Помоги проекту - поделись книгой:
Н. С. Печуркин
Энергия и жизнь
Глава 1. О прогрессивном развитии в биологии
Мы, разумные существа, не должны забывать, что наша цивилизация — лишь одно из замечательных явлений природы, зависящих от постоянного притока концентрированной энергии солнечного излучения.
Вопрос о движущих силах развития жизни, о направлении эволюции, ее прогрессе, по образному выражению Н. В. Тимофеева-Ресовского, «это самое больное место всех биологов». В одной из последних работ Николай Владимирович писал, что не существует мало-мальски приемлемого, логичного понятия прогрессивной эволюции и что «сегодня никто не может дать серьезный ответ на вопрос, ведет ли отбор автоматически к прогрессивной эволюции» [Тимофеев-Ресовский, 1980. с. 63].
Проиллюстрируем неоднозначность и неопределенность трактовки прогрессивного развития жизни на нескольких примерах. Известные теоретики П. Эрлих и Р. Холм в книге «Процесс эволюции» [М., 1976] отмечают, что основной вопрос остается без ответа: почему в ходе эволюции ДНК создала для своего собственного воспроизведения трубкозубов и людей, тогда как бактерии и другие простые организмы, казалось бы, могут не хуже служить для этой цели? Наиболее образно высказался современный биолог-эволюционист Р. Левонтин [1978]. Он сравнил существующую теорию эволюции с машиной, активно перерабатывающей огромное количество сырья (особенно с помощью новых методов молекулярной биологии и генетики), которое, к сожалению, почему-то не превращается в готовый продукт.
Можно привести еще много таких высказываний. Их основу составляет неудовлетворенность современным состоянием эволюционной теории, особенно при объяснении прогрессивного развития. Вопрос действительно «больной», и однозначного мнения нет. Некоторые представители ортодоксальной точки зрения, полагая. что здание эволюционной теории полностью построено, склонны аттестовать любые виды критики как рецидив ламаркизма, другие соглашаются, что есть недоработки, поскольку в последние годы число попыток модифицировать представления о развитии жизни заметно возросло.
В целом эволюционная теория с успехом выполняет пока только функцию объяснения существующего и «практически неспособна выполнять задачи предсказания» [Борзенков, 1982, с. 16]. Описательность биологии бросается в глаза; однако умение теории отвечать на вопрос «как?», не затрагивая ответа на вопрос «почему?», уменьшает ее шансы называться теорией.
С исторической точки зрения понятно, почему представления о прогрессивной эволюции не были необходимым звеном развития дарвинизма на начальных этапах. Сам Ч. Дарвин, разрабатывая учение о происхождении видов путем естественного отбора, одним из главных достижений считал изгнание телеологии из теории об эволюционном развитии жизни. В то время это было действительно важно для материалистического понимания и объяснения эволюции, И поэтому Ч. Дарвин, всегда корректно и внимательно относившийся к взглядам оппонентов, резко выступал против укоренившихся натурфилософских представлений о внутреннем стремлении живых организмов к усложнению организации, к совершенству (по его словам, «этого дурацкого ламарковского стремления к совершенству»). Отсюда и появляется избыточное акцентирование внимания на стохастичности в противовес стремлению к предначертанным идеальным формам структуры или движения, представления о которых развивал великий Аристотель.
По Ч. Дарвину, процесс приспособления способен случайно приводить к изменениям, которые можно рассматривать как прогресс, но нет внутреннего механизма, обеспечивающего неуклонное совершенство. Сам Ч. Дарвин в своих письмах напоминал; «Никогда не применяйте слова „выше“ или „ниже“» (цит. по. [Майр, 1981, с. 20]).
Однако, оценивая факты, иллюстрирующие «уравновешение и экономию роста», Ч. Дарвин [1912, с. 117] отмечал, что они «могут быть подведены под общин принцип, а именно, что естественный отбор непрерывно пытается экономизировать всякую часть организации...».
