3.Гипотеза Геи-Земли. Синтетические теории.

Теория Геи

Согласно древнегреческой мифологии, Гея: Мать-Земля. Древнейшее доолимпийское божество, игравшее важнейшую роль в процессе создания мира в целом. Она была хранительницей древней мудрости, и ей были ведомы веления судьбы и ее законы. Греки считали, что в Гее заложены самые важные функции для жизни, поэтому называли ее Карпофорос - Плодоносная, и преклонялись ей за неиссякаемое плодородие.

В чем же для современного человека состоит суть гипотезы Геи?

Названная именем греческой богини Земли, гипотеза Геи, высказанная и обоснованная исследователем Джеймсом Лавлоком 35 лет назад, представляет нашу планету как живое, дышащее и саморегулирующееся существо.

Тогда эта гипотеза выглядела настолько радикальной, что научное сообщество отказалось принимать ее всерьез.

Однако все полученные исследователями данные так хорошо вписывались в теорию Лавлока, что постепенно научное сообщество стало использовать идею Геи в своих исследованиях, а у экологов она заняла одну из ключевых позиций.

Лавлок считает, что воздух, море и суша динамически продолжают биосферу, так же как оперение и гнездо - птицу.

Не только жизнь адаптируется к своему материальному окружению, но и материальное окружение старательно адаптируется к жизни. В атмосфере нашей планеты не было бы кислорода, если бы не было тех, кто производит процесс фотосинтеза, и не было бы воды, если бы не существовало кислорода.

"Без жизни водород уйдет в космос, а моря быстро исчезнут", - говорит Лавлок. Он считает, что существует сложная многосторонняя связь между живыми существами, сушей, морем и воздухом. Именно она удерживает планету в стабильном состоянии, поддерживает на оптимальном уровне температуру воздуха и соленость воды.

Собственно, такое понимание взаимосвязи жизни и планеты нельзя назвать абсолютно новым. Еще в XVIII веке ученый Джеймс Хаттон, которого называют отцом геологии, писал: "Я рассматриваю Землю как некий сверхорганизм, и наукой, подходящей для ее изучения, должна быть физиология".

Но в XIX веке идея Хаттона о единстве всего живого и неживого была забыта. В результате биология и геология существуют по отдельности вплоть до дня сегодняшнего.

Биологи редко рассуждают о Земле и планетах. Сквозь линзу микроскопа они смотрят на клетки, гены и молекулы, а не на планету в целом. Геохимики мыслят более масштабно. Они знают, что обмен углекислым газом между растениями и животными имеет место, но считают, что влияние жизни на газообмен планеты настолько мало, что им следует пренебречь.

Однако, не приняв во внимание взаимосвязь живого и неживого, даже с помощью изощренных компьютерных моделей ученые не могут объяснить, почему столь низок уровень содержания углекислого газа в земной атмосфере и почему содержание кислорода в воздухе постоянно держится на уровне 21 процента? В этом случае Дж. Лавлок предположил, что один из важных механизмов поддержания концентрации кислорода в атмосфере на уровне 21% связан с тем фактом, что при концентрации кислорода ниже 15% воспламенение древесины невозможно, а при концентрации выше 25%, воспламенение происходит слишком легко и лесные пожары просто уничтожат все леса. Хвойные породы и эвкалипты легко воспламеняются, поэтому пожары включаются в их эволюционную стратегию. Другие виды деревьев и соответствующие типы лесов менее чувствительны к огню. Конкуренция за пространство между разными типами лесов может реализовать петлю глобальной обратной связи, регулирующей концентрацию кислорода в атмосфере.

Мысль о том, что живые организмы регулируют температуру земной поверхности и химический состав ее атмосферы, пришла к Лавлоку, когда он работал по заданию НАСА над экспериментами по обнаружению жизни на Марсе. Сравнивая данные об атмосферах Марса и Венеры, в которых доминирует углекислый газ, с земными параметрами, он удивился их радикальному отличию.

Химический состав нашей планеты стабилен и постоянен. Конечно, изменения происходят, но крайне медленно. Такое постоянство нуждается в существовании системы активного управления. Но какова природа этой управляющей системы? И не входят ли в нее определяющей частью живые организмы?

"Вся система жизни и ее материального окружения саморегулируется в состояние, комфортабельное для организмов", - к такому выводу пришел Лавлок. Исчезновение углекислого газа из атмосферы зависит от уровня роста организмов и, следовательно, от климата планеты. Если температура слишком низка, углекислый газ аккумулируется в атмосфере и обогревает планету, но когда температура повышается до излишне высоких отметок, углекислый газ быстрее поглощается растениями. Таким образом устанавливается оптимальная температура.

Так, возьмем, к примеру, воздух, которым мы дышим. Кислород является необходимым элементом практически для всех живых организмов, от бактерий и рыб, до людей. Этот газ тысячелетиями отвечал за сохранность 21 процента состава земной атмосферы с помощью определенных живых организмов (растений), которые постоянно высвобождают его. Кислород, будучи в высокой степени реактивным элементом, обладает способностью соединяться с другими газами и неорганическими веществами земной атмосферы и земной коры, полностью исчезая в своей высвобожденной форме.

Несмотря на нестабильность этой ситуации, атмосфера Земли с относительным постоянством осуществляет свою функцию защиты жизни. Таково было одно из наблюдений, описанных химиком Джеймсом Лавлоком, выступившим на научной конференции в Принстоне в 1969 году.

В противовес концепции, принимающей природу как игру случайностей, Лавлок постулировал, что, вполне возможно, Земля существует в форме гигантского живого организма, организовавшего все формы материи, - как органической, так и неорганической, - с определенной целью: создать среду для поддержания жизни. Невзирая на его прежние заслуги - инновационное применение чувствительных инструментов на корабле Викинг, исследовавшем Марс, идея Лавлока о Земле как живом организме подверглась жесткой критике со стороны его коллег.

