1.Введение.

Представленная работа посвящена теме "Структура и иерархия объектов неживой и живой природы".
Проблема данного исследования носит актуальный характер в современных условиях. Об этом свидетельствует частое изучение поднятых вопросов.
Эта тема изучается на стыке сразу нескольких взаимосвязанных дисциплин. Для современного состояния науки характерен переход к глобальному рассмотрению проблем тематики.
Вопросам исследования посвящено множество работ. В основном материал, изложенный в учебной литературе, носит общий характер, а в многочисленных монографиях по данной тематике рассмотрены более узкие вопросы проблемы. Однако, требуется учет современных условий при исследовании проблематики обозначенной темы.
Высокая значимость и недостаточная практическая разработанность проблемы "Структура и иерархия объектов неживой и живой природы" определяют несомненную новизну данного исследования.
Дальнейшее внимание к вопросу о проблеме необходимо в целях более глубокого и обоснованного разрешения частных актуальных проблем тематики данного исследования.
Актуальность настоящей работы обусловлена, с одной стороны, большим интересом к выбранной теме в современной науке, с другой стороны, ее недостаточной разработанностью. Рассмотрение вопросов связанных с данной тематикой носит как теоретическую, так и практическую значимость.
Результаты могут быть использованы для разработки методики анализа "Структура и иерархия объектов неживой и живой природы".
Теоретическое значение изучения проблемы "Структура и иерархия объектов неживой и живой природы" заключается в том, что избранная для рассмотрения проблематика находится на стыке сразу нескольких научных дисциплин.
Объектом данного исследования является анализ условий "Структура и иерархия объектов неживой и живой природы".
При этом предметом исследования является рассмотрение отдельных вопросов, сформулированных в качестве задач данного исследования.
Целью исследования является изучение темы с точки зрения новейших отечественных и зарубежных исследований по сходной проблематике.

По результатам исследования был вскрыт ряд проблем, имеющих отношение к рассматриваемой теме, и сделаны выводы о необходимости дальнейшего изучения/улучшения состояния вопроса.
Теоретической и методологической основой проведения исследования явились законодательные акты, нормативные документы по теме работы.
Источниками информации для написания работы послужили базовая учебная литература, фундаментальные теоретические труды крупнейших мыслителей в рассматриваемой области, результаты практических исследований видных отечественных и зарубежных авторов, статьи и обзоры в специализированных и периодических изданиях, посвященных тематике "Структура и иерархия объектов неживой и живой природы", справочная литература, прочие актуальные источники информации.

2.Живая природа

Живая природа - совокупность организмов. Делится на пять царств: бактерии, грибы, растения и животные. Живая природа организуется в экосистемы, которые составляют биосферу. Основной атрибут живой материи - генетическая информация, проявляющаяся в репликации и мутации. Развитие живой природы привело к появлению человечества.

Интерес к познанию живой природы возник у человека очень давно, еще в первобытную эпоху, и был тесно связан с его важнейшими потребностями: в пище, лекарствах, одежде, жилье и т.п. Однако только в первых древних цивилизациях люди стали целенаправленно и систематически изучать живые организмы, составлять перечни животных и растений, населяющих разные регионы земли. Наука, занимающаяся изучением живой природы, получила название биология. В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Причем существуют различные классификации последних. Например, по объектам исследования биологические науки подразделяются на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию и антропологию.

По уровню организации живых объектов выделяются следующие науки:

· анатомия, посвященная изучению макроскопического строения животных;

· гистология, исследующая строение тканей;

· цитология, изучающая клетки, из которых состоят все живые организмы.

По свойствам, или проявлениям живого, биология включает в свой состав:

· морфологию - науку о структуре, или строении живых организмов;

· физиологию, которая изучает их функционирование;

· молекулярную биологию, исследующую микроструктуру живых тканей и клеток;

· экологию, рассматривающую образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой;

· генетику, которая изучает законы наследственности и изменчивости живых организмов.

Все эти классификации в известной степени условны и относительны и пересекаются друг с другом в различных пунктах. Такая многоплановость комплекса биологических наук во многом обусловлена необычайным многообразием живого мира.

К настоящему времени учеными обнаружено и описано более одного миллиона видов животных, около полумиллиона видов растений, несколько сотен тысяч видов грибов, более трёх тысяч видов бактерий. Причем мир живой природы исследован далеко не полностью. Число пока еще не описанных видов живого оценивается, по меньшей мере, в один миллион. Кроме того, огромное количество видов живых организмов давно вымерло. По современным научным данным за все время развития жизни на Земле существовало колоссальное количество различных видов живых существ - приблизительно пятьсот миллионов.

Понятно, что живая природа представляет собой качественно новый, более высокий уровень организации материи, или виток мировой эволюции, поднявшийся на необыкновенную высоту по сравнению со ступенью неживой природы. В чем же заключается столь радикальное отличие живой природы от неживой? Интуитивно все понимают, что такое живое и что - неживое. Однако при попытке определить сущность живого возникают трудности. Оказывается, ответить на вопрос о том, что такое жизнь, довольно непросто.

Например, широко известно определение, предложенное немецким философом XIX в. Фридрихом Энгельсом, согласно которому «жизнь - это способ существования белковых тел, важной особенностью которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой». Тем не менее, живая мышь, например, и горящая свеча с физико-химической точки зрения находятся в одинаковом состоянии обмена веществ с внешней средой, равно потребляя кислород и выделяя углекислый газ, но в одном случае - в результате дыхания, а в другом - в процессе горения. Данный пример показывает, что обмениваться веществами с окружающей средой могут и неживые объекты; т.е. обмен веществ является хотя и необходимым, но недостаточным критерием определения жизни. То же самое можно сказать и о белковой природе живых объектов. Так американский ученый Ф. Типлер в своей книге «Физика бессмертия» говорит следующее: «Мы не хотим привязывать определение жизни к молекуле нуклеиновой кислоты, потому что можно вообразить себе существование жизни, которая к этому определению не подходит. Если к нам в космический корабль явится внеземное существо, химическую основу которого составляет не нуклеиновая кислота, то нам все равно захочется признать его живым» Цитата по: Концепции современного естествознания. М.: ЮНИТИ, 1997. С. 159.

Таким образом, невозможно указать только на один какой-нибудь главный, или основополагающий признак, по которому различаются объекты живой природы и неживой. Поэтому современная биология при определении и описании живого исходит из необходимости перечисления нескольких принципиальных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность этих свойств может дать представление о специфике жизни. К таким свойствам, или признакам, относятся следующие:

· Живые организмы характеризуются гораздо более сложным устройством, чем неживые тела.

· Любой организм для поддержания своей жизнедеятельности получает энергию из окружающей среды. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию.

· Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Если, например, вы толкнете камень, то он пассивно сдвинется с места, а если толкнуть животное, то оно отреагирует активно: убежит, нападет, изменит форму и т.д. Способность реагировать на внешние раздражения - это всеобщее свойство живых существ, как растений, так и животных.

· Живые организмы могут не только изменяться, они также и усложняются. Так, например, у растения появляются новые ветви, а у животного- новые органы, значительно отличающиеся и по внешнему виду, и по устройству от тех, которые их породили.

· Все живое размножается. Причем потомство и похоже на родителей, и в то же время чем-то от них отличается.

· Сходство потомства с родителями обусловлено еще одной важной особенностью живых организмов - способностью передавать потомкам заложенную в них наследственную информацию, которая содержится в генах (от греч. genos - происхождение) - мельчайших и очень сложно утроенных частицах, находящихся в ядрах клеток живых организмов. Генетический материал направляет развитие организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако наследственная информация в процессе жизни организма, а также во время передачи несколько искажается или меняется. В связи с этим потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них.

· Живые организмы хорошо приспособлены к среде своего обитания. Строение птицы, рыбы, лягушки, дождевого червя полностью соответствует тем условиям, в которых они живут. Этого никак нельзя сказать о неживых телах: камню, например, «все равно», где находиться - он может лежать на дне реки или валяться в поле, или летать вокруг Земли в качестве ее естественного спутника. Однако если мы заставим, например, птицу жить в речных глубинах, а рыбу - в лесу, то эти живые существа, конечно же, погибнут. Говоря проще, основные отличия живого от неживого заключаются в том, что все живые организмы питаются, дышат, растут и размножаются, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.

Исследуя живой организм, биохимик отвечает на ряд вопросов:

1. Из каких химических соединений состоит клетка, ткань, орган или организм в целом?

2. Как взаимосвязаны эти химические соединения, как они образуются и взаимопревращаются?

3. Каким образом регулируются взаимопревращения веществ?

4. Чем биохимически отличается изучаемая клетка, ткань, орган от других клеток, тканей, органов, чем определяется выполнение ими их специфических функций в организме?

5. Как связаны превращения веществ с превращениями энергии?

