Реферат: Самоорганизация процессов в биологии, экологии, геологии

РЕФЕРАТ

по дисциплине

«Концепции современного естествознания»

Тема: Самоорганизация процессов в геологии

биологии и экологии.

Ижевск 2003.

Содержание

Введение

1. Понятие системы.

1.1. Системный подход и особенности

его применения.....................

1.2. Простые и сложные системы........

1.3. Основы синергетики...........

2. Самоорганизация

2.1. Формированием идеи самоорганизации...

2.2. Понятие самоорганизации.........

2.3. Самоорганизация и самодезорганизация..

3. Происхождение жизни на Земле

3.1. Образование мантии ядра Земли......

3.2. Дифференциация мантии и

образование коры, гидросферы и атмосферы......

Заключение....................

Использованная литература..........

Введение

В данном реферате рассмотрены:

Теория систем, три основных её принципа:

1. Принцип сильного звена активных систем. Эффективность таких систем

повышается за счет одного сильного звена.

2. Принцип обратных связей. Обратные связи являются также фундаментальным

понятием кибернетики и потому рассматриваются в следующей главе.

3. Принцип возникновения новых свойств и функций при объединении элементов в

систему (принцип эмерджентности).

А также типы систем: дискретный(корпускулярный), жесткий и централизованный.

Простые (в них входит небольшое число переменных, и поэтому взаимоотношения

между ними поддаются математической обработке и подчиняются универсальным

законам.) и сложные (состоят из большого числа переменных и стало быть

большого количества связей между ними, чем оно больше, тем труднее

исследование объекта, выведение закономерностей его функционирования),

саморегулирующиеся, диссипативные системы

Основы синергетики (по определению ее создателя Г. Хакена - занимается

изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы,

таких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические

элементы, фотоны, органы животных и даже люди... это наука о самоорганизации

простых систем, о превращении хаоса в порядок)

Вопросы самоорганизации, формирование идеи самоорганизации, понятие

самоорганизации, самоорганизация и самодезорганизация.

И происхождение жизни на Земле: образование мантии ядра, три варианта

аккумуляции в процессе формирования Земли: 1).Гомогенная аккумуляция; 2).

Гетерогенная аккумуляция; 3). Частично гетерогенная аккумуляция без резких

перерывов в составе материалов, строящих земной шар;

Дифференциация мантии и образование коры, гидросферы и атмосферы.

1. Понятие системы

1.1 Системный подход и особенности его применения.

«Общая теория систем» и «системный подход» — это не синонимы. Общая теория

систем является наукой, формулирующей закономерности и принципы, общие для

самых различных областей познания; системный подход — методологией, в

основе которой лежит исследование объектов как систем.

Теория систем начинается с классификации систем. Часто выделяют три типа

систем: дискретный (корпускулярный), жесткий и централизованный. Первые два

типа являются крайними, или предельными. Системы, относящиеся к «дискретному»

типу, состоят в основном из подобных элементов, не связанных между собой

непосредственно, а объединенных только общим отношением к окружающей среде.

Жесткий тип систем можно рассматривать как противоположный дискретному. Часто

эти системы отличаются повышенной организованностью по сравнению с простой

суммой их частей и тем, что обладают совершенно новыми свойствами. Разрушение

одного отдельного органа губит всю систему. Централизованный тип систем

содержит одно основное звено, которое организационно, но не обязательно

геометрически, находится в центре системы и связывает все остальные звенья

или даже управляет ими.[1]

В теории систем можно выделить три основных принципа.

1. Принцип сильного звена активных систем. Эффективность таких систем

повышается за счет одного сильного звена.

2. Принцип обратных связей. Обратные связи являются также

фундаментальным понятием кибернетики и потому рассматриваются в следующей

главе.

3. Принцип возникновения новых свойств и функций при объединении элементов в

систему (принцип эмерджентности). Эти свойства иногда называют

эмерджентными, они не могут быть предсказаны на основе знания частей и способа

их соединения. Например, в состав сахара входят только С, Н, О, которые сами

характерного вкуса сахара не имеют. Последний появляется лишь тогда, когда эти

три элемента образуют определенную систему. Более сложным примером являются 20

аминокислот, которые не обладают свойством самовоспроизведения, но бактерии, из

которых они могут быть составлены, таким свойством обладают.

В подобных «крайних случаях» выявляются элементарные системы, лишенные

элементов и структуры в данной объектной области. Например, элементарная

биологическая система — клетка — не имеет биологических элементов, хотя и

содержит химические и физические компоненты; элементарная геологическая

система — минерал — тоже не имеет геологических элементов и структуры, но

обладает кристаллохимической структурой и разного рода компонентами.

Теория систем привела к появлению общего системного подхода, согласно

которому Вселенная в пределах космологического горизонта представляет собой

самую крупную из известных науке систем. В процессе своего развития Вселенная

создает определенные подсистемы, характеризующиеся различными масштабами,

открытостью и неравновесностью. Внешней средой, соответствующей Вселенной,

является, скорее всего, физический вакуум и нейтринное «море».

Благодаря исследованиям философов советского периода было показано, что

системный и диалектический методы имеют между собой много общего. В качестве

примеров можно продемонстрировать принципы, выделяемые в системном анализе.

Так, И. В. Блауберг, В. Н. Садовский, Э. Г. Юдин выделили следующие принципы:

1)описание части с учетом ее места в целом;

2) проявление частями разных свойств и характеристик в зависимости от уровня

(отношения) расположения части в целом;

3) зависимость элемента

от среды;

4) взаимозависимость и взаимосвязь части и целого (часть обусловливает целое

и наоборот);

5) в объекте действует не только механическая причинность, но и система

причинных связей, которая выступает как целесообразность;

6) источник преобразования целого (системы) лежит внутри него. Вместе с тем М.

С. Каган считает, что изучение сложнодинамической системы требует сопряжения

трех плоскостей ее исследования: предметной, функциональной и

исторической.

Все эти принципы и плоскости в той или иной степени входят в принципы

диалектики.[1]

Системный подход (метод) находится как бы между редукционизмом и холизмом.

Редукционизм обеспечивает сведение какого-либо явления к его фундаментальным

неделимым составным частям, например в атомизме — к неделимым атомам. В этом

подходе части превалируют над целым. Холизм провозглашает, что целое

всегда предшествует частям и всегда важнее частей. Это направление активно

развивается в организмических философских концепциях, в которых организм

рассматривается как открытая система, характеризующаяся наличием всех типов

обмена между системой и средой, включая обмены веществом и энергией.

Применение системного анализа предполагает реализацию следующих этапов

исследований (или методологических требований).

1. Выделенные элементы первоначально берутся сами по себе, вне исследуемого

целого, в том виде, в каком они существуют в качестве самостоятельного

материального образования.

2. Исследуется структура устойчивых связей, возникающих между элементами в

результате их взаимодействия.

3. Структура становится системой координат для дальнейших исследований.

Таким образом, поведение каждого элемента целостного объекта, его воздействие

на другие элементы следует объяснять не из него самого, а из структуры

целого, учитывая расположение всех других элементов, их взаимосвязь,

качественные и количественные характеристики.

Особое значение системного метода заключается в том, что он соединяет

философию и частные науки. Одной из попыток продолжить разработку этого

метода является развитие общей типологии систем. Особый интерес представляет

использование системного метода в гуманитарной сфере. Так, например, культуру

в качестве системы рассматривают как состоящую из четырех основных подсистем:

религии, науки, искусства и образования. Ясно, что все эти подсистемы имеют

различную элементную основу и разное структурное устройство. У них различные

знаковые сущности, степень консервативности, зависимость от внимания со

стороны государства, разные способности к скачкообразным изменениям и т.д.

Системность является атрибутом материи и, кроме того, важнейшей

характеристикой сознания Она есть всеобщая форма бытия. Теория систем тесно

связана с философской категорией «целое», которая представляет собой

определенный конечный класс систем, достигших в своем развитии зрелости,

завершенности. Понятие «целое» отражает тот момент развития, когда процессы,

характеризующие восходящую и нисходящую стадии развития, находятся в

относительном равновесии. Целое еще определяют как

организованную систему, и именно в связи с системой это понятие приобретает

свой полный смысл (В. С. Готт, В. И. Жог).

Однако «системное движение», общая теория систем и системный метод не

1.2 Простые и сложные системы.

Теория относительности, изучающая универсальные физические закономерности во

Вселенной, и квантовая механика, раскрывающая законы микромира, нелегки для

понимания, и, тем не менее они имеют дело с системами, которые с точки зрения

современного естествознания считаются простыми. Простыми в том смысле, что в

них входит небольшое число переменных, и поэтому взаимоотношения между ними

поддаются математической обработке и подчиняются универсальным законам.

Однако, помимо простых, существуют СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ, которые состоят из

большого числа переменных и стало быть большого количества связей между ними.

Чем оно больше, тем труднее исследование объекта, выведение закономерностей

его функционирования. Трудность изучения таких систем объясняется еще и тем

обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых

ЭМЕРДЖЕНТНЫХ СВОЙСТВ, т.е. свойств, которых нет у ее частей и которые

являются следствием эффекта целостности системы.

Подобные сложные системы изучает, например, метеорология— наука о

климатических процессах. Именно потому, что метеорология изучает сложные

системы, процессы образования погоды гораздо менее известны, чем

гравитационные процессы, что, на первый взгляд, кажется парадоксом.