Еще одно из наблюдений, сделанных Лавлоком, - обнаружение факта неизменности концентрации соли в морской воде, которая остается на оптимальном уровне для поддержания в ней жизни. Науке известно, что воды рек постоянно уносят минеральные соли в океан, однако, когда морская вода образует облака при испарении, в них уже не содержатся соли. Если следовать строгой логике, то было бы правильным предположить, что концентрация соли в водах океана должна возрастать с течением времени. Однако этого не происходит.

Концентрация соли остается неизменной веками. По мнению сторонников гипотезы Геи, это объясняется способностью колоссального существа сохранять внутреннее равновесие - феномен, который научно соответствует явлению "гомеостаза", характерному обычно для клеточных организмов.

Некоторые считают, что ответ к загадке столь загадочного феномена можно найти в процессе образования соляных копей: в течение времени вода образует залив, который позже отсекается сушей. Вода внутри испаряется и остается только соль. Эта часть земли покрывается слоем пыли и глины, со временем превращаясь в скалу, не давая возможность реке, которая потенциально может образоваться в будущем, уносить соль. Возможно ли, что этот механизм произвольно регулирует концентрацию соли таким образом, что вода остается пригодной средой обитания для рыб и других морских созданий? По мнению тех, кто поддерживает эту теорию, такое положение вещей есть не просто следствие случайного стечения обстоятельств, но, скорее, процесс, который регулируется самой Геей.

Более поздний пример, подтверждающий теорию существования Геи, был сделан учеными из университета Гонконга, руководимыми Цзю Ляо. Во время изучения прибрежной линии, группа ученых заметила, что приливы заставляют прибрежное дно "дышать", когда влага и воздух сменяли друг друга при давлении воды на дно моря. Самое очевидное проявление этого дыхания наблюдалось, когда со дна поднимались пузыри воздуха. Похоже, что приливы оказывают влияние на ритмичное движение дна океана, вызывающее явление, схожее с процессом дыхания, но с замедленным ритмом, что, конечно же, обусловлено огромными размерами Земли.

Факты, доказывающие дыхание и жизнь Земли на этом не заканчиваются: недавние доклады ученых из обсерватории Мауна Лоа, Гавайи, обнаруживают, что содержание углекислого газа за период с 1955 по 1995 менялось от большего к меньшему по определенной ритмичной модели. Если к этой информации добавить свидетельства, собранные с географических станций, можно интерпретировать эти явления как доказательства дыхания Земли: в виде вдохов и выдохов.

Однако по результатам тех же наблюдений стало видно, что океан на протяжении последних десяти лет стал "дышать" чаще, как если бы это было у простывшего человека.

Болезнь "Геи"

В феврале 2003 года Джеймс Лавлок выпускает книгу под названием "Возмездие Геи", в которой развивает свою теорию, описывающую Землю как в буквальном смысле живой организм, способный болеть и страдать. В преддверии выхода книги он опубликовал статью, в которой кратко описывает суть "Возмездие Геи".

Человечество, с точки зрения Лавлока, является "нервной системой" Земли, благодаря которой Гея осознаёт самое себя, познаёт свой облик и место во Вселенной. Но "нервная система" Геи приносит ей же самой неисчислимые бедствия .

"Гея сделала меня планетарным врачом, и, поскольку я воспринимаю свою профессию всерьёз, мне волей-неволей приходится сообщать дурные вести", - пишет Лавлок. - Центры по изучению климата во всём мире, представляющие собой эквивалент диагностической лаборатории или больницы, докладывают о физическом состоянии Земли, и специалисты видят, что планета серьёзно больна, и в самом скором времени у неё начнётся лихорадка, которая продлится не менее 100 тысяч лет. И я должен сказать вам, члены Земной семьи, и самая её близкая часть, что вы, и в особенности цивилизация находимся в смертельной опасности".

По утверждениям Лавлока, планета поддерживала себя в здоровом и крепком состоянии, как и любое животное, в течение более чем трёх миллиардов лет своего существования. Однако мы начали загрязнять её как раз в тот момент, когда из-за солнечной активности это менее всего следовало делать. Лихорадка вот-вот начнётся, а за ней последует и состояние, сходное с комой. Планета уже побывала в этом состоянии и выздоровела, но на это ушло 100 тысяч лет. Человечество несёт ответственность за эту болезнь, и мы испытаем все последствия этого: уже в течение этого столетия температура на средних широтах подскочит в среднем на 8 градусов, а в тропиках - на 5.

Это означает, что большая часть суши в тропических широтах, покроется в лучшем случае низкорослой растительностью, или просто обратится в пустыни, и следовательно, в климатической саморегуляции более роли никакой играть не будет. Таким образом, 40% поверхности Земли окажется истощённой и бесплодной.

Аэрозольное загрязнение в Северном Полушарии, способствующее снижению проницаемости атмосферы, - и соответственно, сдерживающее общий нагрев, - исчезнуть может буквально за несколько дней, и это, пишет Лавлок, означает, что ещё до конца столетия миллиарды людей погибнут, а выжившие будут ютиться в Арктических широтах, где климат останется терпимым.

"Будучи не в состоянии понять, что Земля сама регулирует свой климат и состояние, мы дерзнули взяться за это самостоятельно, как будто эта ответственность лежит на нас. И тем самым теперь мы обрекаем себя на наихудшую форму рабства. Если мы берёмся изображать стюардов планеты, тогда мы должны отвечать за то, чтобы атмосфера, океан и поверхность суши оставались пригодными для существования. А это скоро будет уже невозможно . " - пишет Лавлок в статье, сравнивая эффективность от потенциальных усилий человечества относительно климатической саморегуляции с диализной машиной относительно живых и здоровых почек, и отмечая, что времени у человечества осталось совсем немного, в то время как сам Лавлок признаёт, что не представляет себе, что может остановить основных "поставщиков" CO2 в атмосферу - промышленность США и развивающиеся экономики Индии и Китая.