В живой природе также можно выделить основные структурные уровни, или ступени сложности. Первый из них - это молекулярный уровень, представляющий собой предельно малые объекты живого, а именно молекулы ДНК, в которых заключена наследственная информация живых организмов. Следующий уровень является клеточным, за ним следуют органно-тканевый и организменный уровни. Далее идут популяционно-видовой и биогеоценотический, или экосистемные уровни. Биогеоценоз (экосистема)- это участок Земли со всеми живыми организмами, которые его населяют, и неживой среды их обитания; говоря иначе, со всеми компонентами составляющей его живой и неживой природы. Примерами биогеоценозов, или экосистем могут служить лес, озеро, поле и т.п. Завершающей ступенью в иерархии уровней организации живого мира является биосфера, которая представляет собой всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

2.1.Иерархия уровней организации живого

Представления о неравновесности живого организма развил биолог фон Берталанфи, введя термин «открытые системы», ныне широко используемый в синергетике. Он рассматривал ста-

ционарные состояния в неравновесной живой системе, которые, определил как «текущее равновесие». На основе обобщения физических, в частности термодинамических, представлений он разработал свою теорию биологических организмов, рассматривая организм как целостную сложную иерархическую систему.

По существу в применении к биологии он предложил и использовал метод системного анализа, активно применяемый сейчас в науке и технике. В частности, им высказана идея, что системная организация - основа точной биологии. А как метко сказал Н. В. Тимофеев-Ресовский, системный анализ - «это когда сначала думают, а потом делают». Организм - пространственное целое, проявляющееся во взаимодействии частей и частных процессов. Процессы в живом организме обусловливаются целостной пространственной системой, подчиненной жесткой иерархии.

Концепция структурных уровней позволяет не только описать живые организмы по уровням их сложности и закономерностям функционирования, но и расположить в иерархическом порядке, при котором каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы. Тем самым представление уровней организации хорошо сочетается с целостностью организма. Критерием выделения основных уровней выступают специфичные дискретные структуры и фундаментальные биологические взаимодействия.

Различают следующие уровни организации биологических структур: самоорганизующиеся комплексы, биомакромолекулы, клетки, многоклеточные организмы Н. В. Тимофеев-Ресовский приводит другую классификацию уровней: клеточный, молекулярно-генетический, организменный, популяционно-видовой и биогеоценозный. Существует и такая градация: молекулярный, клеточный, тканевой, органный, онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоценотический и биосферный На каждом уровне выделяют элементарную единицу и элементарные явления.

Элементарная единица - это структура, закономерное изменение которой приводит к элементарному явлению. Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне является ген, на клеточном - клетка, на организменном - особь, на популяционном - совокупность особей одного вида - популяция. Совокупность элементарных единиц и явлений на соответствующем уровне отражает содержание эволюционного процесса.

Природа и культура (2)Реферат >> Культура и искусство

Выдвигал, вызвали недовольство церковной иерархии , и ему, несмотря на... и говорившего о тесном взаимодействии живой и неживой природы , хозяйственной и духовной деятельности... виде материальных объектов , символов, идей, социальных структур , языков коммуникации...

Хиральность - несовместимость объекта со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трехмерном пространстве. Речь идет только об идеальном плоском зеркале. В нем правша превращается в левшу и наоборот.

Хиральность типична для растений и животных, и сам термин происходит от греч. χείρ - рука.

Есть правые и левые ракушки и даже правые и левые клювы у клестов (рис. 1).

«Зеркальность» распространена и в неживой природе (рис. 2).

Рис. 2. Фото с сайта scienceblogs.com («Троицкий вариант» №24(218), 06.12.2016)" border="0">

В последнее время стали модны «хиральные», т. е. зеркальные часы (обратите внимание на надпись на циферблате) (рис. 3).

И даже в лингвистике есть место хиральности! Это палиндромы: слова и предложения-перевертыши, например: Я УДАРЮ ДЯДЮ, ТЁТЮ РАДУЯ, Я УДАРЮ ТЁТЮ, ДЯДЮ РАДУЯ или ЛЕЕНСОН - УДАВ, НО ОН В АДУ НОС НЕ ЕЛ!

Очень важна хиральность для химиков и фармацевтов. Химия занимается объектами в наномасштабе (модное слово «нано» происходит от греч. νάννος - карлик). Хиральности в химии посвящена монография, на обложке которой (на фото справа ) - хиральные колонны и две хиральные молекулы гексагелицена (от helix - спираль).

А важность хиральности для медицины символизирует обложка июньского номера американского журнала Journal of Chemical Education за 1996 год (рис. 4). На боку добродушно виляющего хвостом пса изображена структурная формула пеницилламина. Пес смотрит в зеркало, а оттуда на него глядит страшный зверь с оскаленной клыкастой пастью, горящими огнем глазами и вставшей дыбом шерстью. На боку зверя изображена та же самая структурная формула в виде зеркального отображения первой. Название опубликованной в этом номере статьи о лекарственных хиральных средствах было не менее красноречивым: «Когда молекулы лекарств смотрятся в зеркало». Почему же «зеркальное отражение» так драматически изменяет облик молекулы? И как узнали, что две молекулы являются «зеркальными антиподами»?

Поляризация света и оптическая активность

Со времен Ньютона в науке шли споры о том, представляет ли свет собой волны или частицы. Ньютон полагал, что свет состоит из частиц с двумя полюсами - «северным» и «южным». Французский физик Этьен Луи Малюс, ввел понятие о поляризованном свете, с одним направлением «полюсов». Теория Малюса не подтвердилась, однако название осталось.

В 1816 году французский физик Огюстен Жан Френель высказал необычную для того времени идею о том, что световые волны - поперечные, как волны на поверхности воды.

Френель объяснил и явление поляризации света: в обычном свете колебания происходят хаотично, во всех направлениях, перпендикулярных направлению луча. Но, пройдя через некоторые кристаллы, например исландского шпата или турмалина, свет приобретает особые свойства: волны в нем колеблются только в одной плоскости. Образно говоря, луч такого света подобен шерстяной нитке, которую продернули через узкую щель между двумя острыми лезвиями бритвы. Если второй такой же кристалл поставить перпендикулярно первому, поляризованный свет через него не пройдет.

Отличить обычный свет от поляризованного можно с помощью оптических приборов - поляриметров; ими пользуются, например, фотографы: поляризационные фильтры помогают избавиться от бликов на фотографии, которые возникают при отражении света от поверхности воды.

Оказалось, что при прохождении поляризованного света через некоторые вещества плоскость поляризации поворачивается. Впервые это явление обнаружил в 1811 году французский физик Франсуа Доминик Араго у кристаллов кварца. Это связано со строением кристалла. Природные кристаллы кварца асимметричны, причем они бывают двух типов, которые отличаются по своей форме, как предмет от своего зеркального изображения (рис. 5). Эти кристаллы вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях; их назвали право- и левовращающими.

В 1815 году французский физик Жан Батист Био и немецкий физик Томас Иоганн Зеебек выяснили, что некоторые органические вещества, например сахар и скипидар, также обладают способностью вращать плоскость поляризации, причем не только в кристаллическом, но и в жидком, растворенном и даже газообразном состояниях. Оказалось, что каждый «цветовой луч» белого света поворачивается на разный угол. Сильнее всего поворачивается плоскость поляризации для фиолетовых лучей, меньше всего - для красных. Поэтому бесцветное вещество в поляризованном свете может стать окрашенным.

Как и в случае кристаллов, некоторые химические соединения могли существовать в виде как право-, так и левовращающих разновидностей. Однако оставалось неясным, с каким свойством молекул связано это явление: самый тщательный химический анализ не мог обнаружить между ними никаких различий! Такие разновидности веществ назвали оптическими изомерами, а сами соединения - оптически активными. Оказалось, что у оптически активных веществ есть и третий тип изомеров - оптически неактивные. Это обнаружил в 1830 году знаменитый шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус: виноградная кислота С 4 Н 6 О 6 оптически неактивна, а винная кислота точно такого же состава обладает в растворе правым вращением. Но никто не знал, существует ли не встречающаяся в природе «левая» винная кислота - антипод правовращающей.

Открытие Пастера

Оптическую активность кристаллов физики связывали с их асимметричностью; полностью симметричные кристаллы, например кубические кристаллы поваренной соли, оптически неактивны. Причина же оптической активности молекул долгое время оставалась совершенно загадочной. Первое открытие, проливавшее свет на это явление, сделал в 1848 году никому тогда не известный французский ученый Луи Пастер. Еще в студенческие годы он заинтересовался химией и кристаллографией, работая под руководством вышеупомянутого Жана Батиста Био и видного французского химика-органика Жана Батиста Дюма. После окончания Высшей нормальной школы в Париже молодой (ему было всего 26 лет) Пастер работал лаборантом у Антуана Балара. Балар был уже известным химиком, который за 22 года до этого прославился открытием нового элемента - брома. Своему ассистенту он дал тему по кристаллографии, не предполагая, что это приведет к выдающемуся открытию.