Действительно, чем можно точно определить, в какой точке будет находиться

Земля или какое-либо другое небесное тело через миллионы лет, а предсказать

погоду на завтра удается не всегда? Потому, что климатические процессы

представляют гораздо более сложные системы, состоящие из огромного количества

переменных и взаимодействий между ними. [2]

Разделение систем на простые и сложные является фундаментальным в

естествознании. Среди всех сложных систем наибольший интерес представляют

системы с так называемой обратной связью. Это еще одно важное понятие

современного естествознания.

1.3 Основы синергетики.

Синергетика (это понятие означает кооперативность, сотрудничество,

взаимодействие различных элементов системы)- по определению ее создателя Г.

Хакена - занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой

различной природы, таких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны,

механические элементы, фотоны, органы животных и даже люди... Это наука о

самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.

В синергетике возникновение упорядоченных сложных систем обусловлено

рождением коллективных типов поведения под воздействием флуктуаций, их

конкуренцией и отбором того типа поведения, который оказывается способным

выжить в условиях конкуренции. Как замечает сам Хакен, это приводит нас в

определенном смысле к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого

распространяется не только на органический, но и на неорганический мир.

Объект изучения синергетики, независимо от его природы, обязан удовлетворять

следующим требованиям:

1) открытость - обязательный обмен энергией и (или) веществом с окружающей

средой;

2) существенная неравновесность - достигается при определенных состояниях и

при определенных значениях параметров, характеризующих систему, которые

переводят ее в критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости;

3) выход из критического состояния скачком, в процессе типа фазового

перехода, в качественно новое состояние с более высоким уровнем

упорядоченности.[3]

Скачок - это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения

параметров системы (обычно они называются управляющими параметрами) вызывают

очень сильные изменения состояния системы, ее переход в новое качество.

Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачком

превращается в лед. Около критической точки перехода достаточно изменить

температуру воды (управляющий параметр) на доли градуса, чтобы вызвать ее

практически мгновенное превращение в твердое тело.

Первоначально сферой приложения синергетики была квантовая электроника и

радиофизика. Примером самоорганизации может служить система, изучаемая в

разделах квантовой электроники,- лазер. Этот прибор создает

высокоорганизованное оптическое излучение. Традиционные источники света -

лампы накаливания, газоразрядные лампы - создают оптические излучения за счет

процессов, подчиняющихся статистическим законам. Так, в нагретой до высокой

температуры среде возбужденные атомы и ионы спонтанно излучают кванты света с

различными длинами волн во всех направлениях. Только малую часть из них мы

воспринимаем как видимый свет. Уровень организации подобной среды крайне

низок, упорядоченность мала. Для лазерной активной среды, которая должна в

принципе находиться в сильно неравновесном состоянии, характерна высокая

упорядоченность атомных, ионных или молекулярных избирательно возбуждаемых

состояний, что достигается направленным введением в среду организованного

потока энергии (накачка). При выполнении определенного условия в среде

лавинообразно нарастает вынужденное излучение почти монохроматических квантов

света, движущихся в одном направлении. Лазерная генерация возникает скачком

после того, как плотность вводимой в среду энергии накачки превысит пороговое

значение, зависящее от свойств активной среды, характера накачки и параметров

оптического резонатора, в который помещают активную среду для усиления

эффекта. Излучение выходит в виде узконаправленного луча.

Подобные же процессы есть в химии - смешивание жидкостей разных цветов, когда

попеременно получается жидкость то красного, то синего цвета; в биологии -

мышечные сокращения, электрические колебания в коре головного мозга, явление

морфогенеза (отдельные клетки бывают только недифференцированными,

специализация развивается в соответствующем окружении других клеток),

динамика популяций (временные колебания численности видов) и т.д.

Самоорганизующиеся системы обретают присущие им структуры или функции без

какого бы то ни было вмешательства извне. Обычно эти системы состоят из

большого числа подсистем. При изменении определенных условий, которые

называются управляющими параметрами, в системе образуются качественно новые

структуры. Эти системы обладают способностью переходить из однородного,

недифференцированного состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное

состояние или в одно из нескольких возможных состояний.

Этими системами можно управлять, изменяя действующие на них внешние факторы.

Поток энергии иди вещества уводит физическую, химическую, биологическую или

социальную систему далеко от состояния термодинамического равновесия. Изменяя

температуру, уровень радиации, давление и т.д., можем управлять системами

извне.

Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при

воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не

разрушаться и даже улучшать свою структуру. [3]

2. Самоорганизация

2.1. Формированием идеи самоорганизации.

Научному мировоззрению по крайней мере с XIX века была присуща идея развития.

Но после открытия Кельвином и Клаузиусом второго начала термодинамики

господствовало достаточно пессимистическое представление, что базовым

состоянием материи является состояние термодинамического равновесия (хаоса) -

самого простого из всех возможных состоянии системы, не обменивающейся

энергией и веществом с окружающей средой. Господствующей тенденцией материи

считалось стремление к разрушению спонтанно возникшей упорядоченности (в

результате случайной маловероятной флуктуации) и возвращению к исходному

хаосу. Следовательно, упорядоченное состояние вещества, которое наблюдается в

доступной части Вселенной, возникло случайно, жизнь, как амая высокая из всех

известных науке форм упорядоченности,тем более случайна и противоестественна.

Так возникла модель стационарной Вселенной.[3]

Что же заставило изменить этот, казалось бы, незыблемый взгляд на развитие,

прийти к идее самоорганизации материи, которая внедрилась в научное

мировоззрение во второй половине нашего века и коренным образом изменила

старые взгляды на процессы развития? Эта идея появилась в связи с заменой

модели стационарной Вселенной моделью развивающейся Вселенной и связанной с

ней новой естественнонаучной концепцией развития мира.

Прежние представления о развитии сформировались в веке под влиянием двух

классических физических дисциплин - статистической механики и равновесной

термодинамики. Обе научные дисциплины описывают поведение изолированных

макросистем, не обменивающихся ни энергией, ни веществом с окружающей средой.

Вселенная, как самая крупная из всех известных систем, также считалась

замкнутой. Но сегодня наука считает все известные системы от самых малых до

самых больших открытыми, обменивающимися энергией и (или) веществом с

окружающей средой и находящимися, как правило, в состоянии, далеком от

термодинамического равновесия. А развитие таких систем, как стало известно,

протекает путем образования нарастающей упорядоченности. На такой основе

возникло представление о самоорганизации вещественных систем.

2.2. Понятие самоорганизации.

В широком плане понятие самоорганизации отражает фундаментальный принцип

Природы, лежащий в основе наблюдаемого развития от менее сложных к более

сложным и упорядоченным формам организации вещества. Но у этого понятия есть

и более узкое значение, непосредственно характеризующее способ реализации

перехода от простого к более сложному. В таком значении самоорганизацией

называют природные скачкообразные процессы, переводящие открытую

неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния в

новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и

упорядоченности по сравнению с исходным. Критчическое состояние - это

состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой

в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития.

Прежде чем привести примеры самоорганизации, необходимо уточнить, что же

считать усложнением элементов и систем, их переходом от более простых к более

сложным формам.

Понятия «простой» и «сложный» всегда относительны, их смысл выявляется только

при сопоставлении свойств родственных объектов. Так, протон сложен

относительно кварков, но прост относительно атома водорода; атом сложен

относительно протона и электрона, но прост относительно молекулы и т.д. При

этом мы видим, что сложные объекты обладают новыми качествами, которых лишены

исходные простые элементы, составляющие их. Таким образом. Природу можно

представить как цепочку нарастающих по сложности элементов.[3]

Процессы объединения «простых» элементов с образованием «сложных» систем

протекают лишь при выполнении определенных условий. Например, если

температура (энергия) окружающей среды превышает энергию связи двух частиц,

то они не смогут удерживаться вместе. При снижении температуры до значений,

при которых энергия среды и энергия связи частиц окажутся равными, наступает

критический момент, и дальнейшее снижение температуры делает возможным

процесс фиксирования частиц (например, протона и электрона) в атоме водорода.

Намного сложнее обстоит дело при соединении атомов в молекулы. Здесь также

существуют пороговые значения параметров (температуры, плотности), называемые

критическими значениями, которые отделяют область возможного образования от

области, где этот процесс невозможен.

Затем идут новые уровни сложности и упорядоченности вещества. Наиболее

высокий уровень упорядоченности, известный науке, демонстрирует феномен жизни

и порождаемый им разум. Долгое время считалось, что феномен жизни

противоречит господствовавшим физическим представлениям о тремлении материи к

хаосу. Жизнь представлялась упорядоченным и закономерным поведением материи,

основанным не только на тенденции переходить от упорядоченности к

неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая

поддерживается все время. Эта проблема впервые была четко сформулирована в

книге известного физика-теоретика Э. Шредингера «Что такое жизнь?». Анализ,

проделанный им, показывал, что феномен жизни разрушает постулат о

единственной тенденции развития вещества - от случайно возникшей

упорядоченности к неупорядоченности, рождённый классической термодинамикой.

Живые системы оказались способны поддерживать упорядоченность вопреки

«естественной» тенденции.