"Мы должны быть сердцем и разумом Земли, а не просто вирусным заболеванием. Так давайте же наберёмся мужества думать не только о потребностях и правах человека, но и о том, какой вред мы нанесли Земле, и как нам примириться с Геей. Мы должны взяться за дело, пока мы ещё достаточно сильны для этого, пока мы ещё не убогая толпа людишек, сломленная жестокой волей одичалых военных диктаторов. Главное, что мы должны помнить, так это что мы часть Земли, и что она и в самом деле является нашим домом", - заканчивает Лавлок свою статью.

Берегись, ибо жизнь — это сущность творенья, Как ее проведешь, так она и пройдет.

Омар Хайям

Генетика привела к новым представлениям об эволюции, получившим название неодарвинизма, который можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Другое общепринятое название — синтетическая, или общая, теория эволюции. Механизм эволюции стал рассматриваться как состоящий из двух частей: случайные мутации на генетическом уровне и наследование наиболее удачных с точки зрения приспособления к окружающей среде мутаций, так как их носители выживают и оставляют потомство (мутация — появление нового признака — борьба за существование — естественный отбор).

Синтетическая теория эволюции представляет собой синтез основных эволюционных идей Дарвина и прежде всего идеи естественного отбора с новыми результатами биологических исследований в области наследственности и изменчивости. Если в теории Дарвина эволюция происходит в рамках вида, то в синтетической теории элементарной единицей эволюции служит популяция, поскольку именно в ее рамках происходят наследственные изменения генофонда. Другое существенное отличие синтетической эволюции от дарвиновской состоит в четком разграничении областей исследования микроэволюции и макроэволюции.

Микроэволюция — совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов. В отличие от этого макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период времени, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого. Изменения, которые изучаются в рамках микроэволюции, доступны непосредственному наблюдателю, тогда как макроэволюция происходит на протяжении длительного исторического периода времени. Макроэволюция, как и микроэволюция, происходит в конечном итоге под воздействием изменений в окружающей среде.

Любая новая крупная группа организмов выше уровня вида, как правило, возникает потому, что приобретает в ходе эволюции качественно новые особенности в своей структуре и организации, которые дают ей коренное преимущество в борьбе за существование. Каждая группа организмов характеризуется определенным средним темпом эволюции. Чем быстрее совершается процесс приспособления группы к частным, конкретным условиям среды, тем скорее она достигает расцвета и соответственно гибели. Уничтожение целых групп живых организмов в ходе эволюции обусловлено естественным отбором других групп, более приспособленных к изменившимся условиям окружающей среды. Исчезнувшие в процессе эволюции отдельные организмы, виды и группы впоследствии никогда не восстанавливаются в прежней форме.

Согласно эволюционной теории Дарвина целесообразность есть неизбежный результат естественного отбора, в ходе которого устраняются организмы, не приспособленные к условиям своего существования, и получают право на жизнь и потомство организмы, обладающие определенными преимуществами перед ними. Чтобы правильно объяснить целесообразность, необходимо иметь в виду, что любая ее форма зависит от внешней среды, определяется ее условиями и состоянием. Целесообразность носит относительный характер, так как ее мерой служит внешняя среда; то, что целесообразно в одних условиях, оказывается нецелесообразным и даже вредным в других.

Эволюционная теория подтверждает существование прогресса в живой природе. В настоящее время не существует пока общепризнанных критериев прогресса, хотя в последние годы его связывают со степенью упорядоченности и сложностью организации биологических систем и их адаптаций к условиям окружающей среды.

Живи — радуйся тому,

Что из твоих трудов под солнцем

выйдет.

Поскольку из живущих никому

Не суждено грядущего увидеть.

Из Екклесиаста

Критика дарвинизма велась со дня его возникновения. Дело в том, что общий ход эволюции в чем-то непредсказуем, хотя непредсказуемость неабсолютная. Недостаточное осознание этого факта подчас ориентирует мысль на поиски радикальных решений. Одним не нравилось, что изменения, по Дарвину, могут идти во всех возможных направлениях, случайным образом, беспорядочно. Другие выдвигали новые теории эволюции.

Наиболее широко распространен и популярен катастро-физм, тяга к сальтационистским объяснениям эволюционного процесса. Главными чертами таких трактовок является отрицание естественного отбора и утверждение о том, что наиболее существенное эволюционное изменение есть результат случайных изменений. Адаптации видов возникают сальтационно, т. е. скачкообразно (от итал. salto — прыжок). Новые уровни организмов возникают не в результате конкуренции их предков со старыми, а в условиях экологического вакуума, созданного массовым вымиранием. По уровню приспособленности новые группы организмов ничуть не совершеннее старых. Катастрофам — представление о том, что смена этапов органического мира на Земле обусловлена катастрофами, уничтожающими животный и растительный мир. Одни авторы связывают катастрофы с геологическими процессами — оживление вулканизма, приводящего к глобальному похолоданию и выбросу в атмосферу большого объема токсических веществ; геомагнитными процессами биосферы, сопряженными с повышением ионизирующей радиации; с процессами горообразования и изменения климата. Другие авторы — сторонники космических причин массовых вымираний — чаще всего говорят о повышении радиации в результате вспышки сверхновых звезд и колебаний солнечной активности, или о бомбардировке Земли кометами и гигантскими астероидами, что ведет к изменению положения Солнечной системы относительно плоскости Галактики, или о прохождении крупного небесного тела через Солнечную систему.

Русский ученый П. Н. Кропоткин в концепции номогенеза придерживался точки зрения, в соответствии с которой взаимопомощь является более важным фактором эволюции, чем борьба. Наблюдая перемещения больших масс животных в Восточной Сибири, спасающихся от стихийных бедствий, он выделил взаимопомощь и кооперацию в животном мире как факторы эволюции.

В концепции коэволюции биологическая эволюция рассматривается как результат взаимодействия организмов. Случайно образовавшиеся более сложные формы увеличивают разнообразие и, стало быть, устойчивость экосистем. Удивительная согласованность всех видов жизни есть следствие коэволюции.

На основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции возникла гипотеза Геи (в греч. мифологии — богиня Земли). Суть гипотезы Геи следующая: Земля является саморегулирующейся системой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата.