В ходе исследования Пастер приготовил раствор натриево-аммониевой соли оптически неактивной виноградной кислоты и медленным выпариванием воды получил красивые призматические кристаллы этой соли. Кристаллы эти, в отличие от кристаллов виноградной кислоты, оказались асимметричными. У части кристалликов одна характерная грань находилась справа, а у других - слева, причем по форме два типа кристаллов были как бы зеркальным отражением друг друга.

Тех и других кристаллов получилось поровну. Зная, что в подобных случаях кристаллы кварца вращают в разные стороны, Пастер решил проверить, не будет ли наблюдаться это явление и на полученной им соли. Вооружившись увеличительным стеклом и пинцетом, Пастер аккуратно разделил кристаллы на две кучки. Их растворы, как и следовало ожидать, обладали противоположным оптическим вращением, а смесь растворов была оптически неактивной (правая и левая поляризации взаимно компенсировались). Пастер на этом не остановился. Из каждого из двух растворов с помощью сильной серной кислоты он вытеснил более слабую органическую кислоту. Можно было предположить, что в обоих случаях получится исходная виноградная кислота, которая оптически неактивна. Однако оказалось, что из одного раствора образовалась вовсе не виноградная, а известная правовращающая винная кислота, а из другого раствора получилась тоже винная кислота, но вращающая влево! Эти кислоты получили название d -винной (от лат. dexter - правый) и l- винной (от лат. laevus - левый). В дальнейшем направление оптического вращения стали обозначать знаками (+) и (–), а абсолютную конфигурацию молекулы в пространстве - буквами R и S . Итак, неактивная виноградная кислота оказалась смесью равных количеств известной «правой» винной кислоты и ранее неизвестной «левой». Именно поэтому равная смесь их молекул в кристалле или в растворе не обладает оптической активностью. Для такой смеси стали применять название «рацемат», от лат. racemus - виноград. Два антипода, дающие при смешении в равных количествах оптически неактивную смесь, получили название энантиомеров (от греч. έναντίος - противоположный).

Поняв значение своего эксперимента, Пастер выбежал из лаборатории и, встретив лаборанта физического кабинета, бросился к нему и воскликнул: «Я только что сделал великое открытие!» Кстати, Пастеру очень повезло с веществом: в дальнейшем химики обнаружили всего несколько подобных случаев кристаллизации при определенной температуре смеси оптически различных кристалликов, достаточно крупных, чтобы их можно было под лупой разделить пинцетом.

Пастер открыл еще два метода разделения рацемата на два антипода. Биохимический метод основан на избирательной способности некоторых микроорганизмов усваивать только один из изомеров. Во время посещения Германии один из аптекарей дал ему давно стоявшую склянку с виноградной кислотой, в которой завелась зеленая плесень. В своей лаборатории Пастер обнаружил, что бывшая когда-то неактивной кислота стала левовращающей. Оказалась, что зеленый плесневой грибок Penicillum glaucum «поедает» только правый изомер, оставляя левый без изменения. Такое же действие оказывает эта плесень на рацемат миндальной кислоты, только в данном случае она «поедает» левовращающий изомер, не трогая правовращающий.

Третий способ разделения рацематов был чисто химическим. Для него нужно было иметь оптически активное вещество, которое при взаимодействии с рацемической смесью по-разному связывалось бы к каждым из энантиомеров. В результате два вещества в смеси не будут антиподами (энантиомерами) и их можно будет разделить как два разных вещества. Это можно пояснить такой моделью на плоскости. Возьмем смесь двух антиподов - Я и R. Их химические свойства одинаковые. Внесем в смесь несимметричный (хиральный) компонент, например Z, который может реагировать с каким-либо участком в этих энантиомерах. Получим два вещества: ЯZ и ZR (или ЯZ и RZ). Эти структуры не являются зеркально симметричными, поэтому такие вещества будут чисто физически различаться (температурой плавления, растворимостью, еще чем-нибудь) и их можно разделить.

Пастер сделал еще много открытий, в числе которых прививки против сибирской язвы и бешенства, ввел методы асептики и антисептики.

Исследование Пастера, доказывающее возможность «расщепления» оптически неактивного соединения на антиподы - энантиомеры, первоначально вызвало у многих химиков недоверие, однако, как и последующие его работы, привлекло самое пристальное внимание ученых. Вскоре французский химик Жозеф Ашиль Ле Бель с помощью третьего пастеровского метода расщепил несколько спиртов на оптически активные антиподы. Немецкий химик Иоганн Вислиценус установил, что существуют две молочные кислоты: оптически неактивная, образующаяся в скисшем молоке (молочная кислота брожения), и правовращающая, которая появляется в работающей мышце (мясомолочная кислота). Подобных примеров становилось всё больше, и требовалась теория, объясняющая, чем же отличаются друг от друга молекулы антиподов.

Теория Вант-Гоффа

Такую теорию создал молодой голландский ученый Якоб Хендрик Вант-Гофф, который в 1901 году получил первую в истории Нобелевскую премию по химии. Согласно его теории, молекулы, как и кристаллы, могут быть хиральными - «правыми» и «левыми», являясь зеркальным отражением друг друга. Простейший пример - молекулы, в которых имеется так называемый асимметрический атом углерода, окруженный четырьмя разными группами. Это можно продемонстрировать на примере простейшей аминокислоты аланина. Две изображенные молекулы невозможно совместить в пространстве никакими поворотами (рис. 6, вверху).

Многие ученые отнеслись к теории Вант-Гоффа недоверчиво. А известный немецкий химик-органик, выдающийся экспериментатор, профессор Лейпцигского университета Адольф Кольбе разразился резкой до неприличия статьей в Journal für praktische Chemie с ехидным названием «Zeiche der Zeit» («Приметы времени»). Он сравнивал теорию Вант-Гоффа с «отбросами человеческого ума», с «кокоткой, наряженной в модные одежды и покрывшей лицо белилами и румянами, чтобы попасть в порядочное общество, в котором для нее нет места». Кольбе писал, что «некоему доктору Вант-Гоффу, занимающему должность в Утрехтском ветеринарном училище, очевидно, не по вкусу точные химические исследования. Он счел более приятным сесть на Пегаса (вероятно, взятого напрокат из ветеринарного училища) и поведать миру то, что узрел с химического Парнаса... Настоящих исследователей поражает, как почти неизвестные химики берутся так уверенно судить о высочайшей проблеме химии - вопросе о пространственном положении атомов, который, пожалуй, никогда не будет решен... Такой подход к научным вопросам недалек от веры в ведьм и духов. А таких химиков следовало бы исключить из рядов настоящих ученых и причислить к лагерю натурфилософов, совсем немногим отличающихся от спиритов ».

Со временем теория Вант-Гоффа получила полное признание. Каждый химик знает, что, если в смеси поровну «правых» и «левых» молекул, вещество в целом будет оптически неактивным. Именно такие вещества и получаются в колбе в результате обычного химического синтеза. И только в живых организмах, при участии асимметричных агентов, например ферментов, образуются асимметричные соединения. Так, в природе преобладают аминокислоты и сахара́ только одной конфигурации, а образование их антиподов подавлено. В некоторых случаях разные энантиомеры можно различить и без всяких приборов - когда они по-разному взаимодействуют с асимметрическими рецепторами в нашем организме. Яркий пример - аминокислота лейцин: ее правовращающий изомер сладкий, а левовращающий - горький.

Конечно, тут же возникает вопрос о том, как же появились на Земле первые оптически активные химические соединения, например та же природная правовращающая винная кислота, или как возникли «асимметричные» микроорганизмы, питающиеся только одним из энантиомеров. Ведь в отсутствие человека некому было осуществлять направленный синтез оптически активных веществ, некому было разделять кристаллы на правые и левые! Однако подобные вопросы оказались настолько сложными, что однозначного ответа на них нет и поныне. Ученые сходятся лишь в том, что существуют асимметричные неорганические или физические агенты (асимметричные катализаторы, поляризованный солнечный свет, поляризованное магнитное поле), которые могли дать начальный толчок асимметрическому синтезу органических веществ. Похожее явление мы наблюдаем и в случае асимметрии «вещество - антивещество», поскольку все космические тела состоят только из вещества, а отбор произошел на самых ранних стадиях образования Вселенной.