После выхода книги Шредингера создалась любопытная ситуация: за живым

веществом признавалась способность проявлять как тенденцию к разрушению

упорядоченности, так и тенденцию к её сохранению. А за неживой природой по-

прежнему признавалась только одна тенденция – неизбежно разрушать любую

упорядоченность, возникшую в результате случайных отклонений от равновесия. И

лишь сравнительно недавно стало ясно, что тенденция к созиданию, к переходу

от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному, то есть

самоорганизация, присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Нужны

лишь подходящие условия для её проявления.

Выяснилось, что все разномасштабные самоорганизующиеся системы, независимо от

того, каким разделом науки они изучаются, будь то физика, химия, биология или

социальные науки, имеют единый алгоритм перехода от мене сложных и менее

упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям. Тем самым

открывается возможность единого теоретического описания подобных процессов во

времени и пространстве. Разработка теории самоорганизации началась буквально

в последние годы, причем по нескольким, сходящимся направлениям. Это

синергетика (Г. Хакен), термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожин),

теория катастроф (Р. Том). Изложим кратко сущность этих теорий, практическое

значение которых теперь уже никто из ученых не отрицает.

2.3. Самоорганизация и самодезорганизация

Одной из особенностей развития наук на современном этапе является тенденция к

их интеграции, то есть объединению методов разных наук и установлению их

общих закономерностей. Это проявляется в том, что достаточно часто возникают

и решаются задачи, охватывающие достаточно далекие области знания. При этом

рождаются общие понятия, терминология, методы.

Идея структурного единства мира, выражающегося в различной степени подобия

различных классов явлений, овладевает современным научным мышлением не

меньше, чем идея единой физической картины мира. Понятно, что подлинно

комплексную картину мира, включающую в себя физическую, химическую,

биологическую, социальную и другие формы движения материи в качестве

фрагментов, можно создать только на основе науки, методы которой позволяют

проникнуть в глубь структур, общих для всех наук.

Ньютоновская физика представляла мир как гигантский механизм,

спроектированный по замыслу Всевышнего. Вселенная выглядела восхитительным

автоматом, в котором не оставалось места случайностям, и если случай все-таки

время от времени подстерегал человека, то лишь вследствие его ошибок,

нерадивости или невежественности.

Конечно, кроме наук, которые позволяют достаточно точно прогнозировать

события в сравнительно простых частных случаях (таких как теоретическая

механика), существует еще и теория вероятностей, которая помогает

предсказывать поведение систем в более сложных случаях. Вот если бы было

возможно знать, например, точное распределение масс в игральной кости, все

силы, приложенные к ней, начальное положение и скорость кости, определяемые

бросающей ее рукой, и практически мгновенно интегрировать уравнения движения

кости на компьютере, то теорию вероятностей для вычисления шансов на

благоприятный исход при игре в кости не нужно было бы и использовать.

Но опыт показывает, что природе свойственны скорее непредсказуемые причуды,

нежели поведение раз и навсегда заведенного автомата. Капризы погоды,

неожиданные социальные потрясения, внезапные экономические коллапсы — все это

наблюдалось ранее и наблюдается теперь и не свидетельствует о жесткой

предопределенности событий. В связи с этим в последнее время физики и

математики стали сомневаться в том, что все можно спрогнозировать, хотя бы и

чисто гипотетически. Оказалось, что даже очень простые физические объекты

(например, пара шаров на бильярдном столе) обнаруживают

случайное поведение, и даже если собрать и обработать огромное количество

информации, то от случайности все равно избавиться нельзя. Непредсказуемость

принципиальна, во всяком случае в простых системах. Другое дело — в квантовой

механике: здесь случайность присутствует по своей физической сути,

вероятностный характер квантово-механических предсказаний всегда

оправдывается и всегда удивляет.

В настоящее время в физике достаточно часто приходится рассматривать

случайности двух типов: первый — когда частиц, степеней свободы, событий или

предметов так много, что в их поведении практически невозможно разобраться,

второй — когда в рассматриваемых динамических системах сколь угодно малые

неопределенности в их состоянии усиливаются со временем и поэтому

прогнозирование их поведения практически невозможно.

Примером первого типа случайностей является поведение газа, а примером второго

типа — так называемый хаос. В частности, подсчитано, что газ в объеме литровой

банки содержит примерно 1022 молекул. Очевидно, ни один компьютер не

может рассчитать траектории такого числа сталкивающихся друг с другом частиц.

Но даже если бы с помощью какого-нибудь фантастического суперкомпьютера и

удалось бы проинтегрировать все связанные между собой уравнения движения в

общем виде, то совершенно невозможно было бы подставить в решение уравнений

начальные условия: координаты и скорости всех 1022 молекул в

какой-то момент времени. Именно поэтому для описания «больших» —

макроскопических — систем физики используют такие усредненные статистические

или термодинамические характеристики, как температура, давление, свободная

энергия, и некоторые другие.

Многие сценарии возникновения и поведения хаоса изучают физики, математики,

химики, биологи, эколога, специалисты других отраслей знаний. Существует

довольно много примеров перехода к непредсказуемому поведению систем — хаосу.

Например, непредсказуемые колебания численности рыб или комаров могут быть

следствием хаотического поведения соответствующих динамических систем.

Иногда приходится рассматривать обратные переходы — от хаоса к порядку. Самый

типичный пример такого перехода — лазер: начиная с некоторого «порога»

возбуждения, он генерирует упорядоченное (когерентное) световое излучение.

Другим примером возникновения порядка из хаоса является так называемый

биологический морфогенез. Последний представляет собой образование

пространственно-временных структур в совершенно однородной биологической

среде, например правильных узоров на крыльях бабочек или регулярных полос на

шкурах зебр и тигров.

Наконец, существуют системы, в которых порядок и хаос чередуются.

Классическим примером этого случая являются химические реакции Белоусова-

Жаботинского. В последних, как было отмечено выше, наблюдаются колебательные

процессы, позволяющие называть подобные реакции «химическими часами».

В современной науке «порядок» и «хаос» — вполне определенные понятия.

Насколько важно изучать хаос и переходы в это состояние из равновесия,

показывает пример энергетической катастрофы в Нью-Йорке, когда в 1977 году

из-за неожиданно возникшего дисбаланса между выработкой и потреблением

электроэнергии энергетическая система города перешла в хаотическое состояние,

ее поведение стало беспорядочным и непредсказуемым. Город погрузился во тьму,

остановились фабрики, заводы, мелкие предприятия, поезда «подземки», застряли

между этажами кабины лифтов, отключились сложные больничные устройства,

поддерживавшие жизнь больным. Огромный город охватила паника, «физический»

хаос породил хаос социальный. Он продолжался более суток.

Упорядоченность и хаос... Две крайности, наблюдаемые в реальном мире. С одной

стороны, четкая, подчиняющаяся определенному порядку смена событий: движение

планет, вращение Земли, появление комет, размеренный стук маятников, поезда,

идущие по расписанию. С другой стороны, хаотическое метание шарика в рулетке,

броуновское движение частиц под случайными ударами «соседей», беспорядочные

вихри турбулентности, образующиеся при течении жидкости с достаточно большой

скоростью. До недавних пор для любой отрасли техники, для любого производства

было характерно стремление организовывать работу всех аппаратов и устройств в

устойчивом статическом режиме. Порядок, равновесие, устойчивость всегда

считались чуть ли не главными техническими достоинствами. Первыми преодолели

этот психологический барьер строители: они стали закладывать в конструкции

мостов, башен, высотных зданий элемент неопределенности — возможность

совершать колебания.

Неупорядоченные процессы могут приводить к катастрофам. Например, на

самолетах при неправильном выборе профилей крыльев или хвостовых оперений в

полете может возникнуть сочетание крутильных и изгибных не упорядоченных

колебаний, так называемый флаттер. На определенных скоростях флаттер приводит

к разрушению самолета в целом. Конструктивные методы, препятствующие

возникновению флаттера, позволила разработать теория неустойчивых колебаний,

созданная выдающимся российским математиком — академиком М. В. Келдышем.

В природе протекает множество хаотических процессов, но далеко не всегда они

воспринимаются как хаос. Поэтому наблюдаемый мир кажется нам вполне

стабильным. Наше сознание, как правило, интегрирует, обобщает информацию,

воспринимаемую органами чувств, и поэтому мы не видим мелких «дрожаний» —

флуктуаций — в окружающей нас природе;) самолет надежно держится в воздушных

турбулентных вихрях, хотя они неупорядоченно пульсируют; среди огромного

количества хаотических помех в радиоэфире удается распознать нужную

информацию, отделить по определенным статистическим закономерностям полезные

сигналы от «шумов» и т. д.

Порядок в физических, экологических, экономических и любых других системах может

быть двух видов: равновесный и неравновесный. При равновесном порядке

система находится в равновесии со своим окружением; пара метры, которые ее

характеризуют, одинаковы с теми, которые характеризуют окружающую среду. При

неравновесном порядке эти параметры различны.

Одним из параметров, характеризующих физические системы, является

температура. Никакое равновесие невозможно, если внутри рассматриваемой

системы температура отличается от температуры окружающей среды. Ведь в этом

случае возникают тепловые потоки, начинается перетекание тепла от горячих тел

к холодным, и это продолжается до тех пор, пока температура не установится на

едином для всех тел уровне (как в системе, так и в ее окружении). Другим

важным параметром, характеризующим физические системы, является давление. При

равновесном порядке давление внутри системы должно быть равно давлению на нее

со стороны окружения. Экономические и социальные системы тоже описываются

некоторыми обобщающими параметрами. Последние при равновесии принимают

фиксированные значения.

