Природа фундаментальных открытий

В.И.Вернадский создал учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой  совокупная деятельность живых организмов — геохимический фактор планетарного масштаба и значения. Термин «биосфера», введенный (1875) Э.Зюссом, относился к совокупности организмов, обитающих на поверхности Земли. В понятие живых организмов Вернадский включил и человека. Он выделял в биосфере косное (солнечная энергия, горные породы, минералы и т.д.) и биокосное (почвы, поверхностные воды и органические вещества). Хотя живое вещество по массе и объему составляет незначительную часть биосферы, оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением нашей планеты.

 По  Вернадскому, биосфера — это  живое вещество планеты и преобразованное  им косное вещество. Понятие «биосфера»  — фундаментальное понятие биогеохимии,  а не биологическое и не  геологическое. Биосфера организует  процессы на Земле и около  Земли, в ней происходят биоэнергетические  процессы и обмен веществ вследствие  жизнедеятельности. Живой организм  — неотъемлемая часть земной  коры, могущая изменять ее. Живое  вещество — совокупность организмов, участвующих в геохимических  процессах. Организмы берут из  окружающей среды химические  элементы, строят из них тела, возвращают их в ту же среду  и в процессе жизни и после  своей смерти. Потому живое вещество  связывает биосферу воедино, является  системообразующим фактором. Изменения в живом веществе происходят существенно быстрее, чем в косном, поэтому в нем пользуются понятием исторического времени, а в косном — геологического. В ходе геологических времен растет мощь живого вещества и его воздействия на косное вещество, и только в живом веществе за эти времена происходят качественные изменения. И живое вещество, возможно, имеет свой процесс эволюции, вне зависимости от изменения среды.

Если  «жизненный цикл» отдельного организма  конечен и его существование  не беспредельно, то живое как целое  можно считать геологически бессмертным. Геологически жизнь вечна, поэтому если отдельный индивидуум со временем теряет возможность совершать работу и прекращает свое существование, то сам процесс жизни отличается непрерывным ростом возможности совершать внешнюю работу. Эту идею он выразил в трех принципах, которые назвал биогеохимическими:

1. — свободная (биогеохимическая) энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению;
2. — при эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают свободную энергию;
3. — заселение Земли должно быть максимально возможным в течение геологического времени.

Эти принципы выражают закон только живой природы  и не противоречат законам термодинамики. Весь поток живого вещества от самых  простейших до самых развитых форм, включая разум человека и общественный труд, является той формой движения материи, где действует закон  убывания энтропии, тогда как она  растет для неорганической материи. И эти два вида материи связаны  в единое целое. Закон возрастания  энтропии Вернадский успешно применял для объяснения космической эволюции Земли. А рождение биосферы рассматривал как планетарно-косми-ческую «особую точку» — качественный скачок, до которого на поверхности нашей планеты преобладали процессы неживой природы, а после которого стали преобладать процессы в живой природе. Под действием лучистой энергии возникает и необратимо развивается органическая жизнь.

Вернадский  считал, что жизнь на Земле возникла одновременно с формированием планеты: «Твари Земли являются созданием космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма». Среди множества закономерностей, имеющих место в биологии, геологии, биохимии и геохимии, Вернадский выделил основные эмпирические принципы.

