А. Д. Арманд эксперимент «гея»
Скачать 1.76 Mb.
|
10. Обмен веществ и энергии Встречая старого приятеля, мы говорим: ты совсем не изменился. Нет ничего более ошибочного. Через два года после предыдущей встречи (иногда называют цифру — через 4 года, но какая разница) от нашего приятеля не осталось ни одного прежнего атома. Он полностью заменил свое содержимое. Ежедневно, ежеминутно происходит обновление вещества, слагающего живые организмы, новыми молекулами, синтезированными из продуктов питания. В человеке, в животном, в растении вещества задерживаются не дольше, чем пылинки в вихре смерча — если брать сравнимые сроки жизни. Сохраняется нечто эфемерное — порядок расположения атомов, информация. Исчезает Чеширский кот (из сказки о Зазеркалье), остается его улыбка. Заменяются все старые дома вдоль улицы, а улица столетиями сохраняет свою форму, направление и название. Не наше дело сейчас разбирать, каким образом это происходит, но всякое творение природы, если оно претендует на звание живого, обязано обладать этим свойством. И Земля в том числе. Значение обмена трудно переоценить. С одной стороны. молекулы, клетки, ткани — стареют, ломаются, умирают, нейтрализуются вредными добавками. Их надо заменять. Организм — как промышленное предприятие. Оно намного удлиняет срок своего существования тем, что заменяет выбывающих по мере старения работников другими, выполняющими те же функции. Иначе не было бы у нас заводов, фабрик, институтов, работающих дольше 25–30 лет. Обидно было бы ограничить и срок человеческой жизни одним поколением органических молекул — двумя, пусть даже четырьмя, годами. С другой стороны, круговорот связывает в одно целое организм и его среду, заставляя обоих непрерывно меняться, подстраиваясь друг к другу. Не это ли непрерывное взаимное подтягивание составляет существо биологической эволюции? То есть уже не только биологической, а эволюции всего комплекса тел биосферы. Если отдельный организм связан обменом со своей небольшой абиотической нишей, то все живое вещество планеты в целом ведет за собой верхние сферы земного шара — атмо-, гидро-, педо-, и добрую часть литосферы. Если бы вещества в ходе обмена где-то накапливались, в организмах ли или в их среде, то рано или поздно запас необходимого сырья иссяк бы и метаболизм на этом был бы вынужден остановиться. Обмен, круговорот биогенных веществ, позволяет сделать его практически вечным. Тонкая регулировка скорости прохождения по кругу углерода, азота, фосфора, калия, кальция, серы и других элементов обеспечивает бесперебойную работу биосферной машины. Циклы эти не полностью замкнуты. Постоянно атмосфера теряет некоторую долю легких элементов, отдавая их в космическое пространство. Значительная часть органики захоранивается в недрах земли в форме почвенного гумуса, торфа, лигнитов, битумов. Двуокись углерода растворяется в водах океана, а известняковые отложения служат накопителями органического кальция. Эти потери в подавляющем боьшинстве компенсируются выбросами вулканических газов, тектоническими поднятиями, обнажающими свежие горизонты горных пород. Наоборот, избыток минеральных солей, сносимых реками суши в мировой океан, регулируется процессами осаждения этих веществ и погребения в донных отложениях, прежде всего мелких лагун и заливов. В результате соленость морских вод строго поддерживается на одном уровне — 0,034%. Накопители веществ — океан, почвы — важный элемент устойчивости биосферных циклов. Они выполняют роль буферных емкостей, банков-накопителей ресурсов, выдаваемых по мере необходимости тому или другому пользователю. Но решающая роль в поддержании нейтрального баланса веществ и, соответственно, устойчивого развития биосферы принадлежит биологическому круговороту, биосферному метаболизму. Похоже, можно не обсуждать дальше вопрос о том, обладает ли система «Земля+биота» свойствами живого в отношении обмена веществ. Но как быть с «Землей без биоты»? Известен ряд процесов, по своей сути аналогичных биологическому обмену веществ, но совершающихся преимущественно в неорганических телах планеты. В первую очередь надо вспомнить круговорот воды в природе, о котором мы узнаем в первых классах щколы. Его общеземная функция (насколько здесь можно говорить о функциях) — та же, что у биотического круговорота: бесконечно обновлять содержимое водоемов, поддерживая все прочие земные процессы: денудацию гор и возвышенностей, самоочищение суши, озер и океанов, питание жизни. Циклический характер имеет, по-видимому, конвективное движение литосферных масс в пределах мантии земного глобуса. Круговоротом атмосферы связыаются полярные шапки Земли с тропиками, умеряя контрасты температур, связывается северное полушарие с южным. То же можно сказать о морских