Самоорганизующийся мир живого

В современной биологии одно из центральных мест занимают проблемы кооперативных эффектов и самоорганизации, соотношения «случая» и «необходимости». В мире живого наблюдается большое количество примеров самоорганизации, переход от менее упорядоченных структур к более упорядоченным структурам происходит по единому алгоритму. Самоорганизация проявляется при синтезе белков и других органических молекул, морфогенезе, эволюции живых организмов, в динамике популяций и т.д. Качественно новый этап развития биосферы – появление человека. Благодаря разуму человечество стало самоорганизующейся системой. Подробное рассмотрение этих примеров выходит за рамки курса. Мы рассмотрим только стохастическую модель морфогенеза.

Морфогенез – процесс образования тканей и органов в процессе эмбрионального развития организма. Как и в случае физических систем, в развитии зародыша последовательно возникают нарушения симметрии. Яйцеклетка имеет форму шара, после начала дифференциации клеток сферическая система переходит в цилиндрическую. Затем нарушается и цилиндрическая симметрия – брюшная полость отделяется от спинной, появляются разные типы тканей. Эти нарушения симметрии происходят скачками, спонтанно из-за неустойчивости симметричного состояния. После скачка, перестройки наступают плавные этапы развития эмбриона. Перед скачком возникают предвестники новой формы – распределение вещества вдоль тела становится нерегулярным, стохастичным. Затем скачком возникает новая упорядоченная форма, а распределение веществ плавно меняется.

Таким образом, в ходе морфогенеза реализуется определенная последовательность бифуркаций, развитие проходит через фазы неустойчивостей.

Морфогенез как последовательность фазовых переходов изменения симметрий содержит информацию о предшествующих этапах эволюции. Модель морфогенеза положена в основу математической теории самоорганизации от первичного бульона до простейших живых систем. Это позволяет понять эволюцию живого в целом.

Контрольные вопросы

1. Какие шкалы температур Вам известны? Какая температура имеет одинаковое значение по шкалам Фаренгейта и Цельсия?

2. Что такое внутренняя энергия тела? От чего она зависит?

3. Что такое число степеней свободы? Приведите примеры.

4. Как соотносятся средняя кинетическая энергия движения молекул и потенциальная энергия их взаимодействия в газах, жидкостях и твердых телах?

5. Сформулируйте три начала термодинамики. Какое значение имеют эти законы?

6. Что такое тепловой двигатель? От чего зависит КПД теплового двигателя? Какие тепловые двигатели Вы знаете?

7. Какой смысл Вы вкладываете в понятие “вечный двигатель”? Возможно ли его существование и почему?

8. Какой смысл естествознание вкладывает в понятия “порядок” и ”хаос”? Можно ли интерпретировать хаос как абсолютный беспорядок?

9. Что такое энтропия? Как она изменяется в замкнутых системах? Приведите примеры.

10. Почему энергия в форме тепла передается от более горячего тела к более холодному? При каких условиях возможен обратный процесс?

11. Как Вы понимаете термины “количество информации” и ”качество информации”? Как связаны энтропия и информация?

12. Какие задачи решает синергетика? Какие системы являются объектом ее исследования?

13. Приведите примеры самоорганизующихся систем.

14. Что такое точка бифуркации?

15. Какую роль в эволюции играет случай?