42. Самоорганизация в живой природе:

После установления статистического смысла второго начала термодинамики началось его применение в качестве основного принципа развития различных процессов в системах любой природы, в том числе, и биологических. Наметилось явное противоречие между эволюционной концепцией, в частности, теорией эволюции Дарвина, и идеей направленности природных процессов. Действительно, теория эволюции предполагает постоянное усложнение форм жизни, всё более высокий уровень её организации, в то время как второе начало термодинамики говорит о неизбежном росте энтропии и переходе к хаосу. Это кажущееся противоречие отпало с развитием нового, синергетического подхода не только к развитию биологических систем, но и к самому зарождению жизни, хотя полное и непротиворечивое описание этих процессов пока не найдено. Основная особенность живых систем состоит в том, что они являются открытыми, а в таких системах эволюция идёт не к равновесному состоянию, а к процессам самоорганизации. Один из аспектов проблемы зарождения и эволюции жизни с точки зрения синергетики состоит в том, что все возникавшие на Земле биологические системы (а также предбиологические) являются диссипативными структурами. Формированию каждой из них предшествовала некая точка бифуркации, в которой, как уже говорилось, развитие могло пойти по одному из нескольких путей. Существующие теории биологической эволюции на основе физико-химических законов объясняют, почему был выбран именно тот, а не иной путь. Самоорганизующаяся биологическая система в сильно неравновесном состоянии является существенно нелинейной (т.е. её реакция на изменения внешних воздействий не прямо пропорциональна этим изменениям). В соответствии с законами неравновесной термодинамики, сформулированными Пригожиным, в таких системах существует стремление к стационарному состоянию, характеризующемуся минимальным приращением энтропии. Это возможно, если отдача энтропии во внешнюю среду за единицу времени превысит производство энтропии внутри системы, что эквивалентно передаче среде отрицательной энтропии. Но это означает, что энергия от среды поступает в систему и идёт на её упорядочение, т.е. на поддержание диссипативных структур. Именно такой процесс послужил главным образующим фактором развития предживого в живое и дальнейшего развития жизни. Постоянное подведение энергии извне определило ход эволюции первичных предбиологических диссипативных систем и превращение их в биологические, способные к самовоспроизведению. Можно сказать, что биологическая система – это такая диссипативная структура, которая в определённых оптимальных условиях может производить регулировку поступающего количества энергии, необходимой для нормального функционирования и поддержания её целостности, за время, достаточное для репликации. Такая схема работала и при возникновении первичной клетки. В синергетическом подходе к развитию живых систем особо подчёркивается роль направления потока энергии и вещества, поступающих в систему, а также та пространственная область системы, через которую осуществляется поступление. Именно от этого направления зависят пространственно-временные характеристики образующихся диссипативных структур, а значит, и особенности организмов, в частности, формирование органных систем, симметрия и др. По словам современного биолога В.Ярового, «градиентом эволюционного изменения видов является направленное движение всё возрастающей плотности вещества и энергии в организме.»Понятно, что потоки вещества и энергии в организме прежде всего связаны с питанием, значит, именно развитие процесса питания является мощным фактором биологической эволюции. То же самое можно проследить на примере формирования новых упорядоченных структур в эмбриогенезе (развитии зародыша), тем более, что по современным представлениям эмбриогенез во многом повторяет эволюцию биологической жизни на Земле. Несколько упрощая процесс, можно выделить некоторые моменты самоорганизации, связанные именно с питанием, при эмбриогенезе человека. Спустя 4-5 дней после оплодотворения наступает стадия бластоцисты, «зародышевого пузырька», содержащего зародышевый узелок и его оболочки. Наружный слой клеток (бластомеров) называется трофобластом (от греч. τροφε – питание и βλαστοσ - росток). Из трофобласта развиваются хорион (наружная оболочка, играющая главную роль в питании зародыша), амнион (тонкая оболочка, покрывающая зародыш