На первый взгляд, равновесный порядок более «стабилен», чем неравновесный. В

самой природе равновесного порядка заложено противодействие любым возмущениям

состояния системы. В термодинамике это свойство систем называется принципом

Ле-Шателье. Способность возвращаться к исходному состоянию — непременное

свойство так называемых саморегулирующихся систем. Подобные системы

встречаются в природе достаточно часто

Природа неравновесного порядка другая. Она имеет искусственное происхождение и

существует только при условии подачи энергии извне. Ведь неравновесность, то

есть неодинаковость параметров системы и среды, вызывает потоки тепла и массы.

Поэтому для поддержания порядка требуется компенсация потерь, к которым

приводят необратимые «выравнивающие» потоки и, следовательно, для этого нужны

определенные энергетические затраты. Если подпитку системы энергией прекратить,

то она перейдет в состояние равновесного порядка. Так как перетекание тепла или

массы связано с рассеянием энергии (диссипацией), то потери энергии,

возникающие при этом, называются диссипативными. В условиях диссипации

часто возникает порядок.

В состоянии неравновесного порядка существует, например, человеческий

организм: его энергетические потери компенсируются питанием и дыханием. Когда

же жизненный цикл организма заканчивается, он переходит в состояние полного

равновесия с окружающей средой. При этом устанавливается равновесный порядок.

При решении практических задач ход физического процесса, состояние системы и

степень ее организованности достаточно часто изображают с помощью так

называемого фазового пространства. Координатами в этом пространстве служат

различные параметры, характеризующие рассматриваемую систему. Например, для

описания механических систем используют координаты и скорости всех ее точек.

Координаты системы в фазовом пространстве также называются фазовыми, а

семейство фазовых траекторий, изображающих движение системы, называется

ее фазовым портретом.

Например, если рассматриваются колебательные движения корабля относительно

продольной оси (рис. ), то фазовый портрет этого движения для случая

незатухающих колебаний может быть представлен фазовыми траекториями,

показанными на рис. , а, а для случая затухающих (реальных) колебаний —

траекторией на рис.

Рис.

Здесь использованы следующие обозначения: j — угол наклона корабля от

вертикальной оси, w — угловая скорость корабля при его вращении вокруг

продольной оси (j = w).

Взглянув на фазовый портрет физической системы, можно определить, в каком

состоянии (равновесного или неравновесного порядка) она находится. Кстати,

несмотря на разную физическую сущность этих двух видов порядка, их можно

изобразить на одной и той же диаграмме в виде точек, линий или фигур. Можно

также нарисовать диаграмму перехода из одного упорядоченного состояния в

другое.

Но оказывается, что существует класс явлений, противоположных порядку как по

физической сущности, так и по характеру изображения на фазовой диаграмме. Их

образы размыты, нечетки, носят случайный или, как говорят, стохастический

характер. Явления, порождающие такие образы, называются хаотическими. В

частности, описанная выше катастрофа в Нью-Йорке, вызванная дисбалансом

выработки и потребления энергии, — это переход энергетической системы города

из равновесного состояния в хаотическое.

Обычно под хаосом всегда понималось неупорядоченное, случайное, непрогнозируемое

поведение элементов системы. Наиболее характерным примером этого является

броуновское движение мелких частиц в воде. Оно состоит хаотических тепловых

перемещениях громадного числа молекул воды, случайным образом ударяющих по

плавающим в воде частицам, вынуждая их к случайным блужданиям. Так как точно

установить последовательность изменений в движении каждой частицы невозможно,

то такой процесс полностью непредсказуем, недетерминирован)Другими словами, так

как закономерности, позволяющие прогнозировать каждое последующее изменение

траектории частицы по предыдущему ее состоянию, вывести невозможно, то

невозможно и связать между собой причины и следствия, формализовать

причинно-следственные связи. Такой вид хаоса называют недетерминированным

. Для его математического описания используется аппарат статистической физики.

Он позволяет выводить формулы, описывающие некоторые обобщенные параметры

броуновского движения, например расстояния, пройденные отдельными частицами за

некоторое время.

Кроме недетерминированного хаоса различают еще хаос детерминированный.

Последний порождается не случайным поведением большого количества элементов

системы, а внутренней сущностью нелинейных процессов. Примером

детерминированного хаоса является поведение двух упруго сталкивающихся

бильярдных шаров. Поведение такой системы имеет статистические закономерности:

отталкиваясь друг от Друга и от стенок бильярдного стола, шары перемещаются под

разными углами, и через некоторое множество соударений их можно рассматривать

как неустойчивую динамическую систему с непрогнозируемым поведением.

Аналитические решения уравнений, описывающих поведение таких систем, как

правило, получены быть не могут. Исследование поведения таких систем проводят

обычно с помощью компьютерного моделирования.

В фазовом пространстве детерминированный хаос отображается непрерывной

траекторией, не имеющей пересечений и постепенно заполняющей некоторую

область фазового пространству

Рис.

При этом любую сколь угодно малую зону фазового пространства пересекает

бесконечно большое количество отрезков траектории. Это и создает в каждой

зоне случайную ситуацию — хаос: в частности, хотя движение бильярдных шаров

полностью и подчиняет классической механике, спрогнозировать их траектории

нельзя.

До сих пор точные науки изучали главным образом динамику изолированных и

повторяющихся процессов (вроде движения планет). Успехи этих исследований

очевидны. Однако множество явлений, считавшихся слишком сложными или просто

беспорядочными, ранее не поддавались строгому рассмотрению. Теперь виденве

природы претерпевает радикальные изменения, наука созрела для проникновения в

суть сложных систем, для раскрытия глубоких закономерностей, скрытых под их,

казалось бы, хаотичным поведением.

Попытки универсализации научных принципов, отвлечения от разнообразия конкретных

форм, отыскания ядра единой научной картины мира предпринимались еще в конце

XIX—начале XX века. Так, в 1906 году русский кристаллограф Е. С. Федоров в

статье <Префекционизм» распространил действие принципа Ле-Шателье не только

на физико-химические, но и на биологические, психические и социальные процессы.

При этом физическая химия, как в свое время философия, а затем метафизика,

выступила в роли интегратора и организатора всех наук: принцип Ле-Шателье

известен у физиков под названием принципа наименьшего действия, у биологов —

закона выживания, у экономистов — закона спроса и предложения. Суть его в том,

что любая система стремится только к такому изменению, которое сводит к

минимуму внешние нарушения. Другими словами, любая система стремится выйти из

преобразований с возможно меньшими потерями

К аналогичным выводам приводили многих ученых, представляющих самые различные

направления науки, совместные поиски, широкое знакомство с достижениями в

пограничных областях знания, связанными с интеграцией науки. Так, Дж. Дарвин,

сын великого естествоиспытателя, указал на возможность распространения закона

естественного отбора на физические и астрономические явления (1905-1907).

Все выдвигаемые принципы объединяло одно: они регулировали устойчивость явлений

и относились к сфере организации. В большинстве из них говорилось о научной

ценности аналогий, благотворности их упрощающей и эвристической роли.

Но до идей общей теории организации они были далеки.

Ближе всех подошел к реализации идеи построения организационной науки наш

соотечественник А.А.Богданов (Малиновский). Он разработал учение о типах и

закономерностях строения и развития систем — тектологию. Наиболее полное

воплощение она получила в его трехтомном сочинении «Всеобщая организационная

наука (тектология)». Оно вышло в свет в Германии и только затем в нашей

стране в переводе с немецкого издания.

«Мой исходный пункт, — писал А. А. Богданов, — заключается в том, что

структурные отношения могут быть обобщены до такой же степени формальной

чистоты схем, как в математике отношения величин, и на такой основе

организационные задачи могут решаться способами, аналогичными

математическим».

А. А. Богданов отмечал два наиболее общих организационных механизма: а)

формирующий совокупности и комплексы объектов; 6) регулирующий. При этом

некоторым терминам из биологии он придавал универсальный смысл. Открытые им

механизмы во многом объясняли пути образования интегративных системных

качеств и параметрических свойств, в частности принцип формирования,

функционирования и развития сйстемообразующего признака или связи.

Первоэлементом структуры А. А. Богданов считал связь — организационную

интерпретацию взаимодействия материальных объектов, то есть форму его

обнаружения. Он же одним из первых дал систематизацию видов связей.

«Порядок, — отмечал А. А. Богданов, — начинается с объединения объектов. Он с

необходимостью следует за организационным кризисом — ростом энтропии и хаоса,

в которых действует элемент порядка — отбор (биорегулятор). При этом потери

всегда превышают усвоение материала среды — в строгом соответствии с

требованием закона сохранения энергии.

Среда, вторгаясь в систему, вызывает ее мутацию, повышает уровень энтропии,

но порядок вновь восстанавливается уже на новом уровне за счет перестройки

системы. Организационные резервы системы безграничны, в отличие от

вещественных и энергетических, пополняемых из внешней среды, а потому

безграничны возможности совершенствования системы. Но среда отпечатывает на

системе все свои структурные действия. Они же тесно связаны с энергией, а

через нее — с веществом. Поэтому обмен веществ включает в себя и обмен

организацией».