Хиральные лекарства

Химики часто относятся к энантиомерам как к одному соединению, поскольку их химические свойства идентичны. Однако их биологическая активность может быть совершенно различной. Человек - существо хиральное. И это относится не только к его внешнему виду. «Правые» и «левые» лекарства, взаимодействуя с хиральными молекулами в организме, например с ферментами, могут действовать по-разному. «Правильное» лекарство подходит к своему рецептору как ключ к замку и запускает желаемую биохимическую реакцию. Действие же «неправильного» антипода можно уподобить попытке пожать правой рукой левую руку своего гостя. Необходимость в оптически чистых энантиомерах объясняется также тем, что часто только один из них обладает требуемым терапевтическим эффектом, тогда как второй антипод может в лучшем случае быть бесполезным, а в худшем - вызвать нежелательные побочные эффекты или даже быть токсичным. Это стало очевидным после нашумевшей трагической истории с талидомидом - лекарственным средством, которое назначали в 1960-е годы беременным женщинам как эффективное снотворное и успокаивающее. Однако со временем проявилось его побочное тератогенное (от греч. τέρας - чудовище) действие, и на свет появилась масса младенцев с врожденными уродствами. Лишь в конце 1980-х годов выяснилось, что причиной несчастий был только один из энантиомеров талидомида - правовращающий - и только левовращающий изомер является мощным транквилизатором (рис. 6, внизу). К сожалению, такое различие в действии лекарственных форм раньше не было известно, поэтому продаваемый талидомид был рацемической смесью обоих антиподов. Они отличаются взаимным расположением в пространстве двух фрагментов молекулы.

Еще один пример. Пеницилламин, структура которого была нарисована на собаке и волке на обложке журнала, - довольно простое производное аминокислоты цистеина. Это вещество применяют при острых и хронических отравлениях медью, ртутью, свинцом, другими тяжелыми металлами, так как оно обладает способностью давать прочные комплексы с ионами этих металлов; образующиеся комплексы удаляются почками. Применяют пеницилламин также при различных формах ревматоидного артрита, в ряде других случаев. При этом применяют только «левую» форму препарата, так как «правая» токсична и может привести к слепоте.

Бывает и так, что каждый энантиомер обладает своим специфическим действием. Так, левовращающий S -тироксин (лекарственный препарат левотроид) - это природный гормон щитовидной железы. А правовращающий R -тироксин (декстроид) понижает содержание холестерина в крови. Некоторые производители придумывают для подобных случаев торговые названия-палиндромы, например, darvon и novrad для синтетического наркотического анальгетика и препарата от кашля соответственно.

В настоящее время многие лекарственные средства выпускаются в виде оптически чистых соединений. Их получают тремя методами: разделением рацемических смесей, модификацией природных оптически активных соединений и прямым синтезом. Последний также требует хиральных источников, поскольку любые другие традиционные методы синтеза дают рацемат. Это, кстати, одна из причин очень высокой стоимости некоторых лекарств, поскольку направленный синтез только одного из них - сложная задача. Поэтому не удивительно, что из множества синтетических хиральных препаратов, выпускаемых во всем мире, лишь небольшая часть является оптически чистой, остальные - рацематы.

О хиральности молекул см. также:
Глава Происхождение хиральной чистоты из книги Михаила Никитина

Страница 1

Живая природа - совокупность организмов. Делится на пять царств: бактерии, грибы, растения и животные. Живая природа организуется в экосистемы, которые составляют биосферу. Основной атрибут живой материи - генетическая информация, проявляющаяся в репликации и мутации. Развитие живой природы привело к появлению человечества.

Интерес к познанию живой природы возник у человека очень давно, еще в первобытную эпоху, и был тесно связан с его важнейшими потребностями: в пище, лекарствах, одежде, жилье и т.п. Однако только в первых древних цивилизациях люди стали целенаправленно и систематически изучать живые организмы, составлять перечни животных и растений, населяющих разные регионы земли. Наука, занимающаяся изучением живой природы, получила название биология. В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Причем существуют различные классификации последних. Например, по объектам исследования биологические науки подразделяются на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию и антропологию.

По уровню организации живых объектов выделяются следующие науки:

· анатомия, посвященная изучению макроскопического строения животных;

· гистология, исследующая строение тканей;

· цитология, изучающая клетки, из которых состоят все живые организмы.

По свойствам, или проявлениям живого, биология включает в свой состав:

· морфологию - науку о структуре, или строении живых организмов;

· физиологию, которая изучает их функционирование;

· молекулярную биологию, исследующую микроструктуру живых тканей и клеток;

· экологию, рассматривающую образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой;

· генетику, которая изучает законы наследственности и изменчивости живых организмов.

Все эти классификации в известной степени условны и относительны и пересекаются друг с другом в различных пунктах. Такая многоплановость комплекса биологических наук во многом обусловлена необычайным многообразием живого мира.

К настоящему времени учеными обнаружено и описано более одного миллиона видов животных, около полумиллиона видов растений, несколько сотен тысяч видов грибов, более трёх тысяч видов бактерий. Причем мир живой природы исследован далеко не полностью. Число пока еще не описанных видов живого оценивается, по меньшей мере, в один миллион. Кроме того, огромное количество видов живых организмов давно вымерло. По современным научным данным за все время развития жизни на Земле существовало колоссальное количество различных видов живых существ - приблизительно пятьсот миллионов.

Понятно, что живая природа представляет собой качественно новый, более высокий уровень организации материи, или виток мировой эволюции, поднявшийся на необыкновенную высоту по сравнению со ступенью неживой природы. В чем же заключается столь радикальное отличие живой природы от неживой? Интуитивно все понимают, что такое живое и что - неживое. Однако при попытке определить сущность живого возникают трудности. Оказывается, ответить на вопрос о том, что такое жизнь, довольно непросто.

Например, широко известно определение, предложенное немецким философом XIX в. Фридрихом Энгельсом, согласно которому жизнь - это способ существования белковых тел, важной особенностью которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой. Тем не менее, живая мышь, например, и горящая свеча с физико-химической точки зрения находятся в одинаковом состоянии обмена веществ с внешней средой, равно потребляя кислород и выделяя углекислый газ, но в одном случае - в результате дыхания, а в другом - в процессе горения. Данный пример показывает, что обмениваться веществами с окружающей средой могут и неживые объекты; т.е. обмен веществ является хотя и необходимым, но недостаточным критерием определения жизни. То же самое можно сказать и о белковой природе живых объектов. Так американский ученый Ф. Типлер в своей книге «Физика бессмертия» говорит следующее: «Мы не хотим привязывать определение жизни к молекуле нуклеиновой кислоты, потому что можно вообразить себе существование жизни, которая к этому определению не подходит. Если к нам в космический корабль явится внеземное существо, химическую основу которого составляет не нуклеиновая кислота, то нам все равно захочется признать его живым» Цит. по: Концепции современного естествознания. М.: ЮНИТИ, 1997. С. 159

Таким образом, невозможно указать только на один какой-нибудь главный, или основополагающий признак, по которому различаются объекты живой природы и неживой. Поэтому современная биология при определении и описании живого исходит из необходимости перечисления нескольких принципиальных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность этих свойств может дать представление о специфике жизни. К таким свойствам, или признакам, относятся следующие:

Ковалентные модификации
Структурные белки и ферменты могут акгивироваться или инактивироваться в результате присоединения различных химических групп фосфатных, ацильных. метальных, олигосахаридных и некоторых других. Фосфорилирование белков осуществляется по г...

Самоорганизация в открытых системах.
Одним из результатов внедрения принципа универсального эволюционизма было возникновение синергетики. В классической науке господствовало убеждение, что материи свойственна тенденции к понижению степени ее упорядоченности, стремление к равн...

Влияние шума на здоровье горожан
Влияние шума на организм человека замечено врачами давно. Установлено, что шум отрицательно воздействует не только на отдельные физиологические функции организма, но и на общее состояние здоровья населения. Австрийские ученые подсчитали, ...

Изучая универсальные закономерности эволюции и самоорганизации сложных систем, синергетика открывает глубинный изоморфизм живого и косного, общность образцов эволюции и структурных образований в царствах живой и «мёртвой» природы Она выносит на обсуждение целый ряд неожиданных вопросов: Какие структуры «выживают» на «теле» природы? Почему и структуры косной природы следуют некоторым «ритмам жизни»? Эволюционируют ли атомы? Существует ли память в «неживой» природе? Как происходит сборка сложной структуры? Обо всём этом - в статье Елены Николаевны КНЯЗЕВОЙ и Сергея Павловича КУРДЮМОВА.

Синергетика об аналогах живого в «неживой» природе

Что «предпочитает» природа? Спектры эволюционных форм

Похоже, что природе доставляет удовольствие варьировать один и тот же механизм бесконечно различными способами. Д.Дидро

Принято думать, что природа бесконечно разнообразна, что она ничем не ограничена в варьировании своих эволюционных механизмов и форм организации. Но синергетика демонстрирует обманчивость подобного взгляда.

