возрастание численности населения Земли) происходят не по экспоненциальному закону, а гораздо быстрее, когда параметры системы хотя бы часть времени неограниченно возрастают за конечное время. А это и есть знакомые нам режимы с обострением в различных физических и математических моделях. Анализ демографических данных за много поколений показал, что рост численности населения описывается только гиперболической кривой.

Существенной чертой такой гиперболической модели является время обострения t. Согласно Капица С.П.С.П. Капице, оно зависит от характерного параметра - среднего времени жизни человека (поколения) <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
= 25-42 годам и времени наступления момента обострения <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
= 2025 лет:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.4.3)

где T - текущее время.

С.П. Капица вводит также понятие системного исторического времени <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, которое в терминах неравновесной термодинамики открытых систем Пригожина можно считать внутренним временем такой системы. Параметр модели <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
- такое время, за которое население растет в e = 2,72 раза. Резкое возрастание численности населения, называемое демографическим взрывом, является для таких систем неравновесным фазовым переходом. По расчетам, в рамках такой модели к 2025-2070 гг. рост населения достигнет своего максимального значения (асимптотически приблизится к нему) в 14 млрд. человек и стабилизируется.

Это явление Капица С.П.С.П. Капица называет демографическим переходом. Заметим, что в предлагаемой гиперболической (с квадратичной Нелинейностьнелинейностью) закономерности роста народонаселения содержится возможность неустойчивости, смены циклов, в том числе демографических кризисов, что хорошо укладывается в представления о динамике эволюции сложной самоорганизующейся системы. Интересно отметить еще одну общую черту теории самоорганизующихся систем и рассматриваемой модели. Предложенная закономерность роста оказывается справедливой для всей истории человечества и действует длительное время.

Все неустойчивости развития человеческого Обществообщества через войны, эпидемии, катастрофы, приводящие к резкому уменьшению численности людей, ложатся на кривую роста лишь как малые отклонения от общей закономерности: проходит не очень большое историческое время, и численность восстанавливается. Проявляется уже рассмотренный неоднократно нами принцип устойчивого неравновесия, что позволяет системе развиваться, оставаясь устойчивой. Квадратичная нелинейная зависимость роста оказывается неустойчивой лишь относительно момента обострения. Огромные по нашим меркам потери людей во время чумы в XIV веке (в Европе погибло до 50% населения) или во Второй мировой войне самим режимом роста восстанавливаются, и кривая роста оказывается устойчивой по отношению к этим Флуктуацияфлуктуациям.

Если эта модель реальна, то у человечества появляется исторический шанс закрепиться в своей экологической нише в природе на разумном уровне численности в 14 млрд. Это, конечно, не «золотой миллиард», к которому нас призывают экологи и как это обсуждалось уже 10 лет назад на конференции в Рио-де-Жанейро по устойчивому развитию, но все же! Сейчас же на Земле уже 6 млрд. человек (считается, что 12 октября 1999 г. появился 6000000000-й житель Земли). Определенным доказательством справедливости модели Капица С.П.С.П. Капицы является решение «обратной» задачи - по закону изменения численности людей в этой модели рассчитать, когда же «это все началось» и сколько людей было «вначале».

Ориентировочный расчет показывает, что «начало» человеческой истории датируется ~ 4,5 млрд. лет тому назад, а число людей составляло около 100 000 человек (тысяча стоянок по сто человек на нашей прародине - в юго-восточной части Африки), что совпадает с данными современной Антропологияантропологии о начале антропогенеза. Любопытно отметить, что модель Капица С.П.С.П. Капицы позволяет оценить число людей, когда-либо живших на Земле. По расчету, со времени начала антропогенеза и до 2005 г. - около 90 млрд. человек.

Применение теории режимов с обострением к развитию человечества показывает, что в настоящее время темп течения времени в процессе роста населения имеет особенность, описываемую гиперболическим Законзаконом, и важен процесс прохождения этой особенности в глобальном демографическом переходе, в котором мы сейчас, согласно этой модели, находимся. Оказывается, ход исторического времени (внутреннего времени для человечества как системы) неравномерен. Режим с обострением как бы управляет временем, ускоряет его. Происходит глобальное ускорение мирового развития. Примерами этого являются исторические этапы развития Обществообщества: древний мир существовал около 2500 лет, средневековье - порядка 1000 лет, а наше новое время длится около 300 лет.

Исторические процессы идут в режиме с обострением и приводят к сокращению длительности исторических фаз. Можно согласиться с образным сравнением авторов [ссылка на источники литературы], что «один миллион лет в Палеолитпалеолите оказывается эквивалентным 40 годам в наше время, т.е., по сути, жизни одного поколения». Интересно, что предложенная количественная и статистическая нелинейная теория роста затрагивает и другие вопросы, например коллективного взаимодействия людей, влияния Окружающая средаокружающей среды и ресурсов, энергопотребления человечеством (оказалось, что суммарное потребление энергии также пропорционально <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, т.е. происходит нелинейно!), и позволяет сделать прогнозы о пространственном и временном распределениях населения Земли в будущем и развить далее концепцию устойчивого развития.

Она имеет, таким образом, более глобальное значение, чем просто демографическая модель. Это связано с тем, что в настоящее время человечество проходит критическую эпоху смены Парадигмапарадигм развития. Происходящий период означает завершение обширной эпохи при глубоком изменении параметров развития человечества в исключительно короткие исторические сроки. Поэтому можно считать, что модель Капица С.П.С.П. Капицы, описывающая совершенно другой, по сравнению с более ранними моделями, механизм роста населения Земли хорошо согласуется с представлениями современного естествознания.

Контрольные вопросы к главе 2.4

© Центр дистанционного образования МГУП