Прогресс — это прежде всего структурная активность, и А. А. Богданов полагал

возможным вычислять ее количественные параметры. Он считал, что движущей

силой прогресса являются противоречия между однородностью и неоднородностью,

устойчивостью и неустойчивостью, равновесием и неравновесностью. В

положительном, прогрессивном отборе к старым противоречиям добавляются новые,

и это является прологом нарушения устойчивости. Прогрессу благоприятствует

постоянство изменений, или устойчивая неустойчивость: новая техника или новый

вид продукции на предприятии вносят элемент расстройства и беспорядка, но без

них нет движения вперед.

Платой за организационный процесс всегда является утрата прежней формы, ее

сбрасывание. Но то, что в мертвых телах является причиной разрушения, у белка

является основным условием существования. В организационном плане это верно

для всех материальных систем: у организации нет «мертвых тел», как нет

бесструктурной материи. Реформы в обществе — пример созидательного

использования одного из структурообразующих механизмов. -

В единстве положительного и отрицательного отбора осуществляется динамика

структурного развития. Первый усложняет формы, увеличивает разнородность

бытия и диапазон выбора, доставляя строительный материал для возрастающей

организации; второй — упрощает этот материал, устраняя из него все непрочное,

неустойчивое, вносит в связи однородность, согласованность, порядок, то есть

производит систематизацию. «Дополняясь взаимно, — отмечал А. А. Богданов, —

оба процесса стихийно организуют мир».

Закон сохранения организации, сформулированный А. А. Богдановым, вытекал

из логики мирового развития, подтверждался всем опытом развития природы и

общества.

А. А. Богданов одним из первых предпринял попытку системного подхода к

анализу взаимоотношений части и целого. Суммарная структурная устойчивость

комплекса есть результат частичных устойчивостей, причем мерилом выступает

самое неустойчивое звено. Вся цепь никогда не может быть крепче своего самого

слабого звена. Когда система рассогласована, вывести из строя ее можно

минимальным усилием. Эту закономерность теории игр широко используют

менеджеры, стратеги, военачальники. Это — закон минимума: «устойчивость

целого зависит от наименьших относительных сопротивлений всех его частей во

всякий момент». Он известен в механике как принцип наименьшего действия, в

биологии как закон выживания, в агрохимии как формула урожайности, в

кибернетике как теория «вето».

В организационных отношениях важную роль играет среда. Она может изменять

систему или консервировать ее, что также представляет собой форму изменений.

Чем более изменчива среда, тем менее устойчив комплекс. И напротив, чем среда

консервативнее, тем он незыблемее. При этом структура объекта также может

быть консервативной или революционной, жесткой или пластичной: она как бы

повторяет колебания среды, отзываясь на них. Консервативные типы отношений

погибают при ускорении темпов развития. Погибая, они, используя инерцию,

долго сопротивляются.

Чем значительнее изменчивость основы отбора, тем выше разнородность

элементов, богаче выбор комбинаций элементов. Разнородность не есть

дезорганизованность, богатство особенного не есть отрицание общего. Она

всегда означает усиление сложности внутренних отношений системы, понимание ее

устойчивости как необходимое условие выживаемости в окружающей среде. Это

происходит до известного предела, за которым начинается преобладание

неустойчивости, разнородности, постепенно перевешивающее порядок. Система в

целом становится неустойчивой. Сумма ее активностей и сопротивлении

окружающей среде понижается, разнородность переходит в дезорганизованность.

То, что берет отрицательный отбор, уносится безвозвратно. В новых условиях на

месте утраченных элементов образуются или приобретаются из внешней среды

новые. Без разрушения нет созидания. Это две стороны взаимодействия системы

со средой. Другой стороной необратимости разрушений является непрерывность

созидания, прогресса в системном процессе.

Для многих ученых организационные и информационные идеи врача и экономиста А.

А. Богданова казались неприемлемыми именно в силу их всеобщности, высокого

уровня абстракции. Такой высокий полет мысли смущал их, они вели против

тектологии и ее автора явную и скрытую борьбу.

А в 1940-е годы известный австрийский биолог Людвиг фон Берталанфи

опубликовал книгу «Общая теория систем», в которую вошли основные положения

тектологии. На удивительное сходство названных идей впервые указал в 1978

году американский ученый Р. Маттесич. Он высказал недоумение по поводу

отсутствия каких-либо ссылок на А. А. Богданова в работах его зарубежного

последователя: ведь труды русского учёного наверняка были известны ему в

немецком переводе.

В настоящее время для исследования процессов самоорганизации в открытых

нелинейных системах формируется новое научное направление, которое получило

наименование «синергетика». Термин синергетика ввел немецкий ученый Г. Хакен.

Буквально он означает «теория совместного действия». Синергетика являет собой

новый этап изучения сложных систем, продолжающий и дополняющий кибернетику и

общую теорию систем.

Если кибернетика занимается проблемой поддержания устойчивости путем

использования отрицательной обратной связи, а общая теория систем —

принципами их организации (дискретностью, иерархичностью и т. п.), то новая

наука фокусирует свое внимание на неравновесности, нестабильности как

естественном состоянии открытых нелинейных систем, на множественности и

неоднозначности путей их эволюции. Синергетика исследует типы поведения таких

систем, то есть нестационарные структуры, которые возникают в них под

действием внешних воздействий или из-за внутренних факторов (флуктуаций).

Синергетика - синтетическое направление, она использует достижения математики

и естественных наук, а также мощь современных компьютеров.

Профессор Г. Н. Дульнев в своей книге «Введение в синергетику» приводит

несколько вариантов определений этого нового научного направлений:

• синергетика — наука о самоорганизации физических, биологических и

социальных систем;

• синергетика — наука о коллективном, когерентном поведении систем различной

природы;

• синергетика — термодинамика открытых систем вдали от равновесия;

• синергетика — наука о неустойчивых состояниях, предшествующих катастрофе, и

их дальнейшем развитии (теория катастроф);

• синергетика — наука об универсальных законах эволюции в природе и обществе.

Исходными понятиями в синергетике являются понятия точек бифуркаций и

аттракторов.

Под точкой бифуркаций понимается состояние рассматриваемой системы,

после которого возможно некоторое множество вариантов ее дальнейшего развития.

Примерами бифуркаций являются: состояние выбора человеком варианта поступления

в высшее учебное заведение, состояние популяции при выборе под влиянием внешней

среды варианта дальнейшего развития в борьбе за существование, точки ветвления

на генеалогическом (родословном) дереве, точки перехода к разным вариантам

продолжения диалога «студент — компьютер» в процессе тестирования знаний

студента с использованием закрытых тестов (когда предлагается выбрать

правильный и полный ответ из серии предложенных); состояние борьбы двух фронтов

в атмосфере с возможными вариантами изменения погодных условий.

Наглядно-образное представление о точке бифуркаций дает картина В. М. Васнецова

«Рыцарь на распутье».

В самом общем случае точка бифуркаций может быть представлена графически так,

как показано на рис.

Рис.

Здесь она обозначена буквой В. До момента времени, соответствующего состоянию

В, система развивалась по траектории АВ. При этом вполне возможны были

некоторые флуктуации, то есть небольшие отклонения (они показаны пунктиром),

но в главных чертах система развивалась по траектории АВ.

После момента времени, соответствующего точке бифуркаций, система имеет

возможность развиваться по нескольким вариантам: ВС1 ,ВС2

,., ВСi ,..., ВСn. Та траектория или то некоторое

множество траекторий, по которым возможно развитие системы после точки

бифуркаций и которые отличаются от других относительной устойчивостью, то есть

являются наиболее реальными, называются аттракторами.

Другими словами, аттрактор —это относительно устойчивое состояние системы,

которое как бы притягивает к себе все множество траекторий развития,

возможных после точки бифуркаций.

Примерами аттракторов являются группа экономических вузов и специальностей

для абитуриента, имеющего склонность посвятить себя экономике; популяция

морозоустойчивых особей в случае наступления глобального похолодания;

актерская стезя для потомка актерских семей; совокупности правильных ответов

для студента - «отличника»; погода, соответствующая времени года.

В синергетике изучаются свойства точек бифуркаций и аттракторов и

устанавливаются закономерности развития самоорганизующихся открытых систем,

их переходы от хаоса к порядку и, наоборот, от порядка к хаосу}

В синергетике достаточно строго показывается, что никакими внешними

воздействиями нельзя «навязать» системе нужное кому-либо поведение: можно

только выбрать наиболее подходящий из потенциально заложенных в ней путей. К

сожалению, в реальной жизни этот принцип очень часто нарушается, и это

приводит иногда к тяжелым последствиям в политике, экономике, личной жизни и

т. п.

Синергетика по-новому осветила воззрения мыслителей разных эпох. Она вобрала

в себя представления Платона об эйдосах- формах и Аристотеля о внутренней

цели развития (энтелехии); Р. Декарта о космических вихрях; Г. Лейбница о

монадах, потенциально заложенном; Ф. Шеллинга о самоорганизации в природе как

аналогии творчества человеческого духа; Ф.Ницше о вечном возвращении,

цикличности; А. Бергсона о необратимости эволюции, жизненном порыве.