течениях. Эти обменные процессы, как и в живых организмах, часто носят ритмический характер. Они регулируются системой обратных связей, калибровочными отверстиями «узких мест» (Берингов пролив, порог Уайвиля), полупроницаемыми контактами между геосферами и ландшафтами (экотонами). Эволюция Земли в течение длительных геологических эпох тонко отрегулиролвала все эти механизмы, благодаря которым только и может существовать на нашей планете жизнь. Нам предстоит решить, случилось ли это в результате мало понятной стихийной самоорганизации или столь же мало понятного осмысленного управления земными процессами? Творческому гению человечества до сих пор не удалось обеспечить длительное безаварийное функционирование хотя бы такой простой системы как водопровод. Не следует ли отдать решение проблемы водопровода слепой самоорганизации? 11. Против течения На переходе от XIX к XX веку ученый мир с внутренней дрожью осваивал мысль о термодинамической несимметрии нашего мира и вытекающей из него перспективы тепловой смерти Вселенной. Наука второй половины нашего, уходящего столетия бурно восприняла идею о том, что жизнь второму началу термодинамики не подчиняется. Тут правит бал не рассеяние, а концентрация свободной энергии, не распад, а самопроизвольное усложнение структур, превращение солнечного света не в тепловую толчею молекул, а в стройные цепочки углеводородов. Эта «загадка жизни» стала приниматься за один из главных отличительных признаков живого вещества от косной материи. В действительности противоречия между развитием жизни и термодинамикой нет. Травинка, накопившая в своем стебле несколько калорий, принесенных ей солнечными лучами, должна была для этого превратить в тепло и отправить в пространство несравненно большее количество энергии. Закон оплаты всякой работы энергетической валютой по неэквивалентному, завышенному курсу безупречно выполняется во всяком живом организме. Проблема в другом — откуда берется порядок, которого раньше не было. Здесь уже как будто действительно возникает движение против градиента, градиента хаотизации, к порядку. Эту проблему попытался решить Эрвин Шрёдингер (Шрёдингер, 1947), объявив, что живые организмы питаются негэнтропией. То есть порядком, уже раньше существовавшим в окружающем мире, только в другой форме. По его мысли количество порядка в мире не увеличивается, он только перекодируется из одной формы в другую. Высокоорганизованная лучистая энергия — это порядок. Энергия химических связей — это порядок. В своих хлоропластах зеленое растение просто превращает негэнтропию электромагнитных волн в негэнтропию связанных в молекулы атомов. Как зеленый лист растения узнает, какие именно цепочки углеводородов ему нужны? Тут еще много непонятного, но принцип матричного копирования — по образцам — снимает с фотосинтеза флер «чуда». Генетический код предоставляет шаблон для построения любого количества идентичных молекул. В том случае, если организм не солнечный свет и углекислоту атмосферы перерабатывает в собственные ткани, а поедает уже готовые органические молекулы, растения или животных, — он получает нужный ему порядок, расщепив готовый материал для последующего синтеза по своим образцам. Уильямом Эшби (Эшби, 1959) был сформулирован закон убывания разнообразия, который считали информационным аналогом второго начала термодинамики. Он постулировал, что в закрытой динамической системе разнообразие состояний элементов системы может только уменьшаться. Другими словами, накладывался запрет на рост информации в системе. Изменения противоположной направленности допускались лишь в случаях вмешательства внешних факторов, т.е. для открытых систем. В своей строгой формулировке, очевидно, закон сохраняет свою силу и сейчас. Но в реальной жизни мы не можем назвать ни одной полностью изолированной от внешней среды системы. Для человека, для банка данных можно искусственно перекрыть все каналы внешней информации, например, поместив человека в тюремную камеру, на необитаемый остров, положив папку с информацией в сейф. Но средств изоляции от всего спектра энергетических воздействий мы не знаем. Даже Вселенная по современным геофизическим представлениям не может считаться замкнутой в самой себе. Каждая система существует в потоке энергии, а значит ничто не препятствует возникновению процессов саморегулирования и самоорганизации, способных не только упростить, но и усложнить возникшую ранее структуру. Обнаружение способности материальных систем к самоорганизации (Хакен, 1980, Пригожин и Стенгерс, 1986) было научной сенсацией. Хаотическое однообразие умершего Космоса перестало представляться единственным аттрактором — конечной устойчивой формой — нашего мира. В обратном направлении, как