Закономерности развития биологических систем

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Как и всякая отрасль науки, экология имеет свои законы, которые характеризуют взаимоотношение, различных элементов экосистемы и, в конечном итоге, все процессы в биосфере. К сожалению, по сей день, не стало доминирующим и безусловным положение о том, что всё в Природе подчиняется единым законам. Поэтому ряд даже крупных учёных и специалистов противопоставляют законы экологии и законы других отраслей науки (физики, экономической науки и т. д.). Но ведь из такого постулата следует вывод: или данный закон действует вне законов Природы, а значит, и вне Природы, или Природа существует без этих выводов, громко названных законом. И вновь приходится возвращаться к важнейшему базису науки: самый гениальный учёный ничего не придумывает сам, но силой своего гения открывает для всех и обобщает то, что есть в Природе. С другой стороны, недопустимо смешивать всё в одну кучу. Необходимо понять и признать, что Природа и Жизнь чрезвычайно разнообразны и включают в себя отдельные направления знаний, каждое из которых есть часть единого и описывает законы тех или иных явлений и процессов, но не оторванных и изолированных от целого - Природы, а принадлежит ей.

Целью работы является рассмотрение закономерностей развития биологических систем.

Для достижения поставленной цели рассмотрим следующие вопросы:

- закон физико-химического единства живого вещества и биогеохимические принципы В.И. Вернадского;

- термодинамическое правило Вант-Гоффа - Аррениуса;

- закон экологической корреляции;

- закон внутреннего динамического равновесия;

- закон толерантности и функции отклика.

1. Закон физико-химического единства живого вещества и биогеохимические принципы В.И. Вернадского.

Создатель современного учения о биосфере В.И. Вернадский исходил из биогеохимической специфики этого образования. Он рассматривал биосферу как сложение трех веществ: живого, биокосного и косного. Живое вещество составляет все ныне живущие организмы планеты. Биокосное вещество -- сочетание живого и неживого, образующее то единство, в создании которого участвует живое совместно с не живым, например почва. Наконец, косное вещество -- любые неорганические, не биогенные составляющие Земли, “образуемые процессами, в которых живое вещество не участвует”.

Биохимическая концепция биосферы была дополнена экосистемной теорией, геофизическими и другими аспектами рассмотрения глобального целого. Однако понятие о живом веществе остается краеугольным камнем учения о биосфере и значительно позднее появившейся гипотезы “живой Земли” -- Геи.

Живое вещество характеризуется определенными свойствами: это огромная свободная энергия; химические реакции, протекающие в тысячи и даже миллионы раз быстрее, чем в других веществах планеты; специфические химические соединения -- белки, ферменты и другие соединения, устойчивые в составе живого; возможность произвольного движения -- рост или активное перемещение; стремление заполнить все окружающее пространство -- “давление жизни”; удивительное разнообразие форм, размеров, химических вариантов и т. п., значительно превышающее многие контрасты в неживом, косном веществе. Вместе с тем, все живое вещество физико-химически едино. И в этом состоит один из основных законов всего органического мира -- закон физико-химического единства живого вещества.

Такое единство связано с тем, что жизнь возникла как единый геохимический поток, отсеченный от всего остального мира асимметричностью молекул живого, их киральной чистотой (греч. xupa -- рука) -- наличие исключительно объектов, несовместимых со своим зеркальным изображением. Живое имеет одни и те же эволюционные корни, а поэтому характеризуется физико-химическим сродством. С момента возникновения живая материя по-разному реагировала на условия среды и с самого начала стали формироваться таксономические (таксономия: греч. taxis -- расположение по порядку + nomos -- закон) особенности систематических царств природы: прокариоты, грибы, растения и животные. Их эволюционные стволы разошлись очень рано, и эволюцию живого следует представлять не как ветвистое дерево, а как такой же куст. Все его побеги самостоятельны и отличаются от других, но в то же время происходят от одного начального корня и поэтому едины.

Это единство не исключает широкого различия реакций различных организмов на физические и химические воздействия. Однако нет такого вида живого, который аналогично не реагировал бы на эти воздействия. Разница в реакциях лишь количественная, а не качественная.

Количественно, по широкому спектру сочетаний различных свойств, живое глубоко специфично. Например, каждая особь млекопитающего индивидуально отличается от других по запаху: нет одинаково пахнущих индивидов ни среди людей, ни среди собак и кошек.

Имеется физическое и химическое различие между женским и мужским полом. Однако и нормы реакций и физико-химические свойства индивидов одного вида сходны; аналогичны они и в рамках всего живого вещества планеты.