Синергетический подход позволяет осмыслить по-новому работы Е. С. Федорова,

А. А. Любищева, Н. А. Бернштейна, малоизвестные рукописи К. Э. Циолковского,

книги и поэзию А. Л. Чижевского. Постоянно напоминая о целостности мира, об

ускользающих от нашего внимания взаимосвязях в нем, рекомендуя чаще мыслить

«нелинейно», синергетика направляет человека на то, чтобы он был не только

умнее, но и мудрее.

3. Происхождение жизни на Земле

3.1. Образование мантии и ядра Земли.

Образование Земли связано с аккумуляцией вещества, представленного

преимущественно высокотемпературными конденсатами солнечного газа. Однако

относительно способа аккумуляции существуют различные мнения. В процессе

формирования Земли можно допустить три варианта аккумуляции.

1. Гомогенная аккумуляция, нашедшая наиболее полную раз­работку в гипотезе О.

Ю. Шмидта и его сторонников. Она привела к образованию квазиоднородной

первичной Земли. Модель пер­воначально гомогенной по составу и строению Земли

пользова­лась наиболее широким признанием. Согласно этой модели, со­временное

зональное строение Земли возникло лишь в ходе эво­люции, что выразилось в

разогревании, частичном плавлении и дифференциации земного вещества под

воздействием радиоактив­ных источников тепла.

2. Гетерогенная аккумуляция, определившая с самого начала главные черты

строения земного шара — наличие в первичной Земле металлического ядра и

мантии. При аккумуляции метал­лических частиц сначала возникло ядро, затем на

него осели бо­лее поздние конденсаты в виде силикатов, образовав мощную

ман­тию первичной планеты.

Идею о том, что Земля начала аккумулироваться первоначаль­но из металлических

частиц, высказали В. Латимер, Э. В. Соботович, П. Гаррис и Д. Тозер, а

позднее Э. Орован. В дальнейшем она была поддержана К. Таркяном и С. Кларком,

Дж. Джекобсом, А. П. Виноградовым. По К. Таркяну и С. Кларку, первичная Земля

аккумулировалась в той последо­вательности, в которой происходила конденсация

веществ из пер­вичной солнечной туманности. Крайний вариант гетерогенной

ак­кумуляции Земли был недавно предложен Д. Л. Андерсоном и Т. Ханксом,

которые полагают, что внутреннее ядро Земли приобрело свой состав за счет

самых ранних дометаллических конденсатов, внешнее ядро возникло из

металлической фракции и серы, а мантия—за счет аккумуляции силикатной

фракции. На заключительных стадиях аккумуляции произошло осаждение ма­териала

типа углистых хондритов, включая гидратированные силикаты, летучие и

органические соединения.

3. Частично гетерогенная аккумуляция без резких перерывов в составе

материалов, строящих земной шар. В этом случае наи­более резкая разница в

составе имела место лишь между цент­ральными частями Земли и поверхностными

слоями первичной мантии. При таком способе аккумуляции первоначально не было

pезких границ между ядром и мантией, подобно современному состоянию. Границы

эти установились позже в ходе дальнейшей химической дифференциации, связанной

с нагревом. Ядро Земли возникло в результате комбинации процессов

гетерогенной аккреции и последующей химической дифференциации. Выплавление

железо-сернистых масс и удаление их из разных горизонтов первич­ной Земли

путем стекания в центральные области было процессом, протекавшим асимметрично

и в дальнейшем определившим асим­метрический характер коры и верхней мантии.

В настоящее время нам довольно обоснованной представляется идея о том, что

происхождение земного ядра связано с проис­хождением (способом формирования)

самой Земли и Солнечной системы. Химическая эволюция протопланетной

туманности, рас­смотренная нами выше, при остывании газа солнечного состава

определила то обстоятельство, что в районе аккумуляции веще­ства Земли

возникли химические соединения, которые определили химический состав нашей

планеты в целом. Начало формирования Земли по всей вероятности, было связано

с первичной аккумуля­цией именно металлических частиц. В пользу этого мы

можем привести следующую аргументацию.

В процессе аккумуляции планет железоникелевые частицы имели явное

преимущество в отношении объединения перед ча­стицами другого состава. Если

аккумуляция первоначально про­исходила при высоких температурах, то капли

железа при со­прикосновении друг с другом легко сливались в тела компактной

массы, образуя зародыши планет. Если агломерация имела место при низких

температурах, то металлические частицы ввиду своей пластичности и хорошей

теплопроводности объединялись при столкновении. В этом случае происходило

поглощение кинетиче­ской энергии. Таким образом могли происходить процессы

как “горячей сварки”, так и “холодной сварки” в зависимости от тем­пературы

частиц. Заметим, что в некоторых железных метеоритах обнаружены признаки

объединения металла в результате соуда­рений.

Наконец при температурах ниже точки Кюри (1043 К для Fe, 598 К для FeS) частицы

железа и троилита могли легко намаг­ничиваться в сильном магнитном поле

первичного Солнца ив дальнейшем объединялись силами магнитного притяжения.

По­скольку силы магнитного притяжения для мелких металлических частиц на много

порядков превосходят гравитационные силы, за­висящие от масс, аккумуляция

частиц никелистого железа из охлаждающейся солнечной туманности могла начаться

при тем­пературах ниже 1000 К в виде крупных сгущений и во много раз была более

эффективной, чем аккумуляция силикатных частиц при прочих равных условиях. По

Ф. Хойлу и Н. Викрамасингу, когда происходило непрерывное сжатие Солнца,

напряженность магнитного поля могла достигать высоких значений, на два поряд­ка

превышающих современную. В этих условиях аккумуляция ферромагнитных материалов

типа железоникелевых частиц и трои­лита должна протекать наиболее эффективно,

образуя зародыши планет земного типа. Поскольку точка Кюри для железа и

же­лезоникелевых сплавов находится вблизи 1000 К, магнитные силы как фактор

аккумуляции могут вступить во взаимодействие за­долго до начала окисления

железа. П. Гаррис и Д. Тозер вычислили поперечное сечение захвата взаимно

намагниченных частиц, которое оказалось в 2-104 раз выше их

реального попереч­ного сечения. В то же время они показали, что магнитное

взаи­модействие зависит от размеров частиц. Оно весьма незначитель­ное для

частиц с диаметром менее 10--5 см, но при размерах частиц 10-4

см агрегация наступает довольно быстро. При высоких температурах (свыше 1273 К)

в газопылевом облаке все частицы могли сосуществовать независимо до падения

температуры ниже точки Кюри. Но при падении температуры ниже точки Кюри

маг­нитное взаимодействие железоникелевых частиц становилось ре­шающим фактором

аккумуляции в процессе рождения планет.

Из сказанного совершенно естественно вытекает вывод, что при самых

разнообразных условиях в первичной туманности железоникелевые сплавы должны

аккумулироваться первыми. При дости­жении достаточно крупных масс зародыши

планет в дальнейшем могли захватывать более поздние конденсаты солнечного

газа пу­тем непосредственного гравитационного захвата.

Совершенно очевидно, что описанные выше процессы вполне относят к нашей

планете, для которой гетерогенная аккумуляция представляется совершенно

неизбежной. Эта аккумуляция определила первоначальную химическую

неоднородность Земли, ее термодинамическую неустойчивость, которая в

дальнейшем предопределила ход развития Земли—дифференциацию ее мате­риала,

что привело к четкому обособлению границы между ман­тией и ядром, между

внутренним и внешним ядром...

В свете изложенного выясняется общая картина рождения Зем­ли. Рост Земли начался

с объединения металлических частиц при температурах ниже точки Кюри. Однако

нагрев первоначального металлического тела вследствие ударов частиц при

аккумуляции привела повышению температур и, возможно, устранил взаимо­действие

магнитных сил, которое было основным. Достигнув зна­чительной массы, первичное

металлическое ядро—зародыш про­должало гравитационный захват более поздних

конденсатов из окружающей среды. На этом этапе аккумуляция стала более

го­могенной, и первичная мантия накапливалась как мощная оболоч­ка в виде смеси

металлических, силикатных частиц и троилита. При этом весьма вероятно, что в

нижних горизонтах первичной мантии содержание металлических частиц было

повышенным, а в верхних горизонтах они отсутствовали. Таким образом,

первона­чальная мантия по радиусу представляла собой неоднородную смесь

металлического и силикатного материала. На поздних стадиях аккумуляции оседали

гидратированные силикаты и органические вещества. На завершающих эта­пах

аккумуляции Земля путем прямого гравитационного захвата приобрела также часть

(вероятно, небольшую) газов, в том числе Н2О, СО2, СО, NН

3, Hg, из первичной туманности в силу соб­ственного притяжения.

В связи с адиабатическим сжа­тием, радиоактивным нагревом от ныне сохранившихся

и быстро вымерших радиоактивных изотопов (244Pu, 247Cm

и 129I) и остаточной тепловой энергии от про­цесса аккумуляции в

ранние эпо­хи существования Земли происхо­дило повышение температур и материал

планеты местами начал плавиться. Максимальная темпе­ратура была приурочена к

центру с последующим ее понижением к периферии. Плавление в результате

радиоактивного нагрева и других факторов началось на определенных глубинах, где

темпе­ратура превысила точку плавле­ния наиболее легкоплавких ком­понентов при

данных условиях давления. Если состав первичной мантии представлял собой смесь

силикатной, металлической и сульфидной фаз, то температура плавления эвтектики

Fe—FeS была самой минимальной (1260 К) и в то же время она в меньшей

степени зависела от уве­личения давления. Первым и принципиально нового веществ

могло происходить в большей ча­сти объема первичной мантии. Совершенно

очевидно, что жидкая расплавленная фаза металла с примесью серы возникала в

глубоких недрах планеты легче, чем жидкие расплавленные силикатные массы.