1. Принцип целостности биосферы обеспечивается самосогласованностью всех процессов в биосфере. Жизнь ограничена узкими пределами — физическими константами, уровнями радиации и пр. Гравитационная постоянная определяет размеры звезд, температуру и давление в них. Если она станет меньше, звезды будут иметь меньшие массы, их температура станет недостаточной для протекания ядерных реакций; если чуть больше, звезды перейдут свою «критическую массу», выйдут из общего круговорота и превратятся в черные дыры. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет химические превращения, отвечает за электронную оболочку атомов и прочность связей в молекулах. Константа слабого взаимодействия, отвечающего за превращения элементарных частиц, при своем изменении «подорвет» весь наш мир. Константа сильного взаимодействия, отвечающего за стабильность ядер атомов, тоже не должна меняться, иначе в звездах реакции пойдут по-другому, могут не образоваться углерод и азот. Да и непонятно, возможна ли будет вообще жизнь нашего типа.
2. Принцип гармонии биосферы и ее организованности связан с предыдущим. Законы преобразования энергии на Земле, законы движения атомов есть отражение гармонии Космоса, ритмичности движения небесных тел. Основа существования биосферы — положение Земли в Космосе, наклон земной оси к эклиптике, определяющий климат и жизненные циклы всех организмов. Солнце — основной источник энергии биосферы и регулятор биологических процессов. Как отметил еще Ю. Р. Майер, «жизнь есть создание солнечного луча».
3. Космическая роль биосферы в трансформации энергии — можно рассматривать эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли. Биосфера является одним и тем же космическим аппаратом с самых древнейших геологических времен. Жизнь все это время оставалась постоянной, менялась только ее форма. Само живое вещество не является случайным созданием. Источники энергии геологических явлений — космическая, преимущественно солнечная; планетная, связанная со строением и космической историей Земли; внутренняя энергия материи — радиоактивность. Живое вещество активно трансформирует солнечную энергию в химическое молекулярное движение и в сложность биологических структур.
4. Растекание жизни — проявление ее геохимической энергии, аналог закона инерции неживой материи. Мелкие организмы размножаются быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.
5. Автотрофные организмы все нужное для жизни берут из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования зеленых автотрофных организмов определяется прежде всего областью проникновения солнечных лучей.
6. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере роста их количества.
7. Формы нахождения химических элементов: горные породы и минералы, магмы, рассеянные элементы, живое вещество. Земная кора — сложный механизм, где постоянно движутся атомы и молекулы, происходят разнообразные геохимические круговороты, определяемые в значительной мере деятельностью живого вещества. Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.
8. Жизнь на Земле полностью определяется полем устойчивости зеленой растительности. Пределы жизни определяются физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловлен лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый слой. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 432 °С (от -252 до +180 °С) является предельным тепловым щитом.
9. Принцип постоянства количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества (1,5-10¹⁸ кг и 10¹⁷—10¹⁸ кг). Скорость передачи жизни не может перейти пределы, нарушающие свойства газов. Идет борьба за нужный газ.

10. Всякая система достигает положения устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется нулю или приближается к нему, т. е. когда вся возможная в условиях системы работа произведена. Понятие устойчивого равновесия исключительно важно.

Антропный принцип, выдвинутый Г.М.Идлисом (1958), связан с первым из перечисленных здесь принципов Вернадского и состоит в точном соответствии значений мировых констант с возможностями существования жизни. Удивительная согласованность ряда величин производит впечатление, что может существовать скрытый принцип, упорядочивающий всю Вселенную. К этому факту обращались очень многие. Сейчас его формулируют в двух вариантах — слабом и сильном. Как выразился известный американский физик Дж. Дайсон: «Если мы приглядимся ко Вселенной и увидим, как много случайностей послужили нам во благо, то кажется почти, что Вселенная знала, что мы появимся». Это — одна из формулировок слабого принципа, в английской литературе — WAP. Но он не отвечает на многие вопросы, например, почему Вселенная такова, что допустила зарождение жизни. А, может, не нужно создавать теорий, которые не допускают существование наблюдателя? Сильный принцип — возникновение жизни закономерно во Вселенной, но, может, появление наблюдателя и есть цель эволюции Вселенной?

Геологическую роль живого Вернадский классифицировал  по пяти категориям: энергетическая, концентрационная, деструктивная, средообразующая, транспортная. Живые организмы творят миграцию химических элементов в биосфере посредством своего дыхания, питания, обмена веществ, непрерывной сменой поколений. Биогеохимическая энергия живого является источником энергии преобразования геосфер.

2.3  Задачи  управления и регулирования

Управление  и регулирование – близкие  понятия, однако, между ними есть определенная разница. Управление – функция организованных систем, обеспечивающая выполнение следующих  задач:

· сохранение определенной структуры системы;

· поддержание  режима деятельности системы;

· реализацию цели деятельности системы по определенному  правилу (алгоритму).

Эти задачи решаются с помощью регулирования.

Регулирование – функция управляющих систем, обеспечивающая выполнение таких задач, как:

· поддержание  постоянства регулируемой величины на некотором определенном уровне;

· изменение  регулируемой величины по заданному  закону (программное регулирование);

· изменение  регулируемой величины в соответствии с ходом некоторого внешнего процесса (следящее регулирование).

В целом  регулирование направлено на поддержание  гомеостазиса – относительно динамического  постоянства характеристик внутренней среды организма.

Гомеостазис обусловлен способностью живых систем вырабатывать реакции в ответ  на изменение параметров внешней  среды, которые исключают или  сводят к минимуму последствия этих изменений.