Прежде всего, появляется парадоксальное представление о том, что в открытой среде (с источниками и стоками энергии), с диссипацией энергии, могут возникать и устойчиво самоподдерживаться локализованные процессы — диссипативные структуры . В сплошной среде может возникать локализация — очаги более интенсивных процессов, например, структуры горения . Кроме того, не какие угодно структуры могут реализоваться в данной среде.

Для некоторых классов открытых нелинейных сред (систем) установлено, что в них потенциально заключены целые спектры структур (спектры эволюционных форм организации), которые могут возникнуть лишь на развитых, асимптотических, стадиях процессов. Это — одна из фундаментальных задач, которая называется в синергетике задачей о поиске собственных функций нелинейной среды , то есть устойчивых способов организации процессов в среде, которые ей адекватны и к которым эволюционируют со временем все другие её состояния. Сколько и какие относительно устойчивые структуры могут самоподдерживаться в качестве метастабильно устойчивых в данной природной системе — определяется сугубо внутренними её свойствами.

Поиск спектров эволюционных форм природы — это, по существу, сверхзадача, близкая к так называемой задаче Гейзенберга в ядерной физике, когда требуется написать нелинейные уравнения некой среды, которая как самоорганизующаяся давала бы устойчивые состояния в виде спектра элементарных частиц.

До сих пор, например, непонятно, почему количество химических элементов (типов атомов) ограничено. Почему атомов порядка сотни, а не, скажем, существенно больше или меньше? Почему существует дискретный набор зарядов ядер атомов, или спектр типов атомов? Почему заряды целочисленны? Эти вопросы затрагивают глубинную физическую, квантово-механическую основу описания химических свойств и реакций.

Есть основания поставить задачу получения спектра атомов как структур самоорганизации некой открытой нелинейной среды, наподобие спектра форм, масс, зарядов. Уже показано, в частности, что существует глубокая аналогия между собственными функциями горения нелинейной среды на квазистационарной стадии и собственными функциями стационарной задачи Шрёдингера в центральном поле сил с кулоновским потенциалом . (В названной работе осуществлён вывод линейного стационарного уравнения Шрёдингера с кулоновским потенциалом из более общего квазилинейного уравнения теплопроводности с нелинейным источником; кроме того, найдены условия нормировки и непрерывности функции.) За этим результатом стоит целая серия естественных следствий, и, прежде всего, попытка построить модель атома как структуру горения некой среды и предложить другое понимание причин квантования, связанное с особой устойчивостью инвариантно-групповых решений, выступающих в качестве аттракторов-целей развития.

Ограниченное количество собственных функций квазилинейного уравнения теплопроводности с источником является математическим аналогом конечного числа собственных структур нелинейной среды, а исходя из данной аналогии, — счётного количества типов атомов, химических элементов. При таком подходе квантование должно стать следствием решения классической, но нелинейной задачи. Весь спектр атомов, как он представлен в периодической системе Д.И.Менделеева, должен быть получен в виде спектра собственных функций среды, определяемой соответствующими нелинейными дифференциальными уравнениями.

Вообще дискретность возможных структур организации — это то общее, что связывает мир живого и «неживого», хотя это, возможно, и не очевидно. Системы живого открыты и в высокой степени нелинейны, поэтому их ответ на внешнее воздействие может быть многократно сильнее (или слабее) его величины и качественно различным в разных ситуациях. Нелинейность накладывает определённые рамки на типы структур живого. Не всё, что угодно, возможно в качестве метастабильно устойчивого в нелинейном мире. Нелинейность квантует, делает дискретными возможные наборы движений, поз, жестов живых существ .

«Архитектура» живого связана, прежде всего, с движением и развитием живого. Она есть гармоничное сочетание, расположение частей в метастабильное эволюционное целое. Хотя имеется множество типов структур и конфигураций, «архитектура» живого отнюдь не произвольна. Известны, например, базисные виды поступательных движений лошади — аллюры: шаг, галоп, рысь, иноходь. Лошадь идёт не как угодно, а «использует» всякий раз один из своих базисных типов передвижений. В каждом таком типе движения лошади согласованы определённым образом, и переход от одного типа перемещения к другому осуществляется скачком .

Итак, природа имеет внутренние предпочтения к некоторым формам живого и косного. Лишь определённые наборы форм осуществимы в природных средах. А на другие формы наложен эволюционный запрет: они неустойчивы и очень быстро эволюционируют к устойчивым формам организации, «сваливаются» на них.

Структуры-аттракторы как непроявленное

Природа любит скрываться.

Гераклит

Относительно устойчивые структуры, на которые неизбежно выходят процессы эволюции в открытых и нелинейных системах, напомним, называются аттракторами. Поскольку под аттракторами здесь понимаются реальные структуры, а не их изображения в фазовом пространстве (пространстве физических параметров), постольку употребляется словосочетание: структуры-аттракторы .

Простейшие математические модели нелинейных открытых сред свидетельствуют, что таковая система таит в себе определённые формы организации . Структуры-аттракторы потенциально заложены в среде, задаются сугубо её собственными нелинейными свойствами. Они есть НЕПРОЯВЛЕННОЕ — «дух становления» системы. Они закладывают тенденции процессов в ней.

Потаённость, потенциальность, оборотная сторона бытия присуща и миру человеческому, и миру «неживой» природы. И в среде плазмы, и в живом веществе, и на поле человеческого сознания, и в теле культуры, и в среде научного сообщества есть свои внутренние тенденции, стремления — «предпочтения». И нет смысла им противиться. Всё равно они, подобно сильному речному течению, заставят двигаться в нужном направлении: в поле притяжения одного образца- аттрактора — именно к нему, а в поле притяжения другого образца-аттрактора — к иному. В этом смысле идеи Платона, Аристотеля и мудрецов древнего Китая звучат чрезвычайно конструктивно.

Сплошная открытая и нелинейная среда, наряду с несовершенными проявленными формами. содержит потенциальное бытие, идеальные структуры. Она «наполнена» ещё не состоявшимися формами. Каждая из этих структур-аттракторов соответствует собственной тенденции среды, имеет шанс реализоваться. На упрощённых математических моделях можно видеть всё поле возможных путей эволюции, все «Дао» среды.

С выбором траектории развития, с выходом на одну из структур-аттракторов, все другие эволюционные пути как бы закрываются. А поскольку в ходе развития может изменяться и сама среда, её внутренние свойства, то способно трансформироваться, несколько перестраиваться всё поле допустимых изменений, а некоторые структуры-аттракторы, некоторые цели могут и не осуществиться.

Достаточно серьёзным является утверждение, что открытые сложные системы имеют множество путей эволюции. Отсюда всё разнообразие форм, особенно в нелинейном мире. Поставленные в определённые условия, мы всякий раз реализуем одну из возможных форм организации, единственную из всех потенциальных структур. Выход на структуру-аттрактор определяется некими принципами наиболее устойчивого развития процесса, причём именно устойчивого развития, а не стационарного состояния.

«Ритмы жизни» природы

Мудрость нам единая дана:

Всему живому идти путём зерна.

В.Ф.Ходасевич

Никто не будет спорить с тем, что всё живое подвержено ритмам жизни. Диалектика жизни, циклической смены состояний — подъёма и спада активности, бодрствования и сна, жизни и смерти — символически представлена в восточном образе инь-ян. Пик расцвета содержит в себе «червоточину» падения, ночь начинается в полдень, когда ян слабеет и в нём начинает разрастаться «зерно» инь. Как говорится в одной из даосских притч, «в жизни существует зарождение, в смерти существует возвращение, начала и концы друг другу противоположны, но не имеют начала, и [когда] им придёт конец, — неведомо» .

Зерно, инь , — это сплошная потенциальность, таящая в себе устремлённость. А растение, ян, — это уже ставшее, актуализированное. Инь символизирует неопределённость и неоднозначность, блуждание в эволюционном лабиринте, а ян — реализацию цели и построение целого, некую завершённость. Синергетика убедительно демонстрирует нам, что в самом фундаменте природы, как живой, так и косной, заложен принцип инь-ян , наблюдаются процессы развёртывания и свёртывания, эволюции и инволюции, роста и вымирания.

Широко распространённые в природе нелинейные положительные обратные связи (когда следствие «подстёгивает» действие причины. — Ред .) обусловливают развитие структур в режиме с обострением , а это свидетельствует о том, что «время жизни» структур ограничено. Под режимами с обострением понимаются сверхбыстрые процессы, когда характерные величины (температура, энергия, концентрация, денежный капитал и т.д.) неограниченно возрастают за конечное время, называемое временем обострения . Если фактор, создающий неоднородности в среде (действие нелинейных объёмных источников), работает сильнее, чем рассеивающий (диссипативный) фактор, то возникают локализованные процессы и волны горения, сходящиеся внутри области локализации. Процесс развивается всё более интенсивно в сужающейся области вблизи максимума. Это — так называемый LS-режим с обострением, сопровождающийся концентрацией (ям), но чреватый десинхронизацией внутри системы.