Дифференциация гомогенной модели Земли с плавлением и погружением жидкого

железа, сформировавшего ядро Земли, должна была существенно поднять температуру

планеты. При полном погружении железа температура должна была повысить­ся на

2270 К, при этом в масштабе всей Земли выделилась бы энергия, равная 15*10

30 Дж, по расчетам Г. Юри—4,78*1030 Дж, а Е. Люстиха—16,7*10

30 Дж. Это громадное количество тепла должно было расплавить всю нашу

планету или же ее большую часть. Однако никаких признаков такого события мы не

находим. По гетерогенной модели аккумуляции Земли этого не происходи­ло.

Стекание железосернистых масс, охватившее лишь нижние горизонты мантии, привело

к сравнительно небольшому выделе­нию общего тепла. В отношении оценки времени

не будет большой ошибкой допустить, что образование современного ядра Земли

(внешнего железосернистого) произошло в интервале 4,6-4 млрд. лет назад.

Таким образом, по предложенной модели основная масса ядра образовалась в

период формирования Земли за счет аккумуляции металлических частиц, а

последующее выплавление железосернистых масс в нижних частях первичной мантии

завершило формирование всего ядра Земли в целом.

3.2. Дифференциация мантии и образование коры, гидросферы и атмосферы.

В свете современных геохимических и космохимических дан­ных дифференциация

первичной мантии имела двухстороннюю направленность. С одной стороны,

происходило выплавление наи­более легкоплавких, но тяжелых

компонентов—железосернистых масс с опусканием их к центру ввиду высокой

плотности и низ­кой вязкости, что привело к формированию внешнего ядра. С

дру­гой стороны, выплавлялись менее легкоплавкие, но обогащенные летучими

силикатные фракции, что привело к образованию ба­зальтовой магмы и

впоследствии к формированию базальтовой коры океанического типа. Если первый

(первый также и в хроно­логическом отношении) процесс приводил к извлечению

из пер­вичной мантии преимущественно сидерофильных и халькофильных химических

элементов и их сосредоточению в центральном ядре, то второй—к центробежной

миграции преимущественно литофильных и атмофильных элементов.

Однако геохимические свойства элементов в зависимости от конкретных физико-

химических условий могут меняться. О сте­пени химической дифференциации

мантии в какой-то мере мож­но судить, сравнивая относительную

распространенность некото­рых элементов верхней мантии и различного типа

хондритов. Так, например, отношение Ni: Fe в современной мантии составляет

около 0,03, т. е. оно значительно ниже, чем в хондритовых метео­ритах, но

выше, чем в метеоритных силикатах. Это можно объ­яснить тем, что на ранней

стадии развития Земли большая часть никеля была удалена из мантии путем

сегрегации сульфида и металла в ядро. Сравнение относительного

распространения шес­ти типичных литофильных элементов верхней мантии Земли с

их метеоритным распространением, согласно расчетам Р. Хатчисона, представлено

в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что фракционирование литофильных эле­ментов в мантии Земли

отличается от такого в хондритовых ме­теоритах. Наблюдается общая тенденция

убывания концентрации первых пяти элементов от углистых хондритов до

энстатитовых. Верхняя мантия Земли обогащена Al, Mg и Са и обеднена Ti и Сr

относительно углистых хондритов. Обеднение верхней мантии Ti и Сr можно

объяснить их удалением в былые времена в ядро в виде сульфидов. В связи с

этим следует отметить, что в сильно восста­новленных энстатитовых хондритах

весь Сr находится в добреелите, а 75% Ti—в троилите.[7]

Таблица 1.

Фракционирование литофильных элементов относительно углистых хондритов

Элемент	Верхняя мантия свободная от	Современная верхняя мантия	Хондриты
			углистые	обычные	энстатитовые
Si	1,00	1,00	1,00	1,06	1,00
Ti	0,46	0,65	1,00	0,74	0,55
Al	1,06	1,05	1,00	0,71	0,55
Сг	0,47	0,58	1,00	0,82	0,77
Mg	1,29	1,23	1,00	0,90	0,74
Са	1,13	1,10	1,00	0,67	0,53

Условия верхней мантии были не та­кими восстановительными, как это имело

место в случае форми­рования энстатитовых хондритов, поэтому более высокое

содер­жание Ti и Сг находилось в окислах, что, естественно, связано с формой

нахождения Fe в верхней мантии. Известно, что Fe в эн­статитовых хондритах не

окислено и в их металлической фазе присутствует Si.

Из изложенного вытекает очень малая вероятность того, чтобы легким элементом

в ядре Земли был Si, как это допускается не­которыми исследователями.

Удаление свыше половины Ti и Сг и значительной доли Ni из верхней мантии в

ядро, вероятно, име­ло место во время ранней дифференциации земного шара.

Распро­страненность главных литофильных элементов в верхней мантии сходна с

моделью формирования Земли, в которой аккумуляция началась с ядра, где

сконцентрировался металл, а затем оседал материал, близкий по составу к

обычным и углистым хондритам, несколько обогащенным железом. Затем

парциальное плавление вызвало определенную потерю сидерофильных и

халькофильных (и некоторых литофильных) элементов в первичной силикатной

мантии и поступление их в ядро.

Парциальное плавление силикатного материала мантии, обо­гащенного летучими,

происходило в пределах верхних горизонтов первичной мантии. Оно началось

позже плавления сульфидного эвтектического материала (сульфид + металл).

Поскольку увели­чение давления препятствовало плавлению силикатного

материа­ла на больших глубинах значительно в большей мере, чем плав­лению

металлических и сульфидных веществ, то оптимальные условия для плавления

силикатных веществ существовали на определенных критических глубинах. Как

вытекает из расчетов Ф. Берча для хондритовой модели Земли, плавление могло

происходить в интервале глубин 100—600 км. Возможное при­сутствие летучих

несколько уменьшало эти глубины. В связи с этим следует отметить, что

плавление началось в пределах того слоя первичной верхней мантии, в котором в

процессе аккумуля­ции появился материал, близкий к углистым хондритам (С1),

т.е. Земля приобрела гидратированные силикаты, летучие компоненты и первые

органические соединения в виде сложных углеводоро­дов, аминокислот и др.

В легкоплавких силикатных фракциях материала первичной, мантии накапливались

наиболее типичные литофильные элемен­ты, поступившие вместе с газами и парами

воды на поверхность первичной Земли. Большая часть силикатов, преимущественно

железомагнезиальных, при относительном завершении планетар­ной дифференциации

образовала мощную мантию планеты, а про­дукты ее выплавления дали начало

развитию алюмосиликатной коры, первичных океана и атмосферы, насыщенной СОз.

Процесс плавления мантии, определивший центробежную миг­рацию расплавов и

растворов, был гетерогенным. Он отмечается изотопным составом элементов из

пород мантийного происхож­дения. Обнаружено, что в мантии сохраняются участки с

разным соотношением стабильных изотопов, что было бы невозможным при общем

плавлении и гомогенизации мантии большого масшта­ба. Данные измерений

изотопного состава углерода из образцов мантийного происхождения привели Э.

Галимова к выводу о существовании двух направлений изотопных измерений

углеро­да. Углерод в мантии находится в двух различных формах, или фазах.

Изотопный состав углерода этих фаз различен, как и раз­лична химическая форма

нахождения, подобно тому, что обна­ружено в метеоритах. Так, углерод,

рассеянный в каменных ме­теоритах, более обогащен легким изотопом (12

С), в то время как углерод, находящийся в графите и органическом веществе, более

тяжелый (13С). При образовании Земли эти две формы углерода были

унаследованы планетой на последних стадиях ее аккумуля­ции.

Э. Галимов отмечает, что изотопный состав не только углеро­да, но и некоторых

других элементов земной коры обнаруживает поразительное сходство с изотопным

составом тех же элементов углистых хондритов при весьма отдаленном сходстве с

другими каменными метеоритами. Эти данные, во-первых, подтверждают

гетерогенную аккумуляцию и тот факт, что в завершающих ее этапах участвовало

вещество, аналогичное составу углистых хонд­ритов. Во-вторых, образование зон

и очагов плавления в мантии было таким, что оно не смогло гомогенизировать

изотопный со­став ряда химических элементов.

Дополнительные свидетельства в пользу гетерогенной аккуму­ляции мантии и ее

последующей гетерогенной дифференциации мы находим в данных по изотопному

составу Sr и РЬ в вулканиче­ских породах, материал которых возник на разных

горизонтах в самой мантии. Для исследования ранних процессов дифференциа­ции

мантии мы можем использовать изотопные пары: 238U--206

Pb, 87Rb—87Sr, поскольку все четыре элемента геохимически

ведут себя по-разному в обстановке парциального плавления материала мантии. В

ряду элементов летучесть возрастает в такой последо­вательности: U,

Sr<Rb<Pb. Отсюда в паре U—Pb мы имеем тугоплавкий родоначальный элемент и

летучий дочерний. Для пары Rb—Sr имеет место обратное соотношение. В процессе

ге­терогенной аккумуляции первичной мантии в ее глубоких гори­зонтах

содержалось повышенное количество U и Sr, но она была обеднена РЬ и Rb.