Биологи едины во мнении, что все широчайшее разнообразие животного мира, растений и других форм жизни на Земле связано с простыми организмами, появившимися около 3 млрд лет назад. Большинство важнейших эволюционных преобразований совершилось довольно внезапно, после появления многоклеточных, около 600 млн лет назад, т. е. в кембрийский период. Этот период разделен на три эры: палеозой (эра "древней жизни"), мезозой (эра "промежуточной жизни") и кайнозой (эра "новой жизни"). Все виды животных появились примерно за 60 млн лет кембрийского периода, причем неизвестно, когда возник каждый тип отдельно. Считается, что около 450 млн лет назад появились позвоночные животные — щитовые рыбы, морские ежи, морские звезды и др. Тем не менее при сравнении 3,5 млрд лет всей биоэволюции и около 570 млн лет, прошедших с начала кембрия, создается впечатление, что все типы животных возникли практически одновременно и внезапно. По выражению палеонтологов, это — кембрийский взрыв формообразования. После кембрия скорость появления новых классов резко упала. Хотя загадка кембрийского взрыва не разгадана, она свидетельствует о роли случайности в процессе эволюции.

Распространение животных и растений на земном шаре носит прерывистый характер. Тот факт, что встречаются сходные особи в удаленных частях суши, может быть объяснен тем, что когда-то распределение суши на Земле было иным. В 1912 г. А. Вегенер выдвинул гипотезу дрейфа континентов, которая благосклонно была принята биологами, поскольку объясняла странное распространение животных. Причинами дрейфа он считал конвекционные течения в верхней мантии Земли, что весьма правдоподобно. Такая гипотеза позволяет объяснить непрерывные перемещения массивов суши и современное распространение некоторых редких животных. Дрейф континентов и периодические оледенения влияли на эволюционный процесс, меняя условия жизни. Гипотеза суперконтинентального дрейфа открывает новый путь к пониманию не только геологической и климатической истории Земли, но и эволюции жизни на Земле. Это началось (по гипотезе) 200 млн лет назад. По сути, любая из биологических эволюционных теорий в явной или неявной форме затрагивает проблему того, что первично в эволюции. Важно при рассмотрении темы увидеть эволюционную теорию не как однозначный путь развития, предсказуемый и познанный наукой, а как спектр в различной степени обоснованных концепций.

Многие биологи считают, что двигателем вариаций на видовом или популяционном уровне являются изменения в геноме. С развитием молекулярной биологии на этот счет появилось немалое число экстравагантных гипотез. При таком подходе эволюция экосистемы и биосферы — следствие микроэволюционных процессов. Есть и другая, сравнительно малочисленная группа исследователей, которые, считая себя последователями В. И. Вернадского, соглашаются с тем, что первопричиной эволюции являются экосистемные (биосферные) макропроцессы, влияющие на локальные условия среды. При этом создаются условия для отбора среди множества форм организмов, появляющихся в результате геномных коллизий. Отсюда вытекает, что экосистемы и биосфера управляют эволюционным процессом, порождая наиболее подходящие для себя популяции организмов.

Предметом острой моды в современной науке является концепция глобального эволюционизма. Глобальный эволюционизм есть попытка естественно-научными и математическими средствами описать развитие Вселенной как целостной многоуровневой системы, создать формализованные модели ряда ключевых моментов эволюции (бифуркаций и катастроф, эволюционного компромисса как способа разрешения системных противоречий). Основными тезисами глобального эволюционизма являются:

1. Наша Вселенная в силу связи всех ее составляющих есть некая единая система.

2. Ее эволюция — рост разнообразия форм материальной организации, ограничиваемый тенденцией к их единству и коо-перативности, — есть усложнение.

3. В процессе своей естественной эволюции Вселенная обретает с помощью человека способность не только познать саму себя, но и направлять свое развитие так, чтобы компенсировать или ослаблять дестабилизирующие факторы.

4. Главным из дестабилизирующих факторов пока является сам социум: возросшее могущество человека уже не позволяет рассматривать его в качестве независимой системы, вся история которой развивается на некоем фоне, называемом окружающей средой.

5. Ближайшая цель общественного развития — обеспечение коэволюции человека и биосферы, так как, если нагрузка на биосферу будет возрастать, она сделается непригодной для обитания, в том числе самого человека.

Для достижения сформулированной цели, согласно сторонникам глобального эволюционизма, следует избегать любых бифуркаций: пока мы находимся внутри некоего канала, берега которого ограничивают множество возможных вариантов дальнейшей эволюции, мы можем предвидеть последствия своих действий, но если эволюция выйдет на пересечение ряда каналов (в точку бифуркации), где выбор дальнейшего направления станет случайным, это станет невозможным. Нам следует сознательно держаться своего канала, поскольку мы обладаем огромными возможностями разрушить его берега. Без этого длительное совместное развитие биосферы и самого человека остается благим намерением. Избежать бифуркационных состояний и ужиться с природой можно лишь на пути (в канале) сознательного усложнения системы "природа—человек". Условием такого сознательного усложнения является совершенствование искусственного, распространение таких технологий, которые позволяют максимально полно реализовать "дремлющие в природе" возможности. Внутреннее богатство новых сконструированных сложных систем укрепит наш "канал" новыми блоками. Развитие с позиции глобального эволюционизма выглядит как совместное усложнение природного и социального.

4.Закономерности развития экосистем. Биотический круговорот. Моделирование биоценозов с учетом воздействия техносферы. Стохастическая модель морфогенеза. Биосфера и космические циклы: ноосфера, необратимость времени.

Тот, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым, не является.

Г. Галилей

Выявление общего, существенного, присущего всем системам определенного рода производится наиболее общим приемом — математическим моделированием. При математическом моделировании систем наиболее ярко проявляется эффективность единства качественных и количественных методов исследования, характеризующая магистральный путь развития современного научного познания.