оказалось, способны развиваться диссипативные структуры. От хаоса к порядку. Была бы энергия, которую в обмен на порядок можно рассеять, «диссипировать». Управляет этим процессом эпизодически возникающая в природе нелинейная положительная обратная связь (Капица и др., 1997). Обратная связь работает, к примеру, когда кристаллики льда в переохлажденной воде превращают жидкость в твердое тело. От меньшего порядка к большему. Синергетика на языке уравнений формулирует условия, при которых возникает такая форма связи, но к объяснению природных феноменов самоорганизации это мало подвигает. Все происходит как бы по счастливой случайности. Например, начало аккреции — концентрации рассеянного вещества космического пространства к общему центру гравитации — объясняют волной, пришедшей от недалекого взрыва сверхновой звезды. Которого могло и не произойти. Но если произошло, то дальше все развитие протекает по законам физики и в согласии с принципами самоорганизации. Планета, комета, звезда проходит все необходимые фазы своей истории вплоть до «умирания» (Сорохтин, Ушаков, 1991, Арманд, 1999). Самоорганизация не предполагает разумного начала и, соответственно, цели. По существу энергетический поток может даже не проникать через некую оболочку извне, а в потенциальной форме храниться в самой системе и затем в некоторый момент «освободиться» для действия. Таким образом, например, никак не проявляющая себя гравитационная энергия межзвездного облака пыли и газов, пройдя точку неустойчивости, начинает совершать работу по формированию звезды. Энергия, если это не хаотическая энергия нагретых тел, как оказалось, сама несет в себе информационный заряд. При определенных условиях упорядоченность движения (свойство энергии) превращается в упорядоченность статических — небесных или земных — структур, в информацию. На этом, кажется, можно было бы поставить точку. И, одновременно, крест на идее о разумной эволюции. Но не будем торопиться. Бесспорный факт состоит в том, что на протяжении почти 5 миллиардов лет эволюция Земли продолжалась неуклонно в одном направлении — усложнения и упорядочения материи — без перерывов и возвратов, без глобальных кризисов, разрушавших все предыдущие достижения. Наоборот, геологическая эволюция дала толчок эволюции биологической и дальше они шли вместе. Биологическая эволюция передала эстафету развитию общества. Унаследованность этих процессов следует из того, что все они ведут биосферу все к большему разнообразию и порядку, против однообразия и хаоса. Самоорганизация не только не останавливается на каком-то из достигнутых этапов, но и позволяет Земле избегать последствий случайных или неслучайных ударов разрушительных сил из Космоса (падения астероидов, в срелнем — раз в 10–15 млн лет) или из земных недр (горообразование, тектонические перестройки материков). Избегает (точнее, избегала до сих пор) собственных разрушительных порождений, таких как наша техногенная цивилизация. Цивилизация — тоже диссипативная структура, мощная, пока неуправляемая, с огромным хаосогенным и созидательным потенциалом. Действительно, на первый взгляд победное шествие земных систем можно объяснить сменяющими друг друга процессами самоорганизации. Они начинают действовать на уровне объединения атомов в молекулы и кристаллы и кончают грандиозными социальными структурами надгосударственного и наднационального ранга. Но весь процесс в целом никак не укладывается в представление о случайном возникновении череды диссипативных структур. В этом случае по крайней мере половина из них должна бы была работать на разрушение ранее достигнутого порядка и единая направленность эволюции стала бы весьма проблематичной. Кто возьмется утверждать, что ряд последовательных извержений вулкана больше создает новых форм, чем разрушает старых, что налеты тропических циклонов на Флориду или Японские острова способствуют развитию жизни и культуры? В действительности нарастание порядка преобладает, происходит накопление согласованности деталей в нашем земном доме. Как мы видели (гл. 8), каждый предыдущий этап подготавлиает благоприятные услоия для успешного протекания следующего. Итак, жизнь на Земле действительно создает хранилища свободной энергии, спасая какую.