Закон физико-химического единства живого вещества имеет принципиальное значение для человеческой практики. Из него следует, что нет такого физического или химического агента, который был бы гибелен для одних организмов и абсолютно безвреден для остальных. Разница лишь количественная: одни организмы более чувствительны, другие менее, одни в ходе отбора приспосабливаются быстрее, другие медленнее. При этом приспособление идет в ходе естественного отбора, то есть за счет гибели тех индивидов, что не смогли адаптироваться к новым условиям. Ясно, что стратегия химической борьбы с вредителями в свете закона физико-химического единства живого вещества изначально основывалась на принципиально неверных посылках. Нет, и не может быть пестицида, гибельного для вредителей полей и безвредного для людей (исключение -- быстроразлагающиеся ядохимикаты, которые не попадают в пищу человека).

2. Термодинамическое правило Вант-Гоффа - Аррениуса

Почти все химические реакции при повышении температуры идут быстрее. Зависимость скорости реакции от температуры описывается уравнением Аррениуса:

k = Ae-Ea/RT,

где k - константа скорости реакции, А - не зависящая от температуры константа (ее называют предэкспоненциальным множителем), Еа - энергия активации, R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура.

Зависимость скорости реакции от температуры определяют в соответствии с так называемым «правилом Вант-Гоффа», которое в 19 в. сформулировал голландский химик Якоб Вант-Гофф. Это чисто эмпирическое правило, т.е. правило, основанное не на теории, а выведенное из опытных данных. В соответствии с этим правилом, повышение температуры на 10° приводит к увеличению скорости в 2-4 раза. Математически эту зависимость можно выразить уравнением:

v2v1 = г (T2 - T1)/10,

где v1 и v2 - скорости реакции при температурах Т1 и Т2; величина г называется температурным коэффициентом реакции. Например, если г = 2, то при Т2 - Т1 = 50о v2/v1 = 25 = 32, т. е. реакция ускорилась в 32 раза, причем это ускорение никак не зависит от абсолютных величин Т1 и Т2, а только от их разности.

Однако из уравнения Аррениуса следует, что температурный коэффициент реакции зависит как от энергии активации, так и от абсолютной температуры. Для данной реакции с определенным значением Еа ускорение при повышении температуры на 10° будет тем больше, чем ниже температура. Это почти очевидно и без расчетов: повышение температуры от 0 до 10°С должно сказаться на скорости реакции значительно сильнее, чем такое же повышение температуры, например, от 500 до 510°С.

С другой стороны, для данного температурного интервала ускорение реакции будет тем сильнее, чем больше ее энергия активации. Так, если энергия активации реакции мала, то такая реакция идет очень быстро, и при повышении температуры на 10°С ее скорость почти не изменяется. Для таких реакций температурный коэффициент намного меньше 2. Для реакций же с большой энергией активации, которые при невысоких температурах идут медленно, ускорение при повышении температуры на 10°С может значительно превысить 4-кратное.

Например, реакция диоксида углерода со щелочным раствором с образованием гидрокарбонат-иона (СО2 + ОН = НСО3-) имеет энергию активации 38,2 кДж/моль, поэтому при повышении температуры, например, от 50 до 60°С, эта реакция ускорится всего в 1,5 раза. В то же время реакция распада этилбромида на этилен и бромоводород:

С2Н5Вr = С2Н4 + НВr

с энергией активации 218 кДж/моль ускорится при повышении температуры от 100 до 110oС в 6,3 раза (правда, в этом интервале температур реакция идет очень медленно). Кинетика реакции атомов водорода с этаном:

H + C2H6 = H2 + C2H5

была изучены в широком температурном интервале - от 300 до 1100 К (27-827° С). Для этой реакции Eа = 40,6 кДж/моль. Следовательно, повышение температуры на 10° вызовет увеличение скорости реакции в 1,7 раза в интервале 300-310 K и только в 1,04 раза в интервале 1090-1100 K. Так что при высоких температурах скорость этой реакции практически не зависит от температуры. А для реакции присоединения атома водорода к двойной связи:

H + C2H4 = C2H5

энергия активации мала (Eа = 3,4 кДж/моль, так что ее скорость слабо зависит от температуры в широком температурном интервале. И только при температурах намного ниже 0°С начинает сказываться наличие активационного барьера.

Правило Вант-Гоффа противоречит не только уравнению Аррениуса, но и многим экспериментальным данным.