Всякая сложная система, модель которой мы создаем, при своем функционировании подчиняется определенным законам — физическим, химическим, биологическим и др. Рассматриваются такие системы, для которых знание законов предполагает известные количественные соотношения, связывающие те или иные характеристики моделируемой системы. Модель создается для ответа на множество вопросов о моделируемом объекте. Интересуясь некоторыми аспектами функционирующей системы, изучают ее с определенных точек зрения. Направления изучения системы в значительной степени и определяет выбор модели. Опишем процесс построения математической модели сложной системы. Его можно представить состоящим из следующих этапов:

1. Формулируются основные вопросы о поведении системы, ответы на которые мы хотим получить с помощью модели.

2. Из множества законов, управляющих поведением системы, учитываются те, влияние которых существенно при поиске ответов на поставленные вопросы.

3. В дополнение к этим законам, если необходимо, для системы в целом или отдельных ее частей формулируются определенные гипотезы о функционировании. Как правило, эти гипотезы правдоподобны в том смысле, что могут быть приведены некоторые теоретические доводы в пользу их принятия.

4. Гипотезы, так же как и законы, выражаются в форме определенных математических соотношений, которые объединяются в некоторое формальное описание модели.

На этом заканчивается процесс построения математической модели. Дальше следует процесс исследования этих соотношений с помощью аналитических и вычислительных методов, приводящий в конечном итоге к отысканию ответов на предъявляемые модели вопросы. Разрабатывается или используется созданный ранее алгоритм для анализа этой модели. Если модель и алгоритм не слишком сложны, то может оказаться возможным аналитическое исследование модели. В противном случае составляется программа, реализующая этот алгоритм на ЭВМ. После выполнения расчетов по модели на ЭВМ их результаты обязательно сравниваются с фактической информацией из соответствующей предметной области. Это сравнение необходимо для того, чтобы убедиться в адекватности модели, в том, что модельным расчетам можно верить, их можно использовать.

Если модель хороша, то ответы, найденные с ее помощью, как правило, бывают весьма близки к ответам на те же вопросы о моделируемой системе. Более того, в этом случае зачастую с помощью модели удается ответить и На некоторые ранее не ставившиеся вопросы, расширить круг представлений о реальной системе. Если же модель плоха, т. е. недостаточно адекватно описывает систему с точки зрения задаваемых ей вопросов, то она подлежит дальнейшему улучшению или замене. Возможны также ошибки в алгоритме, в программе для ЭВМ. Такие повторные просмотры продолжаются до тех пор, пока результаты расчетов не удовлетворят исследователя. Теперь модель готова к использованию. Критерием адекватности модели служит практика, которая и определяет, когда может закончиться процесс улучшения модели. Итак, ни ЭВМ, ни математическая модель, ни алгоритм для ее исследования порознь не могут решить достаточно сложную исходную задачу. Но вместе они представляют ту силу, которая позволяет познавать окружающий мир, управлять им в интересах человечества.

Достоинствами метода математического моделирования является то, что модель представляет собой формализованную запись тех или иных законов природы, управляющих функционированием системы. Однако определенные трудности возникают при попытке построения математической модели очень сложной системы.

Существуют различные модели, используемые для описания сложных систем, такие как:

• дескриптивные (описательные), описывающие происходящие в системе процессы;

• оптимизационные, управляющие процессом, т. е. принимающие те или иные решения;

• многокритериальные, рассматривающие систему по многим критериям;

• игровые, пригодные для исследования и рассматривающие конфликтные ситуации;

• имитационные, максимально использующие имеющуюся информацию о поведении системы.

В качестве примера рассмотрим применение математического моделирования в экологии.

Тысячи путей ведут к заблуждению, к истине — только один.

Ж. Ж. Руссо

Для исследования биологических систем, таких как биоценозы, биогеоценозы, можно применять методы математического моделирования и, используя ЭВМ для анализа процессов в этих сложных системах, значительно продвинуть вперед науку о биосфере и экологии.

Например, один из вопросов, который очень часто возникает в современной экологии, состоит в следующем: как определить численность той или иной популяции через определенное время? Ответ на него представляет не только теоретический интерес, но и имеет большое практическое значение. Действительно, не зная этого, нельзя правильно планировать эксплуатацию различных возобновимых природных ресурсов — промысловых рыб, охотничьих угодий и т. п. Для решения этих вопросов можно применить методы математического моделирования.

По распределению и численности видов имеется огромная информация, но ее нужно перевести на математический язык. Естественно, что описание судьбы отдельной особи — задача безнадежная, поэтому вводят макроскопические характеристики, описывающие популяцию. Допустим, в момент времени t₀ число особей в популяции в среднем составляет n₀. Если п — число особей, то изменение его со временем от числа их рождений g и числа смертей d можно записать в виде:

В простейшем случае , где коэффициенты

не зависят от общей численности особей. Они могут определяться доступностью пищи, климатом, температурой и т. п. Если эти внешние условия поддерживаются постоянными, то уравнение

где описывает растущую или убывающую по экспо-

ненте популяцию, т. е. стационарного решения нет, и говорят, что рост не зависит от числа особей. Значит, эти коэффициенты должны зависеть от числа особей. Наиболее важным из всех факторов, которые мы проигнорировали, вероятно, является истощение источников питания, который можно учесть введением в уравнение члена: . Тогда получим следующее уравнение:

Оно и представляет собой математическую модель процесса изменения численности особей в популяции при котором предполагается, что пища поступает с постоянной скоростью.

Для определения численности особей в популяции в момент времени Т можно воспользоваться математической моделью. Для этого разделим переменные в уравнении и, интегрируя его при условии находим следующее уравнение:

Отсюда можно определить число особей в популяции в момент Т:

Представим себе, что мы задались целью собирать урожаи с рассматриваемой популяции, т. е. изымать часть особей из экосистемы. Возникает вопрос: когда и сколько собирать урожая, чтобы суммарный урожай за время от t₀ до Т был максимален? Это более сложный вопрос, чем предыдущий. Не будем останавливаться на его точном решении, а отметим только, что математическая модель также дает возможность на него ответить. Качественный результат таков: пока число особей в популяции меньше некоторого критического значения, сбор урожая не производится вовсе, в дальнейшем же для достижения максимального суммарного урожая необходимо вести непрерывный сбор его.