и имеющая защитную функцию) и желточный мешок (у человека существенной роли не играет). Это три из четырёх плодных оболочек. На ранних стадиях развития обмен веществами между зародышем и материнским организмом происходит через ворсинки трофобласта, однако, примерно через 5 недель ворсинки уже не могут справляться с этими функциями, поскольку требуется больший поток питательных веществ. Для поддержания стабильности система должна путём самоорганизации оптимизировать обмен ресурсами с окружающей средой, поэтому в области пуповины, где ворсинки трофобласта наиболее развиты и потоки вещества наиболее интенсивны, развивается четвёртая плодная оболочка – аллантоис. Он растёт в наружном направлении до соприкосновения с хорионом, образуя богатую сосудами структуру – хориоаллантоис, который впоследствии принимает участие в образовании плаценты. Плацента – обособленное дисковидное образование, главная структура в обмене веществами между матерью и плодом – образуется как новая упорядоченная структура в тот момент, когда потоки ресурсов достигают некоторого критического уровня. Этот уровневый порог контролируется генетической программой развития эмбриона.Экология – наука об отношениях растительных и животных организмов и образуемых ими биотических сообществ между собой и с окружающей средой. Термин «экология» введён в 1866 г. немецким учёным Э.Геккелем, который понимал экологию как физиологию взаимоотношений животных и внешней среды. С углублением и дифференциацией экологических исследований экология стала пониматься шире. В первой половине 20 в. как особые научные дисциплины формируются экология человека, социальная экология, изучающая взаимодействие общества с окружающей средой, а также многие частно-прикладные направления (радиационная экология и т.п.). Биосферу в экологии часто именуют экосферой, а составляющие её компоненты (организмы, популяции, сообщества) – экосистемами. Традиционно выделяются два направления – аутэкология, концентрирующая внимание на взаимоотношениях организма с популяцией и окружающей средой, и синэкология, которая занимается сообществами и средой. Как отмечают историки науки и сами учёные-экологи, в последние десятилетия акценты экологических исследований переместились от аутэкологии к синэкологии, причём как объект изучается и вся экосфера. При этом подчёркивается существенный вклад небиологических наук , особенно химии, физики, почвоведения, гидрологии и др. В последнее время в экологических исследованиях всё чаще применяются кибернетические подходы, теория систем и синергетика. Экологи и биологи используют синергетические схемы для описания динамики таких экологических систем, как популяции и колонии живых организмов, системы «хищник-жертва», «хозяин-паразит» и др.Отличительной особенностью эволюции экологических систем является их способность (при сочетании определённых внешних и внутренних факторов) как бы перескакивать с одного устойчивого состояния на другое, минуя промежуточные точки, т.е. способность постоянно поддерживать устойчивое неравновесное состояние. Знаменитый физик Э. Шредингер, изучавший также и феномен жизни, сказал, что «жизнь – это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается всё время». Средствами, при помощи которых экологическая система поддерживает себя на достаточном уровне упорядоченности (т.е. на достаточно низком уровне энтропии), являются энергия, вещество и информация, получаемые из внешней среды.Развитие экосистем называется сукцессией. Это последовательность сменяющих друг друга состояний экологической системы данного района. Сукцессия в энергетическом смысле связана со сдвигом потока энергии в сторону увеличения количества энергии, направленной на поддержание системы. Различия между развивающимися и зрелыми экосистемами выражаются, кроме всего прочего, в том, что существует обратная зависимость между возрастанием энтропии и информацией: у развивающейся системы возрастание энтропии быстрое, а усвоение информации низкое; в зрелой системе усваивается большое количество информации и энтропия возрастает очень медленно. Кроме того, развитие экосистемы в направлении повышения устойчивости идёт с возрастанием структурной сложности, из чего следует необходимость видового разнообразия в экосфере. В наши дни, когда структурная организация биосферы упрощается из-за исчезновения видов и других причин, реальной становится угроза деградации и гибели биосферы.