Сейчас химики имеют возможность с помощью различных приборов экспериментально изучать и очень быстрые (идущие в микросекундной области), и очень медленные реакции, для которых температурный коэффициент может быть значительно меньше 2 или значительно больше 4. Поэтому правило Вант-Гоффа, которое, в отличие от уравнения Аррениуса, не имеет четкого физического смысла, представляет лишь чисто исторический интерес и в современной науке не используется. В подавляющем большинстве учебников и монографий по химической кинетике, а также в 5-томной Химической Энциклопедии это правило даже не упоминается. И, тем не менее, если изучаемая реакция идет с удобной для измерения скоростью, например, заканчивается за 30-40 мин, а энергия активации ее еще не измерена, то для предварительной грубой оценки зависимости скорости такой реакции от температуры можно использовать правило Вант-Гоффа. Поэтому это правило приводится во всех школьных учебниках химии.

3. Закон экологической корреляции

В экосистеме, как и в любой другой системе, все виды живого вещества и абиотические экологические компоненты функционально отвечают один другому. Выпадение одной части системы (вида) неминуемо приводит к выключению связанных с ею других частей экосистемы и функциональных изменений.

Научной общественности широко известны также четыре закона экологии американского ученого Б. Коммонера:

1) все связанное со всем;

2) все должно куда-то деваться;

3) природа «знает» лучше;

4) ничто не проходится напрасно (за все надо платить).

Как отмечает М. Реймерс, первый закон Б. Коммонера близкий по смыслу к закону внутреннего динамического равновесия, второй -- к этому же закону и закону развития естественной системы за счет окружающей среды, третий -- предостерегает нас от самоуверенности, четвертый -- снова затрагивает проблемы. Которые обобщают закон внутреннего динамического равновесия, законы константности и развития естественной системы. По четвертому закону Б. Коммонера мы должны возвращать природе то, что берем у нее, иначе катастрофа с течением времени неминуемая.

Следует вспомнить также важные экологические законы, сформулированные в работах известного американского эколога Д. Чираса в 1991--1993 гг. Он подчеркивает, что Природа существует вечно (с точки зрения человека) и сопротивляется деградации благодаря действию четырех экологических законов: 1) рецикличности или повторного многоразового использования важнейших веществ; 2) постоянного восстановления ресурсов; 3) консервативного потребления (если живые существа потребляют лишь то (и в таком количестве), что им необходимо, не больше и не меньше); 4) популяционного контроля (природа не допускает «взрывного» роста популяций, регулируя количественный состав того ли другого вида путем создания соответствующих условий для его существования и размножения). Важнейшей задачей экологии Д. Чирас считает изучение структуры и функций экосистем, их уравновешенности, или неуравновешенности, то есть причин стабильности и разбалансирования экосистем.

Таким образом, круг задач современной экологии очень широкий и охватывает практически все вопросы, которые затрагивают взаимоотношения человеческого общества и естественной среды, а также проблемы гармонизации этих отношений. Из сугубо биологической науки, которой была экология всего каких-то 30-40 лет тому, сегодня она стала многогранной комплексной наукой, главной целью которой есть разработка научных основ спасения человечества и среды его существование -- биосферы планеты, рационального природопользования и охраны природы. Ныне экологическим воспитанием охватываются все слои населения на планете. Познание законов гармонизации, красоты и рациональность природы поможет человечеству найти верные пути выхода из экологического кризиса. Изменяя и в дальнейшем естественные условия (общество не может жить иначе), люди будут вынуждены делать это обдуманно, взвешенно, предусматривая далекую перспективу и опираясь на знание основных экологических законов.

4. Закон внутреннего динамического равновесия

Закон внутреннего динамического равновесия: вещество, энергия и информация природных систем так взаимосвязаны, что любое изменение одного показателя вызывает количественные и качественные изменения других. Любое изменение природной среды приводит к появлению природных цепных реакций в сторону нейтрализации этих изменений либо появления новых систем. Искусственный рост эколого-экономического потенциала ограничен устойчивостью природных систем.

Н.Ф. Реймерс описал этот закон; устанавливающий, что энергия, вещество, информация и динамическое качество отдельных природных систем, включая экосистемы и биосферу в целом и их иерархии, взаимосвязаны и любое изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально структурные количественные и качественные перемены всех других показателей, сохраняя общую сумму качеств систем.

Вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных естественных систем, и их иерархии очень тесно связанные между собою, так что любое изменение одного из показателей неминуемое приводит к функционально-структурным изменениям других, но при этом сохраняются общие качества системы -- энергетические, информационные и динамические. Следствия действия этого закона обнаруживаются в том, что после любых изменений элементов естественной среды (вещественного состава, энергии, информации, скорости естественных процессов и т. п.) обязательно развиваются цепные реакции, которые стараются нейтрализовать эти изменения. Следует отметить, что незначительное изменение одного показателя может послужить причиной сильных отклонений в других и во всей экосистеме.