Задачи  управления в живой системе, таким  образом, состоят в том, чтобы  как можно эффективнее отвечать на изменения, происходящие во внешней  и внутренней ее среде, то есть нейтрализовать возмущающие воздействия на систему. Живая система решает задачу управления путем своевременной перестройки  своей структуры в соответствии с изменившимися условиями. Иными  словами, процесс управления является процессом упорядочения системы  в соответствии с изменениями  во внешней и внутренней среде  с целью противодействия факторам дезорганизации. Этот процесс осуществляется с помощью элементов, входящих в  состав самой системы.

В живых  системах управляющие факторы воздействуют на систему не извне, а возникают  в ней самой. Поэтому управление в живых системах является самоуправлением, процессы регулирования – процессами саморегулирования, а сами живые  системы являются самоорганизующимися  системами. Здесь уместно дать еще  одно определение самоорганизации.

Самоорганизация – процесс, в ходе которого создается, поддерживается или совершенствуется организация сложной системы. Свойства самоорганизации присущи всем живым  системам: клеткам, организмам, популяциям, биогеоценозам. Процессы самоорганизации  происходят за счет перестройки существующих и образования новых связей между  элементами системы. В самоорганизующихся системах приспособление к изменяющимся условиям или улучшение процесса управления достигается изменением структуры системы управления: включением или отключением элементов системы, изменением связей между элементами и их подчиненностью, изменением алгоритмов управления.

Уровни  управления. В организме существует несколько уровней управления.

Внутриклеточный механизм регуляции осуществляет биохимическую  регуляцию в соответствии с генетической информацией, которая содержится на молекулярном уровне.

Механизм  тканевой регуляции– более высокий  уровень регуляции, чем клеточный. Ткани взаимодействуют в рамках организма путем обмена определенными  химическими веществами. Регулирует это взаимодействие еще один, более  высокий уровень – железы внутренней секреции. Они вырабатывают гормоны, циркулирующие в крови, которые  управляют организмом как целым.

Высший  уровень регуляции – центральная  нервная система, которая присутствует у всех много клеточных организмов. Она воздействует на все другие уровни регуляции.

Управление  организмом имеет многоуровневый «иерархический»  характер. На каждом уровне управление направлено на решение задач, присущих этому уровню. Чем выше уровень, тем  более общие для системы задачи на нем решаются. Главная же цель, общая для живой системы в  целом ставится и решается на высшем уровне управления. Цели и задачи нижележащих  уровней носят вспомогательную  роль по отношению к общей цели.

Основой для процессов управления и регуляции  является обмен информацией благодаря  наличию информационных связей. Рассмотрим подробнее информационные связи  внутри организма.

    Гормональная связь. Гормон, то есть химический сигнал, по кровотоку посылает во все части организма, но только в определенные органы, способные принять данный сигнал, реагируют на него как приемники.

Нервные связи (только у многоклеточных организмов). Информационным параметром нервных  связей служит частота следования импульсов. Частота импульсов увеличивается  при росте интенсивности стимула.

Генетическая  связь. Источником сообщения в этом случае является молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Функционирование этой связи  будет рассмотрено позже.

Таким образом, процесс управления в информационном смысле носит антиэнтропийный характер: получая информацию об окружающей среде, живая система уменьшает информационную энтропию внутри себя, использует получаемую информацию для поддержания своей  организованности.

2.4 Цели  и специфика управления в живых  системах

Цели  управления в живых системах чрезвычайно  разнообразны. В любой системе  цель управления в общем виде заключается  в достижении системой множества  полезных для нее свойств при  разнообразных внешних воздействиях. Здесь рассматриваются живые, биологические системы. Биологической системой, которой присущи все свойства живого и все задачи управления, является организм, в том числе одноклеточный. Клетка, хотя и самоуправляемая, не является автономной системой, так как регуляция в клетке подчинена организму.

Важной  стороной управления в живых системах является наличие обратных связей. Принцип обратных связей является одним  из основных принципов самоуправления, саморегуляции и самоорганизации. Без наличия обратных связей процесс самоуправления невозможен. С помощью обратных связей сами отклонения объекта от заданного состояния формируют управляющие воздействия, которые приводят состояние объекта в заданное. Иными словами, обратная связь – это обратное воздействие результатов процесса на его протекание. Обратная связь может быть положительной и отрицательной.