то часть ее от перехода в наиболее вероятное рассеянное тепловое состояние. Но это не противоречит, как оказалось, второму началу термодинамики. Жизнь на Земле действительно увеличивает упорядоченность элементов и химических соединений в своих организмах. Но это не притиворечит закону Эшби. Порядок можно получить из окружающего мира, где он содержится в другой форме. Порядок можно повысить с помощью обратных связей, управляющих диссипативными структурами. Эти структуры работают как в мире живого, так и в абиотических системах. Во всех случаях жизнь движется по градиенту, следуя физическим законам и не отличаясь в этом принципиально от косного вещества. Разница только количественная, в сложности систем. Может быть, настоящее отличие начинается там, где отдельные циклы усовершенствований сплетаются в цепь эволюционного подъема по ступеням совершенства? — Да, уж тут, как будто, жизнь движется против градиента, указанного физическими законами. Против Марковского процесса, который реализуется, если в цепи каждый следующий шаг не зависит от предыдущего. Марковский процесс — это система без памяти, система случайных выборов. Но опять-таки отличия от неживых систем тут найти не удастся. Как мы установили в гл. 10, эволюционные последовательности, направленные в одну сторону, свойственны космическим телам, пусть в более примитивной форме, чем в истории земной жизни. Космос тоже движется против градиента. Как суслик к норе. Градиент задан в данном случае вероятностью случайного выбора.. Тут все возможные различия кончаются. Энтропийный критерий хаотизации-упорядочения не работает на разделение живых и неживых систем. Перед нами выбор: или признать земную жизнь всего лишь формой бездушного автомата, прошедшего, правда, долгий путь самоорганизации, или принять в семью живых образований звезды, планеты, включая и нашу родную. Для твердых в своих убеждениях отрицателей живой Земли остается еще одно решение: энтропия — негодный признак, не там ищете различия. Может быть, так и есть. Тогда пойдем дальше 12. Отбор естественный и не совсем естественный Если смена поколений — обычное явление в окружающем нас мире, то, может быть, и эволюция путем естественного отбора не составляет исключительную привилегию живой материи? Собственно говоря, кто может утверждать, что естественный отбор незнаком абиотическому миру? Наоборот, в «безжизненной» Вселенной отбор играет первую скрипку в становлении новых форм (Кудрин, 1998). Прежде всего, надо иметь разнообразие исходных единиц отбора, чтобы было из чего делать выбор. В биологии — это мутации, это комбинации наследственных признаков родителей, это перенос генетического материала посредством вирусов и плазмид. |
Похожие:
 | Программа курса «Социально-психологический эксперимент» для направления... Эксперимент в социологии не получил сколько-нибудь серьезного распространения. Даже в психологии мода на феноменологическое знание... | | Мысленный эксперимент в механике Мысленный эксперимент как метод научного познания заключается в получении нового или проверке имеющегося знания путем создания объектов... |
| Мысленный эксперимент в механике Но это совсем не значит, что в более ранний период развития науки мысленный эксперимент не существовал. Вспомнить хотя бы апории... | | Мысленный эксперимент в механике Галилея как воображаемые и говорил об их большой значимости в формировании естествознания нового времени. Но это совсем не значит,... |
| 2 Констатирующий эксперимент: организация и результаты диагностической... Дисциплина изучается один год, с недельной нагрузкой 6-8 часов. При изучении дисциплины используется учебник Математика. 10 класс:... | | Урок №16. Гея и селена Период обращения по орбите равен времени 365,256 кульминаций «среднего Солнца» или земных суток, которые равны ровно 24 часа. Период... |
| «Углеводороды» Учебный эксперимент при изучении кислород- и азотсодержащих органических соединений | | Подростковый суицид Учебный эксперимент при изучении кислород- и азотсодержащих органических соединений |
| Конспект к теме: «Отклоняющееся поведение» Учебный эксперимент при изучении кислород- и азотсодержащих органических соединений | | Получение и применение алкадиенов. Каучук. Цели Учебный эксперимент при изучении кислород- и азотсодержащих органических соединений |
| Календарно-тематическое планирование 10 класс /2 часа в неделю/. № п/п Различные естественнонаучные методы: наблюдение, измерение, эксперимент, моделирование |  | Эксперимент продолжается аннотация в книге обобщаются основные принципы и Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Л. н толстой Ход классного часа. I. Слово учителя Учебный эксперимент при изучении кислород- и азотсодержащих органических соединений | | Курс лекций (электронный учебник) Для студентов педагогических специальностей Учебный эксперимент при изучении кислород- и азотсодержащих органических соединений |
| Статья опубликована в журнале «Эксперимент и инновации в школе» Роль метода проектов в формировании личностных и метапредметных результатов средствами иностранного языка | | Мониторинг 14 июля 2014 г Правительство РФ может провести налоговый эксперимент на месторождениях в Югре и на Ямале. Дюков, Богданов и Алекперов уже на низком... |