Поэтому возникшая в LS-режиме сложная локализованная структура лишь относительно устойчива. Вблизи момента обострения она становится неустойчивой, чувствительной к малым возмущениям и распадается (это уже действие инь. — Ред. ). Наличие момента обострения, то есть конечность времени существования сложной структуры, само по себе поразительно. Чтобы возникла структура, необходим LS-режим, а последний приводит к неустойчивости. Получается, что сложная структура существует только потому, что она существует конечное время! Жить конечное время, чтобы вообще жить! Или иначе: лишь смертное способно к самоорганизации («Препятствиями растём!» — Ред. ). Хотите получить локализацию, сложную структуру — значит её время реализации ограничено моментом обострения. Сам факт преодоления хаоса , удержания его в определённой форме предполагает конечность жизни сложной структуры .

И ещё один не менее важный результат: для широкого класса уравнений с сильно нелинейными источниками показано существование двух противоположных, взаимодополнительных режимов . Предполагается, что можно избежать процесса распада сложной структуры, развивающейся в LS-режиме роста (температуры) с обострением, если вовремя (за счёт флуктуаций — хаоса) происходит переключение на иной режим — HS-peжим; тогда снижается интенсивность (падает температура), и «неограниченно разбегаются волны», возобновляются процессы «по старым следам». Распад, хотя бы частичный, заменяется объединением, максимальное развитие неоднородностей — их замыванием, сглаживанием, растеканием, синхронизацией .

В результате вычислительных экспериментов получено и исследовано пока лишь переключение с HS- на LS-режим . Обратное переключение, с LS- на HS-режим, для сред с сильной нелинейностью можно рассматривать как гипотезу, как итог теоретического моделирования (на основе анализа фазовой плоскости, полученной методом осреднения).

Синергетика склоняет нас к выводу, что законы ритма , циклической смены состояний, универсальны . Для человека это — день и ночь, смена его бодрствования и сна. В природе это — лето и зима. В тепле биологические процессы ускоряются, а в холоде — замедляются. Такого рода пульсации характерны и для косной природы. Известны колебательные режимы в химических реакциях (в реакции Белоусова-Жаботинского — «химические часы»). Согласно одной из космологических гипотез, если средняя плотность вещества во Вселенной больше некоторой критической, то сегодняшняя стадия расширения наблюдаемой Вселенной, «разбегания всего от всего», должна смениться стадией сжатия, «схлопывания к центру» . Развиваются представления о пульсационном развитии Земли и синхронной с ним эволюции биологической жизни на планете: планета то расширяется, то сжимается — будто дышит.

Переключение HS и LS-режимов является математическим эквивалентом процессов типа инь-ян. LS-режим — это обострение, ускорение процессов, стягивание к некоему центру и проявление потенциального; HS-режим — это, наоборот, замедление процессов и разлёт, «возобновление старых следов», погружение в прошлое, обращение к царству непроявленного.

Стареют ли атомы?

Снова будут небеса,

Не такие же, как наши...

Ф.Сологуб

В квантовой механике утверждается неразличимость, тождественность всех элементарных частиц одного сорта, а равным образом — и атомов. Предполагается, что все микрообъекты конкретного типа одинаковы, поэтому нельзя отличить, скажем, один фотон от другого или один атом водорода от другого атома водорода.

Синергетический взгляд на мир - взгляд эволюционный . Эволюция имеет сквозной характер. Она пронизывает все уровни организации косного и живого. Считается, что нынешняя эра эволюции Вселенной связана с разлётом галактик. С эволюционной точки зрения можно попытаться рассмотреть и такой объект, как атом. Тогда и на атомном уровне организации мира просматриваются аналоги жизни и даже истории.

Как уже упоминалось, можно подойти к пониманию квантово-механической реальности, решая классическую задачу, квазилинейное уравнение теплопроводности с нелинейным источником. И в этом случае возможна модель атома как структуры горения нелинейной среды. Разумеется, такова лишь постановка для дальнейшего исследования.

Стабильный, с неизменными уровнями атом, каким он считается в стационарной задаче Шрёдингера в квантовой механике, соответствует подобного рода модели — развитию процессов в режимах с обострением, но, вероятно, только на квазистационарной стадии. (Режимы с обострением, наряду со стадией сверхбыстрого нарастания процессов, имеют и длительную начальную квазистационарную стадию.)

Итак, модель водородоподобного атома описывается уравнением теплопроводности с распределённой плотностью и источником, причём некие неоднородности температуры соответствуют устойчивым состояниям (уровням) атома. В данной задаче имеются — горение, теплопроводность (рассасывающий неоднородности фактор) и заданное распределение плотности. На квазистационарной стадии распределение температуры практически не меняется. Поэтому можно полагать, что мы имеем дело с уровнями, «замершими» на определённых расстояниях от центра.

Но если мы начинаем рассматривать большие промежутки времени, выходить за пределы квазистационарной стадии, то обнаруживаем, что «волны горения» сходятся, сбегаются к центру, к аналогу ядра атома. «Жизни» атома соответствует LS-режим с обострением, режим «сбегающейся волны», когда интенсивность процесса увеличивается во всё более узкой области вокруг центра. Взгляд на атом как на локализованный квазистационарный процесс в среде, имеющий сложную структуру, по-видимому, плодотворен, ибо он позволяет объяснить некоторые факты, к примеру, эффект «красного смещения» спектральных линий у далёких галактик.

До сих пор предполагается, что ряд различных факторов может порождать феномен красного смещения. Во-первых, согласно привычному, наиболее распространённому толкованию, этот феномен может быть обусловлен разлётом галактик па нынешней стадии эволюции Вселенной, сопровождающимся эффектом Доплера. Во-вторых, некоторые учёные придерживаются той версии, что за эффект «покраснения квантов» ответственно временное изменение квантов излучения — «старение» квантов. В-третьих, в рассматриваемой нами модели этот эффект может быть вызван «старением» самих атомов. Здесь всё построено на эволюции во времени, в том числе, и атом может представлять собой меняющуюся во времени организацию.

Свет от галактик, которые находятся на значительных расстояниях от Земли, доходит до нас за огромные промежутки времени. Мы видим эти галактики такими, какими они были многие миллионы лет назад. Это далёкое прошлое, свидетельства о котором к нам попадают со всё более значительных расстояний, соответствует, с нашей точки зрения, ранним стадиям эволюции атомов. Уровни же тех атомов должны были находиться дальше от центра, а затем они медленно приближаются к ядру. Так что по мере ухода в прошлое мы наблюдаем атомы, энергетические уровни которых расположены всё дальше от ядра. А это как раз эквивалентно эффекту красного смещения. И в принципе можно оценить его константу, исходя из тех констант нелинейной среды, которые мы получили, моделируя атом как сходящиеся волны горения в LS-режиме.

Рост и расширение масштабов Вселенной может означать, что на макроуровне, в отличие от микроуровня, имеет место HS-режим растяжения всех масштабов, даже если галактики не имеют никакой механической скорости — просто из-за «разбухания самого пространства», из-за HS- режима охлаждения. Для наблюдателя же картина выглядит так, будто галактики разлетаются с большой скоростью.

Попытки построить модель атома как некой эволюционирующей структуры, имеющей свою историю, представляют огромный интерес. Если удастся последовательно развить такую модель, то станет возможным допускать, что и в микромире разворачиваются эволюционные процессы, но изменения ощутимы лишь за гигантские промежутки времени.

Имеет ли «неживое» память?

Но твой, природа, мир о днях былых молчит

С улыбкою двусмысленной и тайной.

Ф.И.Тютчев

Некоторые любопытные явления нелинейного мира указывают на элементы «памяти» в том числе и в процессах косной природы.

Во-первых , это — возобновление старых следов в HS-режиме . Выше говорилось о том, что в средах с достаточно сильной нелинейностью, вероятно, может происходить самопроизвольное переключение LS- и HS-режимов. Режим нарастания интенсивности процесса и сбегания к центру (LS- режим) сменяется режимом охлаждения и растекания (HS-режимом), процессы типа ян сменяются процессами типа инь. В HS-режиме происходит расплывание процесса преимущественно «по старым следам» , так как теплопроводность таких участков, из-за нелинейности коэффициента теплопроводности, существенно выше, чем «холодных» областей остальной среды.

Но всё-таки расплывание, хотя и слабо, осуществляется и в холодную среду, то есть структура всё более симметризуется, её форма вырождается из сложной в простую. Поэтому, хотя замыкание циклов взаимного переключения противоположно направленных режимов намного продлевает «жизнь» структуры с сильной нелинейностью, однако, оно не может сделать её бессмертной. Накопление элементов «памяти» приводит к «старению» и, в конце концов, к «смерти» сложных структур, несмотря на их ритмический образ жизни типа инь-ян .