Мы рассмотрели весьма упрощенную ситуацию, так как предполагалось, что популяция не взаимодействуют ни с какими другими популяциями, учет же этого обстоятельства, конечно, значительно усложняет модель. При этом могут встретиться ситуации: конкуренция — сосуществование; хищник — жертва; симбиоз. Сосуществование имеет место, когда различные виды не питаются одной и той же пищей, не поедают друг друга, размножаются в разных местах. Тогда уравнения для численности записываются как

Ситуация усложняется, если виды живут или пытаются жить за счет одного и того же источника пищи или зависят от одних и тех же жизненных условий. Предположим, что обе популяции потребляют один и тот же корм, которого имеется ограниченное количество, и из-за этого находятся в конкурентной борьбе друг с другом. Французский математик В. Вольтерра показал, что при таком предположении динамика популяций достаточно хорошо описывается следующей системой дифференциальных уравнений:

где — действительные положительные числа.

Первые члены правых частей характеризуют скорости роста популяций, если бы не было ограничивающих факторов. Вторые же члены учитывают те изменения в скоростях, которые вызываются ограниченностью корма. Анализ этих уравнений методами теории дифференциальных уравнений позволяет сделать некоторые выводы. Со временем численность одной из популяций становится равной нулю, а численность другой стабилизируется. Та популяция, у которой отношение меньше, вымирает, другая же выживает и стабилизируется.

В любом биоценозе, кроме отмеченного, происходит взаимодействие между всеми его элементами: особи одного вида взаимодействуют с особями и своего вида, и других видов. Эти взаимодействия могут быть мирными, а могут иметь связь типа "хищник—жертва". Было замечено, что численность хищников колеблется в обратной пропорции относительности колебаний жертв. Анализ этих колебаний позволил Вито Вольтерру вывести необходимые уравнения. Примером анализа таких структур может служить эволюция численности зайцев и волков, которая характеризуется колебаниями во времени. Грубо можно подсчитать, что при их совместном существовании скорость изменения численности зайцев и волков связана с частотой их столкновений, т. е. пропорциональна количеству тех и других с некоторым коэффициентом. Уже эти соображения приведут к системе уравнений, и при определенных условиях система "хищник — жертва" придет в равновесие. В случае неожиданной флуктуации (отстрел волков, гибель зайцев и т. д.) равновесие нарушается, и система приходит в движение. Она ведет себя как колебательная система, когда численность "хищников" и "жертв" начинает колебаться синфазно, с отставанием. Объяснение простое: рост численности зайцев приводит к увеличению питания для волков, но уменьшает количество травы, так что вскоре численность волков вырастает, а зайцев уменьшается. Затем количество травы увеличивается, но запасы пищи для волков уменьшаются, и их численность падает. Тогда поголовье зайцев снова растет, и процесс повторяется. Режим колебаний с определенным периодом оказывается устойчивым.

Модель может усложняться введением нескольких типов жертв, которым может питаться один хищник, и другими вариантами.

Кроме ситуаций "хищник—жертва" и "конкуренция—сосуществование" моделируется ситуация "симбиоз". Модель симбиоза отражает кооперацию отдельных видов в борьбе за существование, когда один вид помогает или покровительствует другому.

В этих рассмотренных нами простых схемах не хватает очень многих факторов: смены климата и погоды, связи возраста особи и смертности, колебаний запасов пищи в разное время года и на разных территориях и т. д. Но использование даже простых моделей при разных, эмпирически учтенных тех или других параметрах дает интересные результаты. Поэтому метод математического моделирования широко применяется не только в современном естествознании, но и во многих гуманитарных науках.

Модель морфогенеза

Морфогенез - это процесс возникновения новых структур и изменения их формы в ходе индивидуального развития организмов. Морфогенез, как рост и клеточная дифференцировка, относится к ациклическим процессам, то есть не возвращающимся в прежнее состояние и по большей части необратимым.

После появления теории Шеннона, описывающей проблемы передачи определенного количества информации по каналам связи, пытаются рассчитать количественные закономерности биологических процессов. С. Данков и Г.Касейляр, а затем и Х. Равен, попробовали рассчитать количество информации, содержащейся в яйцеклетке и во взрослом многоклеточном организме.

К. Уоддингтон оценил приведенные выводы как «фантастически неточные» и не позволяющие делать расчеты уже со стадий формообразования. Не было учтено, что индивидуальное развитие особи представляет собой процесс отбора и интеграции различной информации из внешней среды, обусловленный наследственной организацией яйцеклетки. Значение наследственной информации не в том, что она до мельчайших деталей определяет строение развивающегося организма. Важнее способность сложной системы выбирать из окружения специфический набор внешних условий развития, с помощью которых наследственная информация реализуется в процессах формообразования.

Волпер ввел понятие восприятия и интерпретации, которой создается план развития. Клетки могут передвигаться, они ориентируются в пространстве и интерпретируют свое окружение в соответствии с генетической программой, поэтому различия в строении организмов определяются относительным расположением клеток. Специальные белковые молекулы - морфогены - сообщают Пи, действуя на регуляторные гены. Создаются морфополя, направляющие развитие организмов. Клетки в таких полях могут перемещаться и взаимодействовать друг с другом. Между различными веществами с разной скоростью происходят диффузия через мембрану и автокаталитические реакции. При этом даже малые изменения в такой неустойчивой системе морфогенов, приводящие к изменению места и времени действия регуляторных генов, значительно меняют строение целого организма.

М.М. Камшилов, определив процесс развития как «синтез рассеянной информации», считает, что это определение можно приложить не только к эволюции органического мира, которая осуществляется при помощи накапливающего наследственную информацию естественного отбора, но и к онтогенезу многоклеточных организмов. Специфика этой разновидности развития в том, что синтез внешней информации происходит в соответствии с унаследованной программой. Опарин отмечал, что свойство «целесообразности» строения «пронизывает весь живой мир сверху донизу, до самых элементарных форм жизни», и это - результат истории взаимодействия между организмом и окружающей его средой, её истоки кроются в фундаментальном различии между человеком и машиной. Машина обладает целесообразностью строения, но её вносит человек Воронцов Н.Н. Развитие эволюционных идей в биологии. - М.: Прогресс - Традиция, 1999.