Таким образом, начиная с основателя, дарвинизм не дает определения прогресса, особенно на уровне организма, но он дает в руки эволюциониста ясное понимание того, что существует очень сильное оружие, действующее на популяционном уровне,— естественный отбор (как отмечает Э. Майр, именно популяционное мышление было наиболее революционной идеей теории Ч. Дарвина).
Крупнейший синтез биологии XX в., исторически трудно складывавшийся — синтез дарвинизма и генетики — современная синтетическая теория эволюции (в основном микроэволюции), также не дает строгого определения «прогресса» в направлении эволюции. «Современная наука пока не в состоянии дать общего определения понятию „прогресс“ в биологии. Возможно, такого рода определение не будет найдено и в будущем...» [Яблоков, Юсуфов, 1976, с. 268]. Однако, отмечая «постоянно растущую в процессе эволюции сложность биосферы, связанное с ней усиление давления жизни и разнообразие групп организмов», авторы цитированного учебника говорят о неизбежности «не только появления все более сложных существ и органов, но и их энергетического совершенствования» [Там же, с. 266].
Естествознание XIX в. по праву гордилось двумя крупнейшими достижениями: разработкой материалистической концепции эволюции в науках о живой природе и разработкой концепции энергии в развитии физики. Несомненно, что поиск внутренней связи между этими концепциями был предметом многих исследований. Так, К. А. Тимирязев еще в 1912 г. подчеркивал, что вопрос о космической роли растений является какой-то пограничной областью между двумя великими обобщениями прошлого века, между учением о рассеянии энергии и учением о борьбе за существование. Однако попытки найти простые формальные связи и вывести на их основе энергетические принципы развития жизни оказались практически безрезультатными. Более того, непосредственное приложение термодинамических законов к анализу явлений жизни привело к прямому противоречию: эволюция (развитие) живых систем происходит в направлении, противоположном указываемому вторым началом термодинамики (вместо деградации системы и роста энергии — повышение организации системы). Следовательно, согласно представлениям классической термодинамики, жизни как устойчивого явления не должно существовать. Сам факт наличия и развития жизни убедительно демонстрирует некорректность выводов подобного рода. «Жизнь не укладывается и посылки, в которых энтропия установлена», — отмечал В. И. Вернадский [1960, с. 85].
Потребовалось развить новую область, термодинамики — неравновесную термодинамику, на основе которой оказалось возможным ввести термодинамические критерии эволюции открытых систем. В применении к живым системам, открытость которых является одним из важнейших свойств, эти критерии определяют устойчивость стационарного состояния (а не равновесия — аналога смерти!), в котором скорость производства энтропии и, следовательно, рассеяния энергии минимальна.
И опять физический критерий эволюции не соответствует развитию реальных живых систем, которые в эволюции явно увеличили и рассеяние, и использование потоков энергии, пропускаемых через себя.
Физики и механики назвали энергию «царицей мира», а энтропию — ее «тенью». Понятие энтропии имеет двойственную природу. (Третью сторону — информационную — мы пока не затрагиваем.) С одной стороны, энтропия характеризует рассеиваемое системой «бесполезное» тепло, а с другой— является мерой упорядоченности (с ростом энтропии увеличивается беспорядок — в этом проявляется «теневой» смысл энтропии). Так вот в биологии, где упорядоченность структур почему-то возрастает, больше внимания уделялось энтропии, чем энергии. «Царица мира»— энергия оказалась в тени своей собственной «тени» — энтропии. Много говорилось об отрицательной упорядочивающей энтропии, присущей живым организмам. Даже солнечный свет предпочитали рассматривать как «мощный источник отрицательной энтропии», а не как поток энергии [Шредингер. 1972, с. 70]. А между тем для существования любого стационарного состояния открытой системы необходим поток свободной энергии извне, а не поток отрицательной энтропии в систему, или негэнтропии, как это следовало из вывода Э. Шредингера, наиболее часто упоминаемого в литературе. Самым простым подтверждением этому является возможность гетеротрофного роста клеток (т. е. синтеза сложных биополимеров и структур) на простых неорганических солях и углеводах (и даже углеводородах). Еще более убедителен хемо- и фотоавтотрофный рост, где используются лишь простые неорганические соединения и поэтому о питании отрицательной энтропией (или на языке термодинамики — высокоупорядоченными структурами) не может быть и речи. Однако абсолютно необходимым условием развития во всех упомянутых случаях является поток свободной энергии в различных формах (при окислении органических соединении; выделяемой в экзергонических реакциях окисления неорганических веществ типа реакции образования «гремучего газа»; энергии квантов света).