В процессах эволюции сложных структур прошлое не исчезает. Оно остаётся существовать в ином, более медленном, или менее интенсивном темпомире, «тонком». Интенсивные процессы у центра в LS-режиме — это быстрый темпомир. А следы растекания и угасания в HS-режиме, остающиеся на периферии сложной структуры, — это медленный темпомир. Возврат к прежним медленным процессам в рассматриваемой модели мира представляет собой, в некотором смысле, аналог подсознания и ещё более глубокой видовой памяти. Вообще говоря, ничто не исчезает, но всё продолжает гореть в ином, медленном и мало ощутимом для нас темпомире («субъективном». — Ред.). Аналогично, подсознание человека является хранилищем всего того, что человек когда-либо видел, слышал, делал и знал.

Может быть, и не стоит этому слишком удивляться. Ведь в физике давно известны такие процессы, когда поведение системы зависит не только от величины внешнего воздействия на неё и собственных флуктуации сейчас, но и от характера процессов, протекавших в ней в предшествующие моменты времени. Это, например, гистерезис — остаточная намагниченность, остаточные деформации и т.п. Тем самым, история системы влияет на её поведение в настоящем.

Во-вторых , память — это информация о прошлом, содержащаяся в сложной эволюционной структуре. Определённые фрагменты (пространственные области) синхронического среза структуры являются индикатором в целом её прошлого развития, а другие фрагменты — будущего. Например, если структура развивается с обострением в схлопывающемся к центру режиме (LS-режиме), то наличный ход процессов в центре свидетельствует о характере прошлого развития всей структуры , а ход процессов на периферии сейчас — о характере её будущего развития .

В-третьих , память — это строительство по образцу , размножение по матрице, имеющее место в эволюционных процессах. Элементы памяти играют роль катализатора, позволяют существенно ускорить эволюцию, не повторять длительный исторический путь блужданий и случайного отбора. Кроме того, через память сложные структуры объединяются, связываются в единое целое. Это — эволюционный клей, если можно так выразиться. Наконец, существует тонкое взаимодействие, когда структуры могут быть соединены через слабые следы («хвосты») медленных, казалось бы, совершенно исчезнувших процессов, через «просачивание» процессов за пределы области их эффективной локализации. При топологически правильном объединении происходит выход в другой темпомир, ускорение развития возникшей структуры.

«Природа знать не знает о былом», — говорил нам Ф.И.Тютчев. Синергетика заставляет нас усомниться в правильности этих слов. Наверное, природа всё-таки знает о былом. Проблема же состоит в том, чтобы научиться находить в эволюционных структурах информацию о её прежних состояниях и процессах.

Память... Может быть, это не только осознание прежнего опыта, но и сама информация о прошлом, разлитая по Вселенной. Представление о памяти объективизируется. Память — это не то, что помним мы, но то, что помнит нас. Память «неживого»... Разве это просто метафора?

«Когда Великое Дыхание совершает выдох, всё, пребывающее в узах форм, должно расширяться. В результате этого расширения, когда достигается последняя степень его сдерживания, эта форма — будь то солнце, планета или семя растения — должна взорваться, разбросав свои фрагменты. Каждый фрагмент, или меньший центр, уносится в пространство, и таким образом образуются новые планеты, новые звёзды, новая растительность и новые жизни».

(Учение Храма. Т. 1. М.. МЦР, 2001. С. 320)

Два пути природы: путь отбора через хаос и путь резонансного возбуждения

И тайна жизни — два пути —

Ведут к единой цели оба.

И всё равно, куда идти.

Д.С.Мережковский

Длительный и многотрудный путь эволюции природы — это путь преодоления хаоса и возникновения структур, случайных вариаций, жестокой конкуренции и выживания сильнейших. Диссипативные процессы осуществляют «выедание». Затухание «ненужного», благодаря хаосу на микроуровне (вообще, на более низком уровне организации. — Ред.), лежит в основе выхода на структуры-аттракторы эволюции. Так протекала в течение нескольких миллиардов лет космическая и биологическая эволюция. Но является ли такой путь единственно возможным?

Живая природа научилась многократно сокращать время выхода на нужные структуры посредством составления генетических программ. Носитель наследственности ДНК становится некой матрицей, по которой строятся сложные белковые тела, биологические среды. Можно создавать сложное достаточно быстро, не повторяя весь чудовищно трудоёмкий и длительный путь эволюции природы. Она умеет в миллионы раз сокращать его — от простой клетки к сложнейшему организму. Ведь ни одна живая система в ходе своего онтогенеза не проходит снова весь филогенетический путь эволюции. В этом великая тайна морфогенеза!

Строительство по образцу, матричное дублирование, является некой формой резонансного возбуждения . Это механизм «штамповки» типа редупликации ДНК, действующий в открытых нелинейных системах.

Да, оба пути ведут к единым целям — к структурам-аттракторам эволюции. И в этом Д.С.Мережковский прав. Но не всё равно, куда идти, какой путь выбрать.

Отбор через хаос — это медленный путь случайных вариаций и эволюционного отбора, постепенного перехода от простых структур ко всё более сложным. Путь же резонансного возбуждения — это быстрый переход к сложному, многократное сокращение временных затрат и материальных усилий, инициирование желаемых и — что не менее важно — реализуемых на данной среде структур. Вместе с тем, это как бы и путь йоги, когда медитация способствует кратчайшему выходу на «структуру-аттрактор», и происходит кристаллизация духа, высшего знания, таланта.

Вся природа устроена так, что в ней действуют принципы экономии и рост скорости эволюции. Ускорение темпа процессов имеет место в режимах с обострением, которые характерны как для мира живой, так и «мёртвой» природы при наличии в последней «петель» нелинейной положительной обратной связи. Посредством резонансного возбуждения происходит сжатие процессов во времени.

Природа выработала в результате эволюции определённые механизмы, которые в простых нелинейных моделях преднамеренно воссоздаются через резонансные воздействия на открытую нелинейную среду. Надо правильно «укалывать» среду — производить малые воздействия на неё в нужное время и в нужном месте. Надо правильно пространственно распределять эти воздействия, ибо важна не сила (величина, длительность, всеохватность и т.п.), а его пространственная конфигурация, топология, в частности, пространственная симметрия. Если воздействовать на среду конфигурационно согласованно с её собственными структурами, то она будет развёртывать перед нами скрытые в ней разнообразные формы. Произойдёт самоорганизация, раскрытие сокровенного, реализация потенциального.

И пусть не пугают нас филистёры призраком китайского или нашего российского Великого скачка. Природа делает эти скачки, осуществляет это колоссальное сжатие времени постоянно, во всех актах развития живого.

Ускорение процессов. Катализ

Мгновение бежит неудержимо...

Н.Гумилёв

И в «мёртвом» есть механизмы ускорения синтеза сложного.

Катализ является одним из наиболее интересных явлений, изучаемых в современной химии. Разрабатываются, в частности, модели процессов, протекающих на поверхности катализатора. На поверхность кристалла, то есть на какую-то определённую структуру решётки, случайным образом из среды, в которой происходит каталитическая реакция, попадают атомы и закрепляются на решётке в результате адсорбции или/и поверхностных реакций. Решётка играет роль матрицы, которая позволяет удерживать атомы на заданных расстояниях. Можно сказать, что на ней со временем, с некоторым запаздыванием осуществляются аналоги многочастичных столкновений, которые изучаются в синергетике .

Причиной сверхбыстрого развития процесса, протекающего на решётке, является резкий рост вероятности сложной реакции — аналога столкновения многих частиц. При каталитическом процессе происходит «размножение» продукта. Решётка, на которой идёт каталитическая реакция, является не просто ускорителем процесса, но и средством производства вещества необходимого типа.

Катализатор-матрица позволяет неслучайным образом суммировать случайно попавшие на неё частицы (например, атомы), то есть осуществлять сложные коллективные взаимодействия. Ускорение процессов имеет место благодаря определённой пространственной организации каталитической поверхности, конкретному расположению, диспозиции атомов решётки. Здесь просматривается глубокая связь с представлениями о резонансном возбуждении в синергетике. Правильная топология воздействия на среду равносильна возбуждению в ней собственной структуры, правильному объединению атомов в сложную молекулу. Так, формой резонансного возбуждения в биологии является редупликация ДНК, строительство по образцу, что позволяет существенно ускорять биологические процессы.

Почему природа столь экономна?

Природа подобна рачительному хозяину, который бережлив там, где нужно, для того чтобы иметь возможность быть щедрым в своё время и в своём месте. Она щедра в своих действиях и бережлива в применяемых ею причинах.