С точки зрения «функционалистов», организм является своеобразным «черным ящиком», внутренняя структура которого или неизвестна, или неинтересна. Поэтому они исследовали сохранение и передачу информации, основываясь на представлениях школы Ляпунова и Колмогорова о процессах в гомеостатических системах. Основные отличительные особенности живых организмов - в наличии «управляемых процессов» передачи информации. На этом пути и возникли гипотезы существования небелковых форм жизни.

Морфогенез как последовательность кинетических фазовых переходов изменения симметрий содержит информацию о предшествующих этапах эволюции. Все эти факты и положены в основу построения модели морфогенеза, математической теории самоорганизации от первичного бульона до простейших живых систем. Действия нейронных цепей (например, в коре головного мозга) также управляются взаимодействием между короткой активацией и дальнодействующим ингибированием, только активаторами и ингибиторами являются нейроны. Вероятно, что эта аналогия не случайна. Усложнение модели нейронных цепей должно пойти по пути введения необратимого накопления информации, то есть образования долговременной памяти или, в более широком смысле, процесса обучения и его связи с возникновением определенных химических структур в мозге.

Гениальность В.И. Вернадского как основателя учения о биосфере – естественнонаучной основы концепции ноосферы – в том и состоит, что он впервые понял и всей совокупностью научных знаний глубоко обосновал единство человека и биосферы. Это величайшее открытие В.И. Вернадского по своим социальным последствиям относится к вершинам мирового естествознания, к непреходящим завоеваниям современной и будущей человеческой цивилизации. Без него не может быть создана – и не может быть теперь понята – сущность концепции ноосферы.  Предугаданное В.И. Вернадским наступление эпохи научно- технической революции в ХХ в. стало рождением новой эры человечества – ноосферы. И с первой основной предпосылкой перехода биосферы в качественно новое эволюционное состояние, «максимальной силой создания ноосферы», по В.И. Вернадскому, служит научная мысль. Материальным ее выражением в преобразуемой человеком биосфере является труд. Единство мысли и труда, труда и мысли создает новую социальную сущность человека, предопределяет переход биосферы в ноосферу.  Вместе с единством человечества, научной мыслью, ростом активности народных масс важнейшими предпосылками возникновения ноосферы и условиями ее существования, по В.И. Вернадскому, служит объединяющая морально-этическая основа и отсутствие разрушительных войн. Мир между народами в условиях перехода биосферы в ноосферу- один из главных определяющих факторов построения ноосферы в историческом периоде жизни нескольких поколений. Всю деятельность человечества в создании ноосферы должна направлять объединяющая гуманистическая идея как проявление высшей целесообразной деятельности людей на благо и всего общества, и отдельной человеческой личности. В ноосфере, отмечал В.И. Вернадский, высшей социальной ценностью становится развитие свободной человеческой личности.  На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы о возможности использования ноосферной концепции В.И. Вернадского в качестве основы для разработки фундаментальной теории:  1. Естественнонаучным фундаментом концепции ноосферы служит созданное В.И. Вернадским учение о биосфере как целостной планетарной оболочке, получившее мировое признание и интенсивно развивающееся в настоящее время.  2. Концепция ноосферы отражает новый, объективно происходящий в мире, стихийный процесс перехода биосферы в новое эволюционное состояние – ноосферу под влияниемсоциальной научной мысли и труда человечества. Этот процесс, относящийся к началу эпохи НТР, предопределен возникновением и резким ускорением научно-технического прогресса в ХХ веке на большей части Земли.  3. Главным социальным двигателем перехода биосферы в ноосферу в современный период, согласно предвидениям В.И. Вернадского, служит резко возросшая творческая активность народных масс, стремление их к получению максимального научного знания, участия в общественной жизни и управления государством.  4. Единственной жизнеспособной социально-экономической и политической основой построения ноосферы является, по В.И. Вернадскому, научный социализм.  5. Концепция ноосферыраскрывает оптимальные пути взаимодействия общества и природы.  6. Реальное построениеоснов ноосферы в исторический период зрелого социализма, исходя из сути ноосферной концепции, возможно посредством перехода экономики на путь интенсивного развития, усиления прикладного значения науки, формирования нового типа научного управления.  7. Понятие о ноосфере в качестве высшей социальгой ценности ставит развитие свободной личности в гармоничной окружающей среде. Тем самым концепция ноосферы отвечает идеалам гуманизма.  8. Концепция ноосферы в качестве основополагающего условия ее создания и проявления выдвигает отсутствие разрушительных войн между народами.  Основатель общего учения о биосфере В.И. Вернадский неоднократно подчеркивал, общежитейские понятия «природы» могут отвечать либо части, либо всей биосфере Земли. Другой «природы», кроме биосферы – планетарной оболочки, развивающейся под воздействием живого вещества, реально не существует.  Природная составляющая ноосферного комплекса – это биосфера в целом и ее отдельные экологические регионы (экосистемы и их сочетания). Биосфера здесь выступает в трех главных сущностях: 1) колыбель человека разумного, неустранимая основа его физического и духовного обогащения,  2) материальный носитель всех без исключения хозяйственных и социальных преобразований общества, 3) единственный из ныне известных источников всех природных ресурсов. Следовательно, биосфера служит реальным пространством – временем, вмещающим весь процесс общественно-исторического развития. В познании законов эволюции биосферы и ее организованности лежит ключ к действительно разумному преобразованию ее трудом и социальной мыслью человека, к построению ноосферы. 

