Синергетика биосферы


Все виды гомеостаза, наблюдаемого в живых организмах и экосистемах, не являются статическими, а достигаются за счет непрерывно протекающих процессов, активно препятствую­щих любой тенденции к нарушению этого постоянства. Устойчи­вость всего живого есть непрерывная борьба за существование. Ключевое положение в понимании законов развития окру­жающего мира приобретает теория открытых систем (синергетика).

Законы развития живой и косной материи описываются двумя противоположными теориями – это классическая термо­динамика и эволюционное учение Ч. Дарвина. Обе теории от­ражают единую физическую реальность, но соответствуют раз­личным ее проявлениям.

Согласно второму началу термодинамики, если рассматривать Вселенную как закрытую систему, она идет к своей не­избежной дезинтеграции, так как запас полезной энергии, при­водящей мировую машину в движение, рано или поздно будет исчерпан. Если запас полезной энергии в системе тает, то ее способность поддерживать организованные структуры ослабе­вает. Высокоорганизованные структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены слу­чайными элементами. Мера внутренней неупорядоченности системы - энтропия - растет. Второе начало термодинамики пред­сказывает все более однородное будущее окружающего мира.

Теория эволюции органического мира рассматривает биосфе­ру как открытую систему, находящуюся в неравновесном состоя­нии и обменивающуюся веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Временной ход развития биосферы отнюдь не приводит к понижению уровня организации и обеднению раз­нообразия форм организмов и образуемых ими сообществ; разви­тие живой материи идет от низших форм к высшим.

Обоснование совместимости второго начала термодинамики со способностью открытых систем к самоорганизации – одно из крупнейших достижений современной физики. Теория термо­динамики открытых систем переживает бурное развитие. Г. Хакен (1994) предложил назвать эту область исследований си­нергетикой (от греч. sinergos – совместный, согласованно действующий). Термодинамика открытых систем изучает суще­ственно неравновесные процессы. В их описании ключевую роль играет понятие возрастания энтропии системы за счет процессов, происходящих внутри нее. Открытые системы, в ко­торых наблюдается прирост энтропии, получили название диссипативных. Выдающаяся роль в развитии данного направ­ления принадлежит И.Р. Пригожину (1986, 1994).

Пригожин противопоставляет закономерности развития замкнутых детерминированных систем и открытых неустойчи­вых неравновесных, в которых малый сигнал на входе может вызвать сколь угодно сильный отклик на выходе. По Пригожи­ну, замкнутые системы составляют лишь малую долю физи­ческой Вселенной. Большинство же систем, в том числе все гео­графические и экологические системы, открыты. Они обмени­ваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Открытый характер большинства систем наводит на мысль, что реальность отнюдь не является ареной, на которой господствует порядок: главенствующую роль в окружающем нас мире играют неустойчивость и неравновесность.

Пригожин отмечает, что открытые системы непрерывно флуктуируют. Иногда отдельная флуктуация или их комбина­ция может стать (в результате положительной обратной связи) настолько сильной, что существовавшая прежде организация не выдерживает и разрушается. В этот переломный момент, в точке бифуркации, принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень организации.

Диссипативные системы для поддержания своего функцио­нирования требуют больше энергии, чем более простые струк­туры, на смену которым они приходят. При этом Пригожин подчеркивает возможность спонтанного возникновения по­рядка и организованности из беспорядка и хаоса в резуль­тате процесса самоорганизации.

Строение живой материи существенно отличается от строе­ния мертвой не только чрезвычайно сложной структурой, но и способностью отбирать из окружающей среды полезную энер­гию в количестве, необходимом для самосохранения и самораз­вития, что достигается путем создания таких элементов мате­рии, которые способны (Струминский, 1995):

· черпать свободную энергию из окружающего пространства в процессе их зарождения, развития и жизни;

· стремительно размножаться в питательной среде, вы­черпывая ее свободную энергию для парирования роста эн­тропии;

· образовывать новые элементы живой материи, используя пи­тательную среду для дополнительного парирования роста энтропии;

· в питательной среде сохранять информацию о структуре живых элементов, об их наследственности и т.п. за счет ис­пользования свободной энергии из окружающей среды.

Рассмотренные положения позволяют по-новому оценить механизмы устойчивости биосферы. Очевидно, что при су­ществующих космических и земных предпосылках живое вещество биосферы способно продолжать свое «давление» на внешние оболочки Земли и потенциал этого давления отнюдь не ослабевает. Антропогенный фактор, вызывающий де­струкцию биосферы, следует рассматривать как флуктуа­цию, вызванную популяционным взрывом, который по за­конам регулирования неизбежно будет элиминирован. Си­стема «общество – природа», следуя теории Пригожина, до­стигнув точки бифуркации, должна будет перестроиться. Однако распад старой системы отнюдь не будет означать ее хаотического состояния. Бифуркация - это импульс к разви­тию биосферы по новому, неведомому пути. Какое место займет в нем человеческое общество – это предмет специаль­ных исследований.

Всякое отклоне­ние от стационарного состояния вызы­вает такие процессы, которые возвра­щают систему в исходное состояние. В физической химии это положение обосновывается законами термодина­мики и носит название принципа тор­мозящего противодействия Ле-Шателье. Общая теория систем распрост­раняет его на любые системы, име­нуя обобщенным принципом Ле-Шателье: всякая система подвижного равновесия стремится измениться та­ким образом, чтобы эффект внешнего воздействия был минимальным.

Рассмотрим движущие силы, которые поддерживают био­сферу в устойчивом состоянии, - это динамика популяций, реализация разных жизненных стратегий организмов и зани­маемых ими экологических ниш, сукцессии сообществ, функ­ции живого вещества, биотические круговороты, соблюдение принципа экологической эквивалентности.