Г.Лейбниц

Во многих случаях в химии просто необъяснимо, почему молекула имеет именно такую стереометрию объединения, а не какую-то другую. Часто это рассматривается просто как экспериментальный факт. Возможный, едва ли не единственный, способ объяснения химических связей и химических структур — это объяснение на основании вариационных принципов. Показывается, что определённые конфигурации объединения атомов означают наиболее устойчивые состояния, ибо соответствуют (способствуют) минимизации энергии или свободной энергии.

Нелинейный анализ и синергетика позволяют принципиально по-другому подойти к поиску наиболее устойчивых состояний и структур природы. Такой поиск можно вести, исходя вовсе не из вариационных принципов минимизации функционалов (энергии, действия и т.п.). Более того, неплохо было бы понять, откуда берутся сами вариационные, или экстремальные, принципы.

В синергетике исследуются механизмы самоорганизации природы, иначе говоря то, как происходит выход на наиболее устойчивые состояния.

Во-первых, показывается, что таких состояний для всякой более или менее сложной системы может быть много. Решение нелинейной задачи приводит к своего рода квантовому эффекту, к выделенности некоторых состояний, к дискретности путей эволюции. Известны, например, два типа «застройки» среды при конвективной неустойчивости. Это — классические, хорошо известные шестигранные «ячейки Бенара», образующие структуру типа «пчелиных сот», или же менее устойчивые четырехгранные ячейки.

Во-вторых, раскрывается сам механизм «выпадения» па устойчивые состояния, на структуры-аттракторы эволюции. Это механизм «преодоления» хаоса, конкуренции двух начал — хаотического, рассеивающего, действующего через диссипативные процессы, и начала, наращивающего неоднородности в среде (благодаря нелинейным объёмным источникам). Их взаимное действие приводит к «выеданию», обусловливает как бы силу притяжения к аттрактору, отбор из будущего, в соответствии с идеальным образцом, с одной из структур-аттракторов.

Синергетика обнаруживает и иной выработанный природой способ экономии, сжатия процессов эволюции по времени. Это — резонансное возбуждение. Малое, но топологически правильно организованное воздействие, которое, как говорил Лейбниц, «в своё время и в своём месте», оказывается чрезвычайно эффективным. Ибо оно эквивалентно устойчивым состояниям самой природной среды, собственным формам её организации.

Можно сразу возбудить в среде одну из структур-аттракторов и притом ту, которая желательна. Можно выйти на аттрактор, минуя длительный путь эволюции к нему с неизбежным уничтожением всего того, что не соответствует его правильной организации. Писатель-фантаст Иван Ефремов сказал бы, что можно минимизировать зло — инферны. Да, устраняется лишнее выжигание среды и радикально сокращается время выхода на аттрактор, сжимается время эволюции. Но существует и опасность больших скачков. Значит надо знать законы правильного устройства аттракторов, адекватных данной среде, а не навязывать системе несвойственные ей формы организации.

Принципы экономии играют свою роль и при объединении структур. При правильном ходе такого процесса приближается момент обострения — во всей объединённой области устанавливается более высокий темп. Целое развивается быстрее составляющих его частей.

Инварианты вокруг нас

Послесловие от редакции

Идеи синергетики заимствованы из жизни многоликой Природы — как бы на первый взгляд они ни были отвлечённы. Ведь законы организации (строения и развития) неисчислимых природных систем универсальны, причём независимо от того — живые они либо косные. Мы имеем в виду, прежде всего, общий принцип гармонизации систем — друг с другом и их частей. Это принцип золотого отношения , прослеживаемый и по пространству, и во времени, то есть и для структур, и для процессов, — на любых масштабах от микро- до мегамира. Особенно ярко этот принцип явлен в биосфере, в человеке, закреплён в его психике, формируя, формализуя принцип КРАСОТЫ, отражающий закон ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ. Именно благодаря общим правилам гармонии, обеспечивающим, пусть временную, устойчивость, равновесие в той или другой системе, внутри даже совсем непохожих друг на друга образований, устанавливается в целом, к примеру, утроение их характерных масштабов.

В Природе на всех её уровнях неукоснительно действует принип АНАЛОГИИ, столь почитаемый в древних доктринах, — закон подобия, изоморфизма. Он обеспечен её фрактальным , «голографическим» устройством, когда, как правило, в центре системы (в начале, в прошлом!) прослеживается спиральная структура («пружина потенции»), а на периферии (в конце, в будущем!) — ветвящаяся , турбулентная квазихаотичная организация, замыкающая систему, обеспечивая ей обмен с окружающим внешним миром («протянутая рука»).

И не удивительно, что имеется определённая глубинная связь между относительным расположением планетных уровней в Солнечной системе (значит и атомных!) и характерными этапами жизни человека. Так мы сами и всё вокруг своеобразно воплощает действие синергетического принципа резонансного возбуждения . А следовательно, пространство должна наполнять некая невидимая иноматериальная «тонкая» среда, в которой и происходит мгновенный Прим. ред .

Напрашиваются параллели с прекращением процесса перевоплощений, когда искуплены все «кармические долги» периодических пребываний на земном плане и для индивидуализированного самосознания наступает пора пребывания в мире «божественного сознания». - Прим. ред .

Значит то, что происходит в чёрной дыре (см. «Дельфис» № 4(28)/2001), если можно так выразиться, то есть в сингулярности, или за пределами наших нынешних физических представлений о пространстве, времени, гравитации и т.д., содержится как бы в ПРОШЛОМ? Например, «нутро», или ядро, галактик — это тоже их прошлое? Чёрные дыры — это как бы «окна назад», а гравитационный коллапс, приводящий к явлению чёрной дыры, способ возврата в это прошлое? - Прим. ред . ] Еленин Г.Г., Слинько М.Г . Математическое моделирование элементарных процессов на поверхности катализатора//Наука, технология, вычислительный эксперимент. М., Наука, 1993. С. 99.

Уровни организации живой природы

Выделяют 8 уровней.

Каждый уровень организации характеризуется определенным строением (химическим, клеточным или организменным) и соответствующими свойствами.

Каждый следующий уровень обязательно содержит в себе все предыдущие.

Давайте разберем каждый уровень подробно.

8 уровней организации живой природы

1. Молекулярный уровень организации живой природы

• : органические и неорганические вещества,
• (метаболизм): процессы диссимиляции и ассимиляции,
• поглощение и выделение энергии.

Молекулярный уровень затрагивает все биохимические процессы, которые происходят внутри любого живого организма — от одно- до многоклеточных.

Этот уровень сложно назвать «живым» . Это скорее «биохимический» уровень — поэтому он является основой для всех остальных уровней организации живой природы.

Поэтому именно он лег в основу классификации на царства — какое питательное вещество является основным у организма:у животных — , у грибов — хитин, у растений это- .

Науки, которые изучают живые организмы именно на этом уровене:

2. Клеточный уровень организации живой природы

Включает в себя предыдущий — молекулярный уровень организации.

На этом уровне уже появляется термин « » как «мельчайшая неделимая биологическая система»

• Обмен веществ и энергии данной клетки (разный в зависимости от того, к какому царству принадлежит организм);
• Органойды клетки;
• Жизненные циклы — зарождение, рост и развитие и деление клеток

Науки, изучающие клеточный уровень организации :

Генетика и эмбриология изучают этот уровень, но это не основной объект изучения.

3. Тканевый уровень организации:

Включает в себя 2 предыдущих уровня — молекулярный и клеточный .

Этот уровень можно назвать «многоклеточным » — ведь ткань представляет собой совокупность клеток со сходным строением и выполняющих одинаковые функции.

Наука — Гистология

4. Органный (ударение на первый слог) уровень организации жизни

• У одноклеточных органы — это органеллы — есть общие органеллы — характерные для всех или прокариотических клеток, есть отличающиеся.
• У многоклеточных организмов клетки общего строения и функций объединены в ткани, а те, соответственно, в органы, которые, в свою очередь, объединены в системы и должны слаженно взаимодействовать между собой.

Тканевый и органный уровни организации — изучают науки:

5. Организменный уровень

Включает в себя все предыдущие уровни: молекулярный , клеточный, тканевый уровни и органный .

На этом уровне идет деление Живой природы на царства — животных, растений и грибов.

Характеристики этого уровня:

• Обмен веществ (как на уровне организма, так и на клеточном уровне тоже)
• Строение (морфология) организма
• Питание (обмен веществ и энергии)
• Гомеостаз
• Размножение
• Взаимодействие между организмами (конкуренция, симбиоз и т.д.)
• Взаимодействие с окружающей средой

Науки:

6. Популяционно-видовой уровень организации жизни

Включает молекулярный , клеточный, тканевый уровни, органный и организменный .

Если несколько организмов схожи морфологически (проще говоря, одинаково устроены), и имеют одинаковый генотип, то они образуют один вид или популяцию.

Основные процессы на этом уровне:

• Взаимодействие организмов между собой (конкуренция или размножение)
• микроэволюция (изменение организма под действием внешних условий)