Билет № 24 Системная теория эволюции, понятие эволюции в синергетике

Системная теория эволюции связывает развитие любой биологической системы с эволюцией систем более высокого порядка, в который она входит в качестве элемента. «Рассмотрение «сверху вниз», от биосферы к отдельным экосистемам, сообществам, популяциям, организмам, генам выявляет причинные связи между событиями, которые традиционный взгляд «снизу вверх» воспринимает как случайные. В принципе, системный подход может дать достаточно полное объяснение эволюционного процесса и поставить вопрос о его целях» (Красилов, 1992, с. 27).

До недавнего времени представление о целенаправленности в природе относили к области метафизики, а не позитивной науки. Ситуация изменилась с развитием теории неравновесных процессов. Дело в том, что в закрытых (изолированных) системах развитие происходит в соответствии с законом роста энтропии (вторым началом термодинамики), а в открытых (живых) системах стационарное состояние соответствует минимальному производству энтропии. Высшие организмы отличаются от низших в первую очередь меньшим производством энтропии – омер­твением живого вещества – в их популяциях.Систем. теория эволюции, понятие эв-ции в синергетике

Развитие любой биологической системы связано с эволюцией систем более высокого ранга, в которые она входит в качестве элемента. Эта теория получила названиеСистемной теории эволюции. Она предполагает рассмотрение взаимодействий «сверху -вниз»: от биосферы к экосистеме ðсообществам ðорганизмам и т.д. Такой подход позволяет выделить первичные связи, которые традиционный взгляд «снизу-вверх» воспринимает как случайные и незначительные. В мире, как мы знаем, постоянно идет процесс возникновения нового, эволюции и развития разного рода систем. Согласно эволюционной теории Дарвина, живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения всё новых видов растений и жи­вотных. Причем гибель или успех в ходе этого процесса борьбе за существование носят избирательный характер и в природе преимущественно выживают и оставляют потомство те особи, которые лучше приспособлены. («Выживает сильнейший» - принцип естественного отбора). Спрашивается, как исходя из этого объяснить эти явления с позиций синергетики. И возможно ли это? Оказывается возможно! Возникновение нового всегда кажется невероятным чудом. Ответить на вопрос, как это происодит синергетика решила совместно с новой неравновесной термодинамикой, теорией открытых систем. В частности в открытых неравновесных системах согласно теории Ильи Пригожина стационарное состояние соответствует минимальному производству энтропии. А процесс эволюции связан с процессом накопления свободной энергии и уменьшением энтропии. Кибернетическая система обладает устойчивостью при достаточном внутреннем разнообразии. Разный уровень порядка рождает новый, более высокий уровень в органическом мире и мы видим, как биологическое разнообразие организмов проявляется на молекулярно-кинетическом, популяционном, видовом и биоценотических уровнях. Эволюция - это вечная самоорганизация, поиск структурами своих оптимумов в меняющихся условиях. Сущность ее в синергетике - это вечная борьба хаоса и порядка, структурного и безструктурного во Вселенной. В этой борьбе может работать бифуркационный принцип (пример с волосатым слоном). Возникающие случайности могут привести систему к повышенной неравновесности - флуктуации, т.е. отклонениям от среднего значения - и как следствие могут возникать мутации, поддержанные окружающей средой. Возврат назад практически не возможен и мутации становятся материалом эволюции, двигая ее вперет в постоянное развитие.

Билет № 25 Концепция коэволюции, Гея-Земля. (по Горелову)

Критика дарвинизма велась со дня его возникновения. Одним не нравилось, что изменения, по Дарвину, могут идти во всех возможных направлениях и случайным образом. Концепция номогенеза утверждала, что изменения происходят не беспорядочно и случайно, а по законам форм. Русский ученый и революционер П. А. Кропоткин придерживался точки зрения, в соответствии с которой взаимопомощь является более важным фактором эволюции, чем борьба.

Эти возражения не могли поколебать общей теории эволюции вплоть до появления под влиянием экологических исследований концепции коэволюции, которая смогла объяснить возникновение полов и другие феномены. Как химическая эволюция — результат взаимодействия химических элементов, так по аналогии биологическая эволюция может рассматриваться как результат взаимодействия организмов. Случайно образовавшиеся более сложные формы увеличивают разнообразие и стало быть устойчивость экосистем. Удивительная согласованность всех видов жизни есть следствие коэволюции.

Концепция коэволюции хорошо объясняет эволюцию в системе «хищник — жертва» — постоянное совершенствование и того, и другого компонента системы. В системе «паразит — хозяин» естественный отбор должен вроде бы способствовать выживанию менее вирулентных (опасных для хозяина) паразитов и более резистентных (устойчивых к паразитам) хозяев. Постепенно паразит становится комменсалом, т. е. безопасным для хозяина, а затем они могут стать мутуалами — организмами, которые способствуют взаимному процветанию, как грибы и фотосинтезирующие бактерии, вместе образующие лишайники. Но так происходит не всегда. Паразиты являются неизбежной, обязательной частью каждой экосистемы. Коэволюционная «гонка вооружений» способствует большему разнообразию экосистем. Паразиты препятствуют уничтожению хозяевами других видов.