Современное человечество располагает таким огромным объемом знаний о мире, использует в своей деятельности такие мощные средства и методы познания, о которых и мечтать не могли прошлые поколения. Но главное все же в том, что во второй половине ХХ века впервые в истории возникла проблема опасных для человека изменений окружающей среды.  Жизнь, живое вещество, и до появления человечества на Земле активно преобразовывала ее оболочку. Известковые горы – остатки бесчисленного множества раковин. Залежи угля, насчитывающие миллиарды тонн ископаемых остатков растений, тоже результат жизнедеятельности организмов. Но никогда еще в прошлом деятельность живых существ не угрожала … самой жизни. Сегодня биосфера явилась источником процессов, угрожающих ее собственному существованию. Природопреобразующая деятельность человечествастала для планеты сопоставимойпо масштабам воздействия на ее оболочку с такими природными факторами, как геологические процессы, эволюция животного и растительного мира и тому подобными. Люди извлекают из недр Земли и перерабатывают уже не сотни тысяч, а миллиарды тонн полезных ископаемых, но значительная часть добытых богатств в конце концов превращается в отходы человеческой деятельности, все сильнее загрязняющие природную среду – атмосферу, гидросферу, поверхность суши. Гигантские рельефы и шахты, отвалы и терриконы, дороги и заселяемые территории преобразили облик планеты. Каждый год с лица Земли исчезают десятки видов растений, насекомых, животных, тысячи гектаров зеленых лесов, поставляющих кислород, необходимый всему живому. Так возникла и продолжает обостряться проблема экологии – сохранения окружающей среды в необходимом для существования человека виде.  Человечество вышло в околоземный и отдаленный космос. Околоземное пространство уже нельзя себе представить без десятков летающих спутников, космических лабораторий, зондов. Радиосигналы, посылаемые землянами с помощью мощных передатчиков, обнаруживаются на огромных расстояниях от Земли. Космические аппараты достигают окрестностей самых удаленных от Солнца планет. Все это внесло пока не очень заметные, но уже неустранимые изменения в космическое пространство. Деятельность человека стала космопланетарным фактором.  Еще сравнительно недавно люди не задумывались о собственном влиянии на окружающий мир: слишком малыми казались эти воздействия. Даже в первой половине ХХ века человечество продолжало противопоставлять себя природе. Да при этом, признавалось, что человек – часть природы, ее порождение, но такая, которая должна господствовать над всей остальной природой. Не ждать милостей от природы, а брать нужное силой, побеждать окружающий мир – какими привычными были эти слова! Но власть на Землей не только заманчива: она возлагает на того, кто взял ее в своируки, огромную ответственность. Вот об этой ответственности и забыло человечество, полагавшее, что ресурсы природы бесконечны. Оказалось, что не бесконечны.  Понимание того, как, в сущности, мала Земля, насколько близки к исчерпанию невозобновляемые запасы многих минералов, пришло совсем недавно. Ощутимой стала угроза нехватки запасов нефти. Исчезли с лика Земли необжитые пространства, удобные для расширения сельского хозяйства. Стало ясно, что даже простой чистой пресной воды на планете не так уж имного.  Люди наконец стали понимать, что техническая деятельность человечества способна привести к таким последствиям, к таким изменениям Земли, в условиях которых жизнь на планете станет невозможной.  Экономика и развитие науки и техники способны решить современные глобальные проблемы человечества, в том числе и проблему экологического кризиса. 

Вопросы для обсуждения:

1. Что включает В. И. Вернадский в понятие биосферы?

1. На каких принципах основывается учение Вернадского о биосфере?

2. Как осуществляется переход от биосферы к ноосфере?

3. Что изучает экология?

4. Какими являются основные выводы экологии?

2. Расскажите об основных трофических (пищевых) связях в экосистемах.

3. Почему солнечная энергия служит источником функционирования и развития экосистем? Обоснуйте свой ответ.

5. В чем состоят основные положения принципа равновесия?

4. Как связана деятельность общества с функционированием экосистем?

10. Почему В. И. Вернадский сравнивает деятельность разума человека с геологической силой? Что служит наименьшей единицей в экологии?

11. Каковы основные этапы в развитии биосферы?

12. Что является вершиной развития биосферы?

13. Какова специфика человека как феномена природы?

Вопросы для самостоятельной работы:

1.На чем основано применение математики в системных исследованиях?

2.В чем состоят преимущества системного метода исследования?

3.Можно ли применить системный метод к отдельному предмету?

4.Можно ли построить универсальную теорию систем? Обоснуйте ответ.

5.Чем отличается системный подход от редукционизма и холизма?

6.Какое мировоззренческое значение имеет системный метод?

Список литературы:

Основная:

Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания: Учебник. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2007. — 540 с.

Найдыш В.М.Концепции современного естествознания : учебник / Найдыш Вячеслав Михайлович. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Альфа-М: ИНФРА-М, 2003. - 622 с. - Библиогр.: с.585-588. - Допущено МО РФ.

Иванов А.И.Концепции современного естествознания : учеб. пособие / Иванов Анатолий Иванович, Хоперсков Александр Валентинович. - Волгоград : ВолГУ, 2007. - 260 с. - Библиогр.: с. 253-257. - Допущено МО РФ.

Дополнительная:

 Концепции современного естествознания [Текст] : метод. указ. для студ. 3-го курса спец. "Социальная работа" и "Связи с общественностью" ОЗО / Федер. агентство по образованию, ГОУ ВПО "ВГПУ"; сост. Ю.П.Князев. - Волгоград : Изд-во ВГПУ "Перемена", 2007

Концепции современного естествознания: учебник /под ред. В.Н.Лавриненко, В.П.Ратникова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2009. – 319 с. – Рекоменд. МО РФ, Рекоменд. УМО.

Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: учебник. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2009. – 304 с.- Рекоменд. МО РФ, Рекомендовано УМО.

Рыбалов Л.Б. Концепции современного естествознания: учеб. пособие /Л.Б.Рыбалов, А.П.Садохин. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2010. – 416 с. – Рекоменд. УМО

Садохин А.П. Концепции современного естествознания: учебник. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2009. – 447 с. -Рекоменд. МО РФ, Рекоменд. УМО.