Естествознание. Базовый уровень. 11 класс - Сергей Титов

Как и прежде, мы обратим внимание на тот факт, что такие закономерности присущи уже химическим реакциям. Если в сосуд, где протекает реакция, постепенно добавлять какое-то вещество, то до определённого времени эта реакция протекает по закономерной устойчивой траектории, т. е. количество продуктов реакции в каждый момент её протекания вполне предсказуемо. Но когда концентрация этих продуктов достигает определённого уровня, состояние химической системы становится неустойчивым, и она должна резко измениться. Такое состояние в синергетике называется точкой бифуркации. В этой точке концентрация одного из входящих в смесь веществ должна либо резко возрасти, либо резко снизиться.

Рис. 36. Многообразие структур снежинок

Часто невозможно предугадать, какой именно из этих двух вариантов осуществится, потому что результат зависит от случайной флуктуации, которая произойдёт в момент «выбора».

В физике тоже можно найти состояния, которые можно определить как точки бифуркации. Одним из примеров такого состояния служит образование снежинок. При охлаждении водяного пара молекулы воды внезапно образуют кристаллические структуры. При этом все снежинки представляют собой шестигранники, но форма этих шестигранников может быть совершенно различной и зависит от случайных процессов, которые происходят в начале образования снежинки (рис. 36).

На этом мы пока закончим знакомство с основными принципами синергетики, но поскольку эта наука оказывается применимой в самых различных областях человеческого знания, мы в дальнейшем ещё будем к ней обращаться при изучении биологических проблем.

1. Опишите процесс построения термитника.

2. Что можно считать параметрами порядка в человеческом обществе?

3. Что такое точка бифуркации? Какой фактор определяет, как пойдёт дальнейшее развитие системы после прохождения точки бифуркации?

Придумайте самостоятельно пример самоорганизации и точки бифуркации в какой-либо физической, биологической или социальной системе. Обоснуйте свой выбор. Обсудите в классе этот и другие примеры, предложенные вашими одноклассниками.

Попробуйте смоделировать ситуации, в которых возможно применение знаний, полученных при изучении этой главы.

Строение и деятельность живых систем. Молекулы и клетки

§ 17 Что такое жизнь?

Между живыми и косными естественными телами биосферы нет переходов – граница между ними на всём протяжении геологической истории резкая и ясная. Материально-энергетическое в своей геометрии, живое естественное тело, живой организм отличен от естественного тела косного. Вещество биосферы состоит из двух состояний, материально-энергетически различных, – живого и косного.

Если серьёзно задуматься над вопросом, сформулированным в названии параграфа, то окажется, что ответить на него весьма непросто. В практической жизни мы легко отличаем живое от неживого. При этом мы часто, даже если это и неоправданно, склонны приписывать живым организмам качества, свойственные человеку. Например, известно такое выражение: «Он такой добрый человек, что даже мухи не обидит». То есть предполагается, что муху можно обидеть! Вы когда– нибудь видели обиженную муху? Думаю, что нет. Тем не менее мы знаем, что муха живая, а следовательно, ей может быть присуще такое человеческое чувство, как обида. В то же время никто не скажет «он компьютер не обидит», хотя по своим внешним, «интеллектуальным» проявлениям компьютер гораздо сложнее мухи. Но он неживой, а следовательно, по нашему мнению, не может ничего чувствовать. Человеку, портящему компьютер, могут быть предъявлены только материальные претензии, в то время как тот, кто мучает собаку, крысу и даже лягушку или рыбу, может заслужить моральное осуждение.

Но всё это – рассуждения на бытовом уровне. А как обстоит дело с научной точкой зрения по этому вопросу? Дать однозначное определение понятия «жизнь» практически невозможно. Поэтому мы просто перечислим основные свойства, присущие живым организмам.

Прежде всего, напомним, что все живые системы являются открытыми, т. е. они обмениваются с внешней средой веществом и энергией. Из этого и вытекают некоторые их свойства.

