Эволюционное дерево

Пример из биологии.

К процессам, в которых участвуют структуры, применяются термины: "рождение", "гибель или уничтожение", "превращение", "изменение" и "рост". Ниже рассмотрим эти понятия.

Под рождением структуры будем понимать возникновение свя­зей между ее элементами при выходе из бесструктурного хаотического состояния. Гибель структуры, это, соответственно, обратный процесс перехода элемен­тов структуры из связанного в бесструктурное состояние хаоса (диструкция), либо в более мелкие подструктуры. Так, например, разрушение структуры графита приводит к образованию новых углеродных материалов, относящихся по своим размерам к наноструктурам: графену, углеродным нанотрубкам и молекулам фуллерена.

Структура изме­няется, если меняются характеристики параметров связи. Нако­нец, превращение структуры определяется изменением отношений связи между элементами. Происходит перестройка структуры (фазовый переход).

Увеличение количества элементов в системе с сохранением основных типов взаимодействия между ними характеризует процесс рос­та. Приведем несколько примеров роста структур из различных об­ластей естествознания.

В биологии под процессом роста часто подразумевают увеличение чис­ла клеток организма, помещенных в питательную среду. В отдельных экспериментах культивируют клетки животных или ряд клеток различ­ных растений (моркови, табака, ананаса и т.д.). Допустим, что мы поместили несколько сотен бактериальных клеток в закрытую ватной пробкой колбу со стерильной питательной средой. Если с часовым интервалом отбирать по 1куб. см питательной среды и подсчитывать в пробе число живых клеток, то получится так называемая S - кривая роста, представленная на рис.14 а.

Кривая состоит из трех частей: I - период, называемый Лаг - фазой, в течение которого идут под­готовительные (накопительные) процессы; II - период истинного роста, называемый экспоненциальной или логарифмической фазой и III - период, в течение которого рост клеток прекращается и попу­ляция вступает в стационарную фазу.

Ход S - кривой объясняется следующим образом. Лаг - фаза это период роста цитоплазмы и подготовка клетки к делению. Это тот отрезок времени, в течение которого клетки становятся крупнее, но число их остается постоянным. Клетка живого организма в экспоненциальной фазе роста напоминает конвейер. Отдельные детали создаются последовательными операциями на самом конвейере, или их получают извне, но в конце концов, они все соединяются и получается готовый продукт. Важнейшим условием эф­фективной работы конвейера является согласованность всех операций. Детали должны поступать в нужное место, в нужное время и в нужных количествах. Все операции должны происходить с одинаковой скоростью. Если начать культивировать клетки, которые уже находятся в фазе экспоненциального роста (конвейер уже сущес­твует и функционирует), и обеспечить их необходимыми питательны­ми веществами, то лаг - фазы не должно быть. Переход к новому от­счету времени в этом случае соответствует направлению "стрелы" А-А, на рис.14 а, б. Такая же ситуация с ростом клеток осу­ществляется, например, при резком скачке от эмбриональной стадии (в яйце) к стадии «вылупления» цыпленка (рис.14в). Излом графика связан с изменениями в условии питания.

Клетка, прошедшая фазу II, сталкивается уже не с проблемами роста, а с проблемами выживания. Она должна защищаться от продук­тов выделения и других токсичных соединений, которые могут обра­зовываться в окружающей среде и при этом сохранить оставшиеся пи­тательные вещества и экономно (оптимально) расходовать энергию. Поступая таким образом, клетка может потерять отдельные фрагмен­ты, которые ей больше не нужны или синтезировать новые. Перенос в свежую питательную среду опять потребует перестройки, т.е. в S ­кривой появится лаг - фаза. На рис.14а, б этот переход показан с помощью "стрелы" В - В.

Подобные процессы сопровождают рост населения земного шара. По результатам статистики к 1960 году наблюдалось две фазы S ­кривой, лаг - фаза и фаза экспоненциального увеличения числен­ности населения планеты (рис.15). Предполагаемое продолжение гра­фика могло привести либо к (I) резкому уменьшению численности, вслед­ствие глобальных катастроф (термоядерный "сценарий", экологичес­кие катастрофы), либо к (II) стационарной фазе S - кривой, возможной также из-за экологических проблем. Практика, однако, показала, что человечество пока еще находится на стадии экспоненциального роста (III) и в 2000 году преодолело 6-миллиардный рубеж и сейчас продолжает увеличиваться.

2. Пример моделей роста на основе структуры графа из математики.

Этот пример касается математической структуры, построенной в частности так, как вырастают ветви у дерева. Она так и называется: «дерево графа» и находит применение в естественных науках, экономике, экологии для описания ветвящихся процессов. С помощью графа (множества точек – вершин с лучами – отрезками, выходящими из этих вершин) можно моделировать структуры, мозаики, эволюционные процессы, являющиеся результатом решения соответствующих уравнений в Естествознании. Простейшим примером дерева графа является обычный график турнира спортсменов, проводимого по олимпийской системе. Хорошо известно эволюционное дерево развития живых организмов в природе (рисунок). Основанием для построения такого дерева графа послужили исследования пластов земной коры. В виде так называемой, «геологической колонны» это представлено на рисунке повторно (лекция 8).

Геологическая колонна

Дата добавления: 2013-12-13