Синергетика биосферы

МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ БИОСФЕРЫ

Вопросы для самостоятельных занятий

1. Границы и характерные особенности биосферы.

2. Функции живого вещества: энергетическая, деструктивная, концентрационная, средообразующая.

3. Действие принципа Ле Шателье в биосфере.

4. Биотический круговорот веществ.

5. Скорость круговорота различных веществ в биосфере.

Глава 7

Все виды гомеостаза, наблюдаемого в живых организмах и экосистемах, не являются статическими, а достигаются за счет непрерывно протекающих процессов, активно препятствующих любой тенденции к нарушению этого постоянства. Устойчивость всего живого есть непрерывная борьба за существование. Ключ к загадке, которую представляет для человека органический мир, писал К. А. Тимирязев (1939), заключается в одном слове: это слово - смерть. Смерть, рано или поздно пресекающая все уродливое, все бесполезное, все несогласное с окружающими условиями, и есть причина красоты и гармонии органического мира. И если эта вечная борьба, это бесконечное истребление невольно вселяют в душу ужас, то мы не должны забывать, что:

...у гробового входа

Младая будет жизнь играть

И равнодушная природа

Красою вечною сиять.

А. Пушкин

Ключевое положение в понимании законов развития окружающего мира приобретает теория открытых систем (синергетика).

Законы развития живой и косной материи описываются двумя противоположными теориями - это классическая термодинамика и эволюционное учение Ч. Дарвина. Обе теории отражают единую физическую реальность, но соответствуют различным ее проявлениям.

Согласно второму началу термодинамики, если рассматривать Вселенную как закрытую систему, она идет к своей неизбежной дезинтеграции, так как запас полезной энергии, приводящей мировую машину в движение, рано или поздно будет исчерпан. Если запас полезной энергии в системе тает, то ее способность поддерживать организованные структуры ослабевает. Высокоорганизованные структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. Мера внутренней неупорядоченности системы - энтропия - растет. Второе начало термодинамики предсказывает все более однородное будущее окружающего мира.

Теория эволюции органического мира рассматривает биосферу как открытую систему, находящуюся в неравновесном состоянии и обменивающуюся веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Временной ход развития биосферы отнюдь не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм организмов и образуемых ими сообществ; развитие живой материи идет от низших форм к высшим.

Обоснование совместимости второго начала термодинамики со способностью открытых систем к самоорганизации — одно из крупнейших достижений современной физики. Теория термодинамики открытых систем переживает бурное развитие. Г. Хакен (1994) предложил назвать эту область исследований синергетикой (от греч. "sinergos" - совместный, согласованно действующий). Термодинамика открытых систем изучает существенно неравновесные процессы. В их описании ключевую роль играет понятие возрастания энтропии системы за счет процессов, происходящих внутри нее. Открытые системы, в которых наблюдается прирост энтропии, получили название диссипативных. Выдающаяся роль в развитии данного направления принадлежит И. Р. Пригожину (1986, 1994). Применению синергетики в развитии концепции биосферы и ноосферы посвящена статья В. И. Короткова (1996).

Пригожин противопоставляет закономерности развития замкнутых детерминированных систем и открытых неустойчивых неравновесных, в которых малый сигнал на входе может вызвать сколь угодно сильный отклик на выходе. По Пригожину замкнутые системы составляют лишь малую долю физической Вселенной. Большинство же систем, в том числе все географические и экологические системы, открыты. Они обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Открытый характер большинства систем наводит на мысль, что реальность отнюдь не является ареной, на которой господствует порядок: главенствующую роль в окружающем нас мире играют неустойчивость и неравновесность.

Пригожий отмечает, что открытые системы непрерывно флуктуируют. Иногда отдельная флуктуация или их комбинация может стать (в результате положительной обратной связи) настолько сильной, что существовавшая прежде организация не выдерживает и разрушается. В этот переломный момент, в точке бифуркации, принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень организации.

Диссипативные системы для поддержания своего функционирования требуют больше энергии, чем более простые структуры, на смену которым они приходят. При этом Пригожин подчеркивает возможность спонтанного возникновения порядка и организованности из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.

Строение живой материи существенно отличается от строения мертвой не только чрезвычайно сложной структурой, но и способностью отбирать из окружающей среды полезную энергию в количестве, необходимом для самосохранения и саморазвития, что достигается путем создания таких элементов материи, которые способны (Струминский, 1995):

- черпать свободную энергию из окружающего пространства в процессе их зарождения, развития и жизни;

- стремительно размножаться в питательной среде, вычерпывая ее свободную энергию для парирования роста энтропии;

- образовывать новые элементы живой материи, используя питательную среду для дополнительного парирования роста энтропии;

- в питательной среде сохранять информацию о структуре живых элементов, об их наследственности и т.п. за счет использования свободной энергии из окружающей среды.

Рассмотренные положения позволяют по-новому оценить механизмы устойчивости биосферы. Очевидно, что при существующих космических и земных предпосылках живое вещество биосферы способно продолжать свое "давление" на внешние оболочки Земли и потенциал этого давления отнюдь не ослабевает. Антропогенный фактор, вызывающий деструкцию биосферы, следует рассматривать как флуктуацию, вызванную популяционным взрывом, который по законам регулирования неизбежно будет элиминирован. Система общество - природа, следуя теории Пригожина, достигнув точки бифуркации, должна будет перестроиться. Однако распад старой системы отнюдь не будет означать ее хаотического состояния. Бифуркация - это импульс к развитию биосферы по новому, неведомому пути. Какое место займет в нем человеческое общество - это предмет специальных исследований. О судьбе биосферы можно не беспокоиться, она продолжит свое развитие (Петров, 1995).

Рассмотрим движущие силы, которые поддерживают биосферу в устойчивом состоянии, - это динамика популяций, реализация разных жизненных стратегий организмов и занимаемых ими экологических ниш, сукцессии сообществ, функции живого вещества, биотические круговороты, соблюдение принципа экологической эквивалентности.

Дата добавления: 2014-11-06