В целом термодинамический анализ возможности устойчивого существования стационарных состоянии диссипативных структур (т. е. обладающих определенным уровнем организации), согласно И. Пригожину, не указывает пути эволюции этих состояний.
Итак, и к настоящему моменту физика и биология не дают единой картины развития, перехода от сложных физических к простым (но еще более сложным на самом деле) биологическим структурам. Ситуация настолько драматична, что вместо ожидаемого синтеза имеет место прямое размежевание. Физики в данном случае «отгородились» принципом дополнительности, который ввел знаменитый Н. Бор. Согласно этому принципу, некоторые понятия несовместимы и должны восприниматься как дополняющие друг друга. «Идея дополнительности,— пишет известный физик-теоретик А. Б. Мигдал [1983, с. 39],— позволяет понять и примирить такие противоположности, как физическая закономерность и целенаправленное развитие живых объектов». Дополнительность, а с нею и несводимость физико-химической причинности и биологической целенаправленности декларировал и сам Н. Бор.
В свою очередь, и биологи «не остаются в долгу», заявляя об уникальности и неповторимости биологической эволюции. По словам крупного эволюциониста Э. Майра [1981, с. 26], «биологическая эволюция — это результат особых процессов, вторгающихся в особые системы», а органическая эволюция «отличается от эволюции Вселенной и от других процессов, с которыми имеют дело физики». Об эволюционном прогрессе Э. Майр пишет: «Никакой программы, которая регулировала или направляла этот прогресс, не было; он был результатом решений, принимаемых отбором, „на каждый данный момент“» [Там же, с. 23].
Такие размежевание наук о природе приводит к формулировке гипотез, иногда почти совпадающих с вымыслами художественной фантастики. Например, выдвигается так называемый антропоцентристский, или антропный, принцип. Суть его сводится к тому, что Вселенная устроена таким образом, чтобы в ней мог существовать человек. На примерах анализа фундаментальных физических констант показывается, что только в узком диапазоне их значений возможно существование сложных структур вплоть до живых систем. И поэтому данные константы (или их комбинации) именно таковы, чтобы наши живые структуры могли существовать. В последнее время делается вывод об особом положении Солнца в так называемом «галактическом поясе жизни», в относительно спокойной зоне синхронного вращения спиральных рукавов Галактики и межзвездного газа. Такой вывод близок к теологическим толкованиям, ставившим в основу мироздания нашу планету и ее Творца, создавшего человека по своему образу и подобию.
Но все успехи естествознания были связаны именно с отходом от антропоцентризма. Достаточно вспомнить Коперника, Галилея, Ньютона, Лапласа, Эйнштейна.
В биологии развития очевидным следствием антропоцентризма и натурфилософии является моноцентризм. Первым его проявлением (имеется в виду естественнонаучная трактовка эволюции) был организмоцентризм. Концепция организмоцентризма привела к ламаркистскому чисто телеологическому объяснению. Затем сложилось представление о виде, и он стал претендентом на центральное положение в биологии развития. Фундаментальное учение Ч. Дарвина о естественном отборе — результат видоцентризма. Ограниченность видоцентризма в том, что естественный отбор выступает чем-то самодовлеющим, «вещью в себе», с его непредсказуемым стохастическим механизмом действия (см. выше цитату из Э. Майра). Недаром яркий и оригинальный критик дарвинизма А. А. Любищев [М., Проблемы формы, систематики и эволюции организмов, 1982, с. 161, 196] обвинял оппонентов в том, что у них «отбор исполняет обязанности всемогущего господа бога», особенно в объяснении прогрессивной эволюции. Однако сам, находясь в плену организмо- и морфоцентризма. прибегал к схоластическим представлениям о единой гармонии природы и о наличии творческого начала, подобного сознанию, когда пытался объяснить сходства и различия форм среди неживой и живой природы.