Все живые организмы, будучи открытыми системами, должны поглощать из окружающей среды вещество, т. е. питаться. По типу питания организмы делятся на гетеротрофные, которым для питания требуются органические вещества, и автотрофные, которые питаются веществами неорганическими. Гетеротрофные организмы – это все животные, грибы и большинство бактерий. Они могут быть хищниками, убивающими и поедающими своих жертв[7]; паразитами, живущими за счёт других организмов, но не убивающими их; сапрофитами или сапрофагами (к ним, например, относят бактерии гниения), питающимися веществами уже умерших организмов.

Автотрофными организмами являются растения и некоторые виды бактерий. Они поглощают из окружающей среды неорганические вещества, такие как вода, углекислый газ и минеральные соли, и производят из них органические соединения, используя для этого энергию света (фотосинтетики) или энергию окислительно-восстановительных химических реакций (хемосинтетики). Иногда, хотя и очень редко, встречаются миксотрофные организмы, способные к обоим типам питания.

Поскольку живые организмы представляют собой открытые системы, они также должны обмениваться с окружающей средой энергией. Как нам известно, получение энергии в виде тепла является малоэффективным, так как большая часть такой энергии представляет собой связанную энергию. Поэтому основную часть необходимой для их жизнедеятельности энергии живые организмы получают, разлагая сложные органические соединения до более простых, в конечном счёте – до воды и углекислого газа. Этот процесс называют дыханием. Он свойственен как гетеротрофным, так и автотрофным организмам. Различие между ними состоит только в том, что гетеротрофные организмы получают органические вещества в готовом виде, а автотрофные сначала синтезируют органические вещества, а уж затем расщепляют их с выделением энергии.

Большинству организмов для полноценного дыхания необходим кислород, который они получают из атмосферы. Такие организмы называются аэробными (от греч. «аэр» – воздух). Поэтому часто мы используем слово «дыхание» для обозначения газообмена между организмом и внешней средой. С научной точки зрения этот этап называют внешним дыханием, в отличие от клеточного дыхания, которое описывает процесс разложения органических веществ с выделением энергии. Существует ещё и анаэробное дыхание, не требующее кислорода. Им обладают некоторые бактерии и паразитирующие черви. Анаэробное дыхание является менее эффективным, чем аэробное. Оно часто протекает по типу брожения, в результате которого образуются не вода и углекислый газ, а некоторые органические соединения. Примером может служить молочнокислое или спиртовое брожение.

В процессе дыхания многие органические соединения, а также соли различных металлов становятся бесполезными и даже вредными для организма и поэтому организм должен от них постоянно избавляться. Процесс выведения уже использованных и более ненужных организму веществ называют выделением. У всех животных существуют специальные выделительные системы, которые имеют различное строение – от выделительных вакуолей (у амёбы) до почек (у позвоночных). Через эту систему отработанные и вредные вещества выводятся обычно в виде водных растворов. У растений специальной выделительной системы нет, поэтому они избавляются от накопившихся вредных соединений различными способами, например сбрасывают листья. У некоторых животных с небольшой продолжительностью жизни существуют так называемые «почки накопления», где вредные вещества откладываются и изолируются от остального организма на весь короткий срок жизни животного.

Размножение – это одно из самых загадочных природных явлений, присущее всем живым организмам. Суть его заключается не только в создании новых организмов, похожих на родительские, но и в том, что эти организмы каждый раз начинают свою жизнь сначала. Всем известно, что каждый отдельный организм со временем стареет и в конце концов умирает, однако жизнь в целом не только бессмертна, но и способна к прогрессивному эволюционному усложнению. Способность передавать в процессе размножения свои признаки потомству называют наследственностью. Изменчивость – свойство, противоположное наследственности; способность живых организмов существовать в различных формах, т. е. приобретать новые признаки, отличные от качеств других особей того же вида.