Первичная мантия, сложенная в верхних горизонтах материалом, близким к углистым

хондритам С1, была относительно обогащена РЬ и Rb и обеднена U и Sr. Поэтому в

породах, впоследствии возникших на разных глубинах мантии, должна наблюдаться

антикорреляция между изотопными отно­шениями 204Рb : 204

Rb и 87Sr : 86Sr. Возможность такой антикорре­ляции

недавно отметил Р. Хатчисон. Так, высокое значение отношения 204Рb

: 204Rb и низкое 87Sr : 86Sr. отмечено

для вулкани­ческих пород Канарских островов, островов Вознесения и базальтов.

о. Св. Елены. Обратное соотношение антикорреляции (низкое отношение 204

Рb : 204Rb и высокое 87Sr : 86Sr.)

характерно для вул­канических пород островов Тристан-да-Кунья и др. Эти

примеры, по-видимому, указывают на неполное смешивание материала ман­тии, а

лавы с островов Тристан-да-Кунья возникли из мантии, обогащенной С1

компонентом, в то время как источник других вулканических образований был

обеднен этим компонентом.

Для юных лав Исландии разных этапов извержения изотопные измерения обнаружили

антикорреляцию, возрастающую в ходе времени: увеличение отношения204

Рb : 204Rb сопровождается уменьшением отношения 87Sr

: 86Sr. Это можно рассматривать как результат того, что лавы могут

возникать от прогрессивно углуб­ляющегося источника, в котором содержание С1

компонента мед­ленно уменьшается с глубиной. Таким образом, изотопные отношения

РЬ и Sr в вулканических породах как продуктах вы­плавления мантийного материала

определенно указывают на ге­терогенность мантии; что является отдаленным

отражением ее ге­терогенной аккумуляции в начале образования нашей планеты. Для

более полного обоснования этих представлений необходимы дополнительные

измерения изотопного состава РЬ и Sr из много­численных вулканогенных пород,

включая наиболее древних пред­ставителей из земной коры разных структурных

типов.

Основываясь на данных об изотопных отношениях РЬ и Sr в вулканических

породах, Р. Хатчисон предложил модель формирования первичной мантии как

результат двухстадийного процесса. На первой стадии материал обычных

хондритов обра­зовал Землю, что сопровождалось нагревом, парциальным

плав­лением, и в конце концов верхняя часть примитивной Земли суще­ственно

лишилась натрия и других более летучих элементов. Вто­рая стадия

ознаменовалась периодом длительного охлаждения, когда материал типа С1

добавился к тугоплавкой примитивной верхней мантии.

В результате плавления и дегазации верхней мантии на по­верхность Земли могли

поступать в основном три фракции ман­тийного материала: базальтовая магма, а

также растворенные в ней вода и газы. Каждое излияние базальтов сопровождалось

выносом определенного количества воды, поскольку в самой базаль­товой

(габброидной) магме могло содержаться до 7 вес. % рас­творенной воды. А. П.

Виноградов высказал мысль о взаимосвязи между количеством излившихся базальтов

и поступившей на по­верхность Земли ювенильной воды. На поверхность первичной

планеты поступали Н2О, С02, СО, СН4, S, NaS, Н

3ВО3, НС1, HP, a также Не, Ne, Ar, Кг, Хе. Эти газы составляли

первичную атмо­сферу Земли, хотя их количественные соотношения вряд ли удаст­ся

выяснить достаточно точно. Однако на первом месте стояли Н2О и СО

2. Если температура поверхности молодой планеты пре­вышала 370 К, то

основная часть атмосферы состояла из паров воды и углекислого газа. Но такая

горячая атмосфера вряд ли могла существовать долгое время в связи с явлениями

конвекции и быстрым охлаждением поверхности самой Земли.

Гидросфера, включающая Мировой океан, возникла из паров мантийного материала,

и первые порции конденсированной воды на Земле были кислыми. Они представляли

собой раствор с при­сутствием анионов F, C1, Вг, I, которые и сейчас

характерны для морской воды. Отсюда неизбежно следует, что первые ювенильные

воды поверхности Земли были минерализованными, а прес­ные воды появились

позже в результате испарения с поверхности первичных океанов, что было

процессом естественной дистилля­ции. Выпадение атмосферных осадков на

поверхность суши могло привести к образованию в пониженных участках рельефа

первых пресноводных водоемов. В первичном океане сульфаты присут­ствовали в

ничтожных количествах, так как было очень мало сво­бодного кислорода для

окисления HgS и образования сульфатов.

Первичная атмосфера Земли была восстановительной и в ней не было свободного

кислорода. Только незначительные его коли­чества формировались от воздействия

солнечной радиации на мо­лекулы водяных паров и углекислоты, которые

разлагались путём фотодиссоциации.[8]

Нам сейчас трудно восстановить химический облик первичной атмосферы Земли.

Возможно, значительные количества водорода и гелия диссипировали в

космическое пространство, хотя коли­чественную оценку этой потери дать

трудно.

Решающее значение в изменении химического состава первич­ной атмосферы имело

появление фотосинтезирующих организмов, потребляющих Н2О и СОз из

внешней среды, что вызвало также химические изменения в Мировом океане. Первыми

фотосинтезирующими организмами были, вероятно, синезеленые водоросли или их

предки, возникшие в верхних зонах океана на определен­ных глубинах. Эти глубины

определялись слоем воды около 10 м, который поглощал ультрафиолетовую радиацию

Солнца, предо­храняя организмы от ее губительного действия. Изучение изотоп­ной

истории кислорода в биосфере показало, что свободный кис­лород как активный

геохимический фактор образовался преиму­щественно за счет фотосинтетического

разложения Н2О организ­мами фитопланктона. С появлением свободного

кислорода первичная атмосфера нашей планеты изменилась до неузнаваемости.

Количество свободного кислорода прогрессивно возрастало, актив­но окисляя

многие вещества окружающей среды. Так, свободный кислород быстро окислил NН

3, СН4, СО, а сернистые газы S и H2S были превращены

в сульфаты океанической воды. Со времени дей­ствия процесса фотосинтеза СО

2 быстро потреблялась фитопланк­тоном, а также связывалась в карбонатных

осадках. Вся дальней­шая деятельность фотосинтезирующих организмов стала

направ­ленной на интенсивное извлечение СОз из атмосферы.

Таким образом, верхние легкие оболочки Земли—атмосфера, гидросфера и отчасти

определенные части коры возникли глав­ным образом за счет дегазации мантии.

Естественно, что дегазания мантии Земли и связанная с ней миграция

литофильных эле­ментов в силикатных расплавах происходила наиболее интенсивно

на наиболее ранних периодах развития Земли, учитывая ра­диоактивный нагрев и

нагрев от экзотермического эффекта завер­шения формирования земного ядра. В

последующую геологиче­скую историю дегазация затухала, периодически

возобновлялась в подвижных зонах земной коры и верхней мантии при рождении

вулканов в горных поясах и в виде островных дуг в периоды горо­образования.

Дифференциация вещества Земли с начала ее образования имела различную

скорость. Так, завершение формирования внеш­него ядра Земли в результате

центростремительной миграции сидерофильных и халькофильных элементов

произошло относитель­но быстро и в современную эпоху едва ли продолжается в

значи­тельных масштабах. Однако что касается центробежной мигра­ции, то она

имела место во всей истории Земли и продолжается в современную эпоху.

Заключение

Таким образом, мы рассмотрели: системный подход и особенности его применения,

различные типы и виды систем, основы синергетики, понятие самоорганизации,

происхождение жизни на Земле.

Системы, находящиеся вдали от термодинамического равновесия, могут

обмениваться с окружающей средой не только энергией, во я массой вещества.

Такие системы в отличие от замкнутых называются открытыми. Энергия в них

может рассеиваться к необратимым образом переходить в другие виды энергия,

например энергию колебательного или теплового движения «томов. Иногда такие

системы называют диссипативными.

До последнего времени работ, непосредственно относящихся к самоорганизации в

геологических процессах и физических полях Земли, не было. Науки о Земле пока

обходились без методов синергетики. "Да и самой науки "синергетики" физически

пока нет, и трудно сказать, будет ли она существовать"[6], хотя в настоящее

время накоплен уже большой экспериментальный материал по явлениям

самоорганизации в различных областях естествознания. Сложность приложения

идей синергетики для анализа процессов протекания геологических процессов,

заключается в отсутствии единого феноменологического подхода к анализу

формирования и преобразования геологических тел. Многообразный характер

геологических тел, сопряженность одновременно протекающих различных физико-

химических процессов, затрудняют создание корректных моделей, учитывающих

изменение энергетического состояния и баланса масс в системе и ее

подсистемах.

Использованная литература:

1. Данилова «Концепции современного естествознания»

2. Горелов «Концепции современного естествознания»

3. Эткинс П. «Порядок и беспорядок в природе»

М-1987, «Мир»

4. Грушевитская «Концепции современного естествознания»

5. Потеев «Концепции современного естествознания»

Питер-1999

6. «Самоорганизация в природе.» Материалы семинара,

Выпуск 2, Томск-1998.

7. Войткевич Г.В. «Основы теории происхождения Земли» М.-1979, “Недра”.

8. Рингвуд А.Е. «Состав и происхождение Земли». М.-1981, “Наука”.