Недостаточность одного из относительно новых «центризмов» (можно назвать его «ДНК- или геноцентризмом») в последнее время становится также наглядной, особенно при объяснении движущих сил развития жизни (вспомним цитату из П. Эрлиха и Р. Холма). Ответ молекулярных биологов и генетиков — «гены хотят жить и размножаться в замкнутой системе ДНК» — также нельзя признать научным, хотя он используется в завуалированной форме. При этом подходе центральным кирпичиком мироздания служат клетка и со компоненты, включая полимерные молекулы, но в целом это — все тот же организмоцентризм.
Бурное развитие экологии в последнее время приводит к развенчанию моно- и к пониманию идей полицентризма. Ценность экологических исследований для экспериментального изучения действия естественного отбора стала понятной после С. С. Четверикова, положившего начало генетико-популяционному подходу к изучению естественного отбора. Однако сложности экспериментов с популяциями и экосистемами сильно затормозили развитие экологического направления в эволюционных исследованиях. Необходимость «учета в эволюционных построениях глобального биосферного биоценотического фактора» [Татаринов, 1985, с. 16] все более осознается в настоящее время.
Количественные экологические исследования, особенно синэкологического направления, позволяют поставить экосистему, а точнее, круговорот веществ в ней в центр картины развития живой природы. И здесь, может быть даже несколько неожиданно, по совершенно очевидно, проявляется источник движения и развития жизни. Не таинственное стремление к самосовершенствованию, не самоорганизация биологических структур, «не могущих жить без метаболизма», а постоянная накачка потоком свободной энергии и
Покажем схематическую систему, накачиваемую потоком энергии (рис. 1). Обязательным элементом является и третье звено — приемник энергии, или сток, в который энергия в рассеянном виде переходит от. промежуточной системы. Для нашей биосферы основным источником энергии служит Солнце, а приемником — Космос. В любых промежуточных системах кого типа (с протоком энергии) по законом физики возникают циклы в виде динамических структур. В большинстве случаев нам кажется, что они возникают сами по себе, и мы даже называем это явление «самоорганизацией структур», что придает некоторый налет загадочности.
Но в каждом случае обязательно есть «творец», и он имеет материальную природу. На Земле — это поток энергии от Солнца, который вызывает и организует круговороты в ограниченной системе (от простых физических: воды и воздуха, до сложного, биотического ). Однако функционально биотический круговорот. совсем несложен: это цикл реакций восстановления и окисления, где этап восстановления и подкачивается энергией квантов света. Развивался он постепенно из физико-химического. Обрастание сложными структурами — это вторичное явление. Будут выживать те, которые лучше вписываются в круговорот, способствуют его ускорению и умощнению (например, скорости химических реакций в живой природе возросли в миллионы и миллиарды раз). При этом круговорот использует все больше энергии и даже захватываются ее дополнительные потоки. Принципы развития очень просты и, главное, могут быть выражены количественно.
Роль «царицы мира», энергии, при таком подходе начинает проявляться по-настоящему, а ее «тень», энтропия, своим ростом только демонстрирует возрастание потоков свободной энергии, использованной экосистемой. Поэтому упомянутые представления Э. Шредингера о негэнтропии скорее можно назвать «поэтическими» (по выражению профессора Моровица, автора книги «Потоки энергии в биологии»), нежели физическими: для неравновесных систем энтропию очень часто трудно определить, тогда как энергия и ее потоки гораздо легче поддаются количественным измерениям.