Изменения в больших экосистемах могут иметь необратимый характер, а любые локальные преобразования природы вызовут в биосфере планеты (то есть в глобальном масштабе) и в ее наибольших подразделах реакции ответа, которые предопределяют относительную неизменность эколого-экономического потенциала. Искусственное возрастание эколого-экономического потенциала ограниченное термодинамической стойкостью естественных систем.

5. Закон толерантности и функции отклика

Наряду с законом лимитирования в моделировании экологических систем часто применяется принцип совокупного действия факторов. Согласно этому принципу для существования любой системы необходима совокупность факторов, каждый из которых имеет некоторые пределы, в которых живая система может существовать. Таким образом, существует многомерная область параметров - величин этих факторов, допустимых для жизни живой системы - (организма, вида, биогеоценоза) - то есть тех значений факторов, к которым живая система толерантна.

Для исследования зависимости реакции экологической системы от тех или иных факторов в современной науке используют метод функций отклика. Этот метод широко применяется в инженерных науках, например, теории автоматического регулирования или теории планирования эксперимента. Его суть заключается в использовании информации об отклике системы на известные воздействия, для получения оператора перехода по схеме: воздействие реакция. В терминах теории сложных систем, динамика сложной открытой системы, каковой является экосистема, характеризуется описанием связи между входными и выходными сигналами.

Идея функций отклика восходит к работам немецкого агрохимика Митчерлиха, сформулированная в начале века как "закон физиологических взамосвязей" (1909, 1925). Митчерних утверждал, что величина урожая зависит от уровней всех фактров роста и тем самым, противопоставлял свой закон принципу минимума Либиха.

Американский ученый В. Шелфорд. сформулировал "закон толерантности", в 1913 г, утверждающий, что как недостаток, так и избыток любого внешнего фактора (для растения - азота, фосфора, света, углекислого газа и проч.) может быть вредным для биологического объекта (организма популяции). Доказательством этого служит факт, что функции отклика - зависимости количественных оценок тех или иных характеристик популяций от важнейших факторов внешней среды (содержания питательных веществ, температуры), которые имеют колоколообразную форму (рис. 1). Пределы, в которых может существовать живой организм, называют диапазоном толерантности. Тогда под лимитирующим фактором понимается тот, который приближается или выходит за пределы толерантности.

Рис. 1. Вид частных функций отклика скорости развития растения сои в период между всходами и бутонизацией: T - максимальная суточная температура воздуха (град. С), t - минимальная суточная температура воздуха, W - влажность почвы, L - продолжительность светового дня (час.)

В современной экологической литературе (Одум, 1975, 1986; Федоров, Гельманов, 1980; Левич и др., 1997) закон толерантности рассматривается как продолжение и расширение принципа Либиха. Лимитирующим при этом называют фактор, по которому для достижения заданного относительного изменения функции отклика необходимо минимальное относительное изменение значения фактора. Такое определение требует подробного изучения зависимости функций отклика от всей совокупности экологических факторов в каждом конкретном случае, что связано с использованием приемов многофакторного эксперимента и аппарата многомерной математической статистики. Практическое использование такого подхода к исследованию большинства природных экосистем затруднено из-за недостатка экспериментальных данных и отсутствия систематических наблюдений.

Применение метода функций отклика для описания сложных экологических систем подразумевает решение задачи идентификации нелинейных систем достаточно большой размерности, и стало возможным лишь в последние десятилетия 20 века. В связи с появлением принципиально новых возможностей обработки временных рядов, новых пакетов решения систем дифференциальных уравнений, новых оптимизационных пакетов для проведения процедуры идентификации параметров, новых информационных технологий. Важным вопросом моделирования систем на основе метода функций отклика является анализ и обработка экспериментальных данных и использование робастных процедур, приводящих к тому, что результаты обработки мало зависят от наличия данных с большими ошибками.

Сложность экологических систем приводит к тому, что функциональную связь между компонентами системы трудно описать традиционными методами, которые используются, например, в классических задачах динамики популяций, или работах по описанию распространения загрязнений с помощью уравнений гидро- и аэродинамики. Если не удается описать функциональную связь в "простых" и известных науке терминах, исследователи прибегают к аппроксимации этой функциональной связи на основе геофизических и экологических представлений с помощью разумно подобранных математических функций. Которые включают в себя необходимые переменные и могут быть при помощи процедур оптимизации достаточно хорошо приближены к "истинной" - наблюдаемой в природе. Или в эксперименте функции в интересующей нас области изменения переменных.

