Естествознание (стр. 24 )

Общая схема эволюционного процесса как последовательности процессов самоорганизации сводится к следующему:

◊ относительно стабильное п-е состояние системы утрачивает устойчивость. В качестве причин, вызывающих потерю устойчивости, выступают временные изменения внутреннего состояния или наложенных краевых условий. Наиболее характерной причиной эволюционной неустойчивости является внезапное появление новой моды в движении, новой разновидности молекул в химии, нового вида в биологии. Этот новый элемент в рассматриваемой динамической системе приводит к потере устойчивости состояния системы, которое до появления нового элемента было устойчивым;

◊ неустойчивость, обусловленная новым элементом в системе, запускает динамический процесс, который приводит к дальнейшей самоорганизации системы, и система порождает новые упорядоченные структуры;

◊ по завершении процесса самоорганизации система переходит в эволюционное состояние (п +1). После n-го эволюционного цикла начинается новый (п +1)-й эволюционный цикл.

Характерно, что реальная эволюция никогда не заканчивается, она каким-то образом находит выход из любого тупика, и этим выходом является новый цикл самоорганизации.

Рис.4

Каждый парциальный (частный) эволюционный процесс переводит систему в новую, в определенном смысле более высокую эволюционную плоскость, а процесс в целом обладает спиральной структурой (рис. 4). Анализ действующих и определяющих последовательность состояний системы условий, сил и механизмов необходим для разработки теории эволюции. Окончательные ответы пока получить не удается.

Особое значение придается следующим факторам:

◊ способности к уменьшению энтропии путемобмена энергией и веществом с окружающей средой;

◊ неравновесному характеру системы, находящемуся на закритическом расстоянии от термодинамического равновесия;

◊ нелинейности (динамика системы существенно определяется эффектами, которые описываются уравнениями второго и более высокого порядка);

◊ способности к самовоспроизведению, т. е. к образованию относительно точных копий исходной системы или подсистем;

◊ конечности времени жизни системы, связанной с ней непрестанной смене поколений и процессу обновления;

◊ существованию нескольких устойчивых состояний системы, зависимости текущего состояния от предыстории, потенциальной способности к хранению информации;

◊ отбору систем и механизмов с благоприятными свойствами из большого числа возможных конкурентных процессов;

◊ стабильности системы при случайной ошибке в процессе репродукции как источнику новых структур, механизмов и информации;

◊ обработке информации, т. е. способности к ее созданию, хранению, воспроизведению и использованию;

◊ оптимизации и адаптации, способности подстраиваться к изменяющимся внешним условиям, существованию критериев оптимизации;

◊ морфогенезу, т. е. формообразованию системы и ее органов;

◊ образованию эталонов с тенденцией к увеличению многообразия и сложности;

◊ ветвлению, т. е. все более сильному расщеплению реального и в еще большей мере потенциального пути эволюции;

◊ сетевой структуре с тенденцией к образованию все более сложных соотношений и зависимостей между подсистемами;

◊ единству действия необходимых и случайных факторов;

◊ дифференциации, специализации и распределению функций подсистем;

◊ объединению систем путем соединения в целое все более возрастающей сложности и все большей потенции к действию;

◊ иерархическому строению систем, элементы которых вложены один в другой (существование параметров порядка);

◊ ускорению эволюции, т. е. постоянному нарастанию средней скорости эволюционного процесса вследствие механизмов обратной связи.

Особенности эволюционного процесса

Одна из существенных черт глобальной эволюции - подобие явлений в системах, на первый взгляд совершенно различных. Например, обнаружена аналогия качественных переходов при эволюционных процессах с фазовыми переходами в термодинамике. Проиллюстрировать это положение можно на примерах из физики и экологии (рис. 5 и 6). Пусть биологические виды занимают на определенной территории одну экологическую нишу. При появлении нового вида, который существенно лучше использует ту же нишу, наступает фаза перехода от сосуществования к полному вытеснению исходных видов (рис. 5, а, б). Отметим общие свойства такого рода процессов: состояния 1 и 2 разделены переходной областью конечной величины; в переходной области состояния (виды) отличимы друг от друга; симметрия относительно использования видами экологической ниши не должна нарушаться; скачкообразный переход может быть обойден, например, с помощью медленного улучшения селекционной ценности таксона 1 до ценности таксона 2. Аналогичными свойствами характеризуется и такой, например, термодинамический фазовый переход, как переход вода - пар. На рис. 11.4, в для сравнения представлен график изменения термодинамического потенциала -Ω = pV функции объема.