Совместная эволюция организмов хорошо видна на следующем примере. Простейшие жгутиковые, живущие в кишечнике термитов, выделяют фермент, без которого термиты не могли бы переваривать древесину и расщеплять ее до Сахаров. Встречая в природе симбиоз, мы можем предполагать, что его конечной стадией является образование более сложного организма. Травоядные животные могли развиться из симбиоза животных и микроскопических паразитов растений. Паразит уже обрел некогда способность производить ферменты для переваривания веществ, имевшихся в организме его хозяина-растения. Животное же делится с паразитом питательными веществами из растительной массы.

Концепция коэволюции объясняет и факты альтруизма у животных: заботу о детях, устранение агрессивности путем демонстрации «умиротворяющих поз», повиновение вожакам, взаимопомощь в трудных ситуациях и т. п.

Гипотеза Гея-Земли.

Эта гипотеза возникла в последние два десятилетия на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции. Авторами ее являются английский химик Джеймс Лавлок и американский микробиолог Линн Маргулис. Вначале была обнаружена химическая неравновесность атмосферы Земли, которая рассматривается как признак жизни. По мнению Лавлока, если жизнь представляет собой глобальную целостность, ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы планеты.

Лавлок ввел понятие геофизиологии, обозначающее системный подход к наукам о Земле. Согласно Гея-гипотезе, сохранение длительной химической неравновесности атмосферы Земли обусловлено совокупностью жизненных процессов на Земле. С начала жизни 3,5 млрд. лет назад существовал механизм биологической автоматической термостатики, в котором избыток двуокиси азота в атмосфере играл регулирующую роль, препятствуя тенденции потепления, связанной с возрастанием яркости солнечного света. Другими словами, действует механизм обратной связи.

Лавлок сконструировал модель, в соответствии с которой при изменении яркости потоков солнечного света растет разнообразие, ведущее к возрастанию способности регулировать температуру поверхности планеты, а также к росту биомассы.

Суть Гея-гипотезы: Земля является саморегулирующейся системой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата. По Лавлоку, мы — обитатели и часть квазиживой целостности, которая обладает способностью глобального гомеостаза, снисходительного к нарушениям, если она в хорошей форме, в пределах своей способности к саморегуляции. Когда подобная система попадает в состояние стресса, близкого к границам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое стабильное состояние или даже полностью уничтожить.

В то же время «Гея» превращает даже отбросы в необходимые элементы и, видимо, может выжить даже после ядерной катастрофы. Эволюция биосферы, по Лавлоку, может быть процессом, который выходит за рамки полного понимания, контроля и даже участия человека.

Подходя к Гея-гипотезе с биологических позиций, Л. Маргулис полагает, что жизнь на Земле представляет собой сеть взаимозависимых связей, позволяющих планете действовать как саморегулирующаяся и самопроизводящая система. В 60-х годах Маргулис предположила, что эукариотические клетки произошли в результате симбиотического союза простых прокариотических клеток, таких как бактерии.

Маргулис выдвинула гипотезу, что митохондрии (клеточные органеллы, которые производят энергию из кислорода и углеводов) произошли от аэробных бактерий; хлоропласты растений когда-то были фотосинтезирующими бактериями. По мнению Маргулис, симбиоз — образ жизни большинства организмов и один из наиболее созидательных факторов эволюции. Например, 90% растений существуют вместе с грибами, поскольку грибы, связанные с корнями растений, необходимы им для получения питательных веществ из почвы. Совместная жизнь приводит к появлению новых видов и признаков. Эндосимбиоз (внутренний симбиоз партнеров)—механизм усложнения строения многих организмов. Изучение ДНК простых организмов подтверждает, что сложные растения произошли из соединения простых. Схематически это можно представить следующим образом:

Такая симбиотическая коэволюция хорошо согласуется с данными синергетики, и ею можно объяснить образование колонии амеб под влиянием недостатка пищи и образование муравейника. В синтетических терминах это описывается так. Начальной «флуктуацией» является несколько большая концентрация комочков земли, которая рано или поздно возникает в какой-то точке области обитания термитов. Но каждый комочек пропитан гормоном, привлекающим других термитов. Флуктуация растет, и конечная площадь гнезда определяется радиусом действия гормона.

Так происходит переход от целесообразности на уровне организмов к целесообразности на уровне сообществ и жизни в целом — целесообразности в научном смысле слова, определяемой тем, что существуют не внешние по отношению к сообществам, а внутренние объективные надорганизменные механизмы эволюции, которые и изучает наука.

С точки зрения концепции коэволюции естественный отбор, который играл главную роль у Дарвина, является не «автором», а скорее «редактором» эволюции. Конечно, в этой сложной области исследований науку ждет еще немало важных открытий.