Математическое определение функции отклика следующее. Функцией отклика k-го показателя на воздействие совокупности экологических факторов называется функция k, отображающая экологическое пространство на шкалу Ik, которая в каждой точке пространства сопоставляет число k на шкале Ik, то есть k: Ik.

Частной функцией отклика показателя или процесса называют функцию зависимости значений этого показателя от одного экологического фактора, то есть функцию одной переменной fj(xj). Обобщенной функцией Fk называется функция зависимости значений k -го показателя или процесса от всех рассматриваемых экологических факторов, представленная как комбинация частных функций отклика. В зависимости от постановки задачи в качестве обобщенной функции отклика может выступать суммарная биомасса экосистемы или отдельного вида, урожай или такие обобщенные характеристики как функция (индекс) благополучия системы, функция резистентности, функция модификации и другие.

Наиболее часто используемые на практике частные функции отклика:

и их модификации. Здесь a, b, c, xmax, - параметры, подлежащие модификации.

Формирование обобщенной функции отклика представляет собой наиболее сложную задачу. Обычно используют мультипликативное представление, позволяющее очертить в многомерном пространстве факторов границу толерантности системы:

где - частные функции отклика, aj - вектор параметров, подлежащих идентификации, n - количество рассматриваемых факторов.

Задача идентификации обобщенной функции отклика является задачей нелинейной регрессии с достаточно большим количеством параметров идентификации. Задача не может быть упрощена путем снижения ее размерности за счет выделения отдельных частных функций отклика или путем линейной аппроксимации, так как эти процедуры неправомерны в силу сложности системы и неоднозначности связей ее компонентов.

В отличие от классических моделей популяционной динамики и гидродинамики параметры функции отклика не имеют физического или биологического смысла, однако их сочетания, определяющие положение кардинальных точек (например, максимумов) частных функций отклика, могут иметь конкретный биологический смысл и называются параметрами связи. Они также используются при решении задачи идентификации. При решении задачи идентификации параметров в качестве начальных приближений можно использовать экспериментальные данные по отдельным процессам (частным функциям отклика).

Аппарат функций отклика успешно применялись для решения проблем, связанных с анализом отклика лесных экосистем на изменения окружающей среды (Teller, 1992), изучения проблем риска (Hubert, 1996). Разработка теории функций отклика и их применение для широкого круга задач экологической экспертизы и формирования индексов качества окружающей среды представлены в работах И.Г. Малкиной-Пых и Ю.А. Пых (1991, 1997, 1998). В этих работах также решаются практические задачи прогнозирования продуктивности сортов сельскохозяйственных культур, оптимизации режимов орошения и внесения удобрений, прогнозирования последствий загрязнения территории радионуклидами, предсказания самоочищения звеньев экосистемы системы от различных поступивших загрязнителей, в том числе пестицидов, прогнозирования динамики органического вещества почв при их использовании для производства сельскохозяйственной продукции и др.

Заключение

Таким образом, как можно было увидеть из данной работы закономерности развития биологических систем, заключается в их законах. Конечно это не все законы, которые определяют закономерности развития биологических систем, существует огромное количество и других законов, объясняющих закономерности развития биологических систем и нет смысла их рассматривать, т. к. целью работы является общее представление о закономерностях развития биологических систем. И как можно было увидеть, закономерности развития биологических систем есть и они подчиняются законом и правилам, которые выработали ученые.

вернадский экологический аррениус биохимический

Список используемой литературы

1. Бужилова А.П., Козловская М.В., Лебединская Г.В., Медникова М.Б. Историческая экология человека. Методика биологических исследований. М.: 1998.

2. Литература Курс физики. Механика. Акустика. Теплота и молекулярная физика. / Под ред. Н.Д. Папалекси. - М.-Л.: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. - Т. 1.

3. Шакуров Т.Л. Экология: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1998.

4. Резчиков Е.А. Экология: Учебное пособие. 2-е изд. испр. и доп. - М.: МГИУ, 2000 - 96с.

5. Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П. Экология. М.: 1995.

6. Нарликар Дж. Гравитация без формул. / Пер. с англ. С.И. Блинникова; Предисл. И.Ю. Кобзарева. - М.: Мир, 1985.

7. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе / Пер. с англ; Предисл. Ю.Г. Рудого. - М.: Мир, 1987.

Размещено на Allbest.ru