Рис.5

Другой существенный для эволюции процесс - специализация, дифференциация или распределение функций (рис. 6, а). Например, такой процесс реализуется, когда один вид использует две экологические ниши, но в ходе эволюции одна часть вида специализируется по отношению к одной нише, Другая часть - к другой, пока не образуются два различных вида. Поскольку при этом ресурсы обеих ниш используются с разделением функций, становится возможным быстрое улучшение приспособленности (рис. 6, б). В подобных случаях удается установить следующие свойства: переход происходит в определенной точке, отмечаемой прекращением образования смешанного потомства; с наступлением перехода нарушается симметрия использования ниш подвидами; в точке перехода оба состояния совпадают. Такой переход аналогичен кинетическому переходу, например, как в лазере (рис. 6, в).

Рис. 6

На рис. 7 отмечена еще одна существенная особенность процессов эволюции - ветвление. Наглядное описание этого свойства дает теория графов. Например, если вершинам графа поставить в соответствие виды некоего рода или класса, возникавшие в ходе эволюции жизни на Земле, и соединить ребрами (стрелками) виды, произошедшие друг от друга, то результатом будет особого вида ориентированный граф - древо эволюции. Оно обладает рядом специфических свойств: у такого древа всегда одно начало и в большинстве случаев несколько концов, соответствующих вымершим или ныне живущим видам; циклические последовательности предок — потомок наблюдаются лишь в исключительных случаях (например, у вирусов гриппа); у такого графа не существует сходящихся подграфов, поскольку по определению исключается перенос генетической информации между различными видами одного поколения, а происхождение одного вида от другого означает восприятие генетической информации.

Картина изменяется при переходе от видов к расам или подвидам. Если информационный обмен возможен, то возникают сходящиеся ветви, т. е. достигается существенный прогресс в эволюции. Разумеется, не случайно, что при этом возникают речевые структуры. Передача информации с помощью языка - существенный фактор высших ступеней эволюции. Возникновение и распространение естественных языков также может служить примером процесса эволюции. На древе эволюции естественных языков отмечено сильное ветвление.

Рис. 7

Таким образом, эволюционно-синергетическая парадигма отражает направленность развития мирового целого на повышение своей структурной организации. Вся история Вселенной - от момента сингулярности до возникновения человека и развития общества — предстает как единый эволюционный процесс на основе процессов самоорганизации. Важную роль в парадигме универсального эволюционизма играет идея отбора. Все новое возникает как результат отбора наиболее эффективных формообразований, неэффективные новообразования отбраковываются. В настоящее время эволюционно-синергетическая парадигма - важнейшая в естествознании. С одной стороны, она дает представление о мире как о целостности, позволяет видеть законы и явления в их единстве, а с другой - ориентирует естествознание на выявление конкретных закономерностей самоорганизации и эволюции материи на всех ее структурных уровнях.

Мир далеко еще не познан. Многие явления природы не получили научного объяснения и потому носят загадочный, таинственный характер. Так, не исследованы в достаточной мере явления в различных оболочках Земли (литосфере, атмосфере и т. д.), законы макроэволюции и многое другое. Но было бы наивно полагать, что естествознание может сразу решить все проблемы познания. Естествознание — не завершенное здание, а целенаправленная деятельность человечества. Поэтому можно полагать, что непознанное сегодня будет исследовано и объяснено в будущем, когда для этого сложатся соответствующие предпосылки.

5. Задания для итоговой аттестации по дисциплине «Естествознание»

Вариант 1

1 Дайте определение следующих понятий: фрактал, квазар, ковалентная

связь, система отсчета, гипотеза

2 Ответьте на следующие пять вопросов:

2.1 Какая особенность наблюдения порождает его недостатки?

2.2 Какие величины в физике называются нефизическими?

2.3 Какие функции выполняют информационная, транспортная и

высокомолекулярная РНК?

2.4 В каких системах выполняется второе начало термодинамики?

2.5 За счет чего светятся звезды?

3 Охарактеризуйте основные уровни организации живой материи.

4 Тестовые задания

4.1 Выбор между фридманскими моделями Вселенной зависит от:

a) средней плотности вещества во Вселенной;

b) наличия во Вселенной ионизированного гелия;

c) наличия во Вселенной ионизированного водорода;

d) нет правильного ответа.

4.2 Какой из ниже приведенных процессов, не относится к