Естественный отбор в этом случае перестает выступать в роли «господа бога», а к очевидностью выполняет и творческую (поступательное развитие круговоротов, прогресс), и сдерживающую, стабилизирующую роль (устранение избытков траты вещества, вплоть до явного регресса формы организмов). Телеологичность становится не только более явной, но и явно материалистической. А действие естественного отбора проверяется и контролируется не только на уровне видообразования (горизонтальном), но и на уровне совершенствования целых экосистем (вертикальном).
По методологии все современные концепции развития жизни можно отнести к трем основным типам: субстратные, энергетические и информационные.
Разработка общей теории биологического развития, прежде всего прогрессивного, должна естественным образом опираться на все три концепции, органически связывая их друг с другом во взаимодополнении и обогащении.
Исторически сложилось так, что первой стала развиваться субстратная концепция, начавшись с морфологии организмов. Дальнейшее развитие биохимии и физиологии углубило понимание биохимического единства живой природы, а бурный взрыв исследований по молекулярной биологии и генетике в последние десятилетия доказал единую генетико-молекулярную основу всех процессов жизнедеятельности. Триумфальные шествие этой концепции автоматически привело к абсолютизации некоторых ее положений, что сводится к одностороннему толкованию причин возникновения и развития жизни (вспомним: «Гены хотят жить и размножаться» ).
Информационная концепция, появившись самой последней, начала бурно развиваться с совершенствованием кибернетики и теории информации. Отметим, что даже в первом основополагающем труде по кибернетике Н. Винера речь шла об управлении и связи как в машине, так и в живом организме. Кибернетический подход позволил многое понять в развитии механизмов управления в живой природе, дав представление и о темпах эволюции. Однако и он, по попятным причинам, односторонен. Не ясно, как конкретно применять основанный на использовании этого подхода вывод о «возрастании ценности информации в эволюции».
Энергетическому подходу, как мы уже говорили, повезло меньше двух первых из-за различий в методологии физики и биологии. Однако именно он указывает направление развития сложных открытых систем, подвергающихся постоянной накачке энергией извне: это совершенствование циклов вещества; их умощнение и ускорение; возрастание переработки энергии каждой единицей структуры. Но и здесь абсолютизация недопустима, ибо один энергетический подход не способен дать представление о структурных особенностях эволюционирующих структур.
Например, рассуждая о возникновении жизни, точнее говорить не о «биохимическом предопределении» (а именно так называется книга Д. Кеньона и Г. Стейнмана о проблемах происхождения жизни, [М., 1972]), а об «энергетическом предопределении» зарождения живых структур. При этом важнейшая роль остается за субстратным подходом, т. е. за биохимическим «исполнением» жизни.
1. Субстратный плюс Информационный (без Энергетического) : С+И—Э. Явная телеология при всех долевых вариантах их отношений и в итоге — нет направления развития: «кто» эволюционирует — ясно, «как» и какими темпами — ясно, неясно — «куда».
2. Субстратный плюс Энергетический (без Информационного) : С+Э—И. Известно, «кто» и «куда» эволюционирует, неясно— «как» (с какой скоростью).
3. Энергетический плюс Информационный (без Субстратного): Э+И—С. Известно, «куда» и «как», только неясно — «кто» эволюционирует (биологические системы или, к примеру, промышленные технологии).
Для плодотворного, равноправного синтеза время только наступает, и пока менее всего готов к нему, слабее всех разработан энергетический подход — это следует подчеркнуть еще раз! Различные, но далеко не все аспекты этого подхода, по возможности в сочетании с субстратным и информационным, освещаются в данной книге.
Глава 2. Потоки энергии и «самоорганизация» структур
Все обменивается на огонь и огонь на все, как на золото — товары, на товары — золото.
Несмотря на внешнее разнообразие, для большинство процессов переноса (тепла, вещества, электричества) имеются общие закономерности, которые связывают скорость того или иного процесса и силы, вызывающие этот процесс.
Например, перенос вещества (диффузионный поток вещества) в направлении Х по закону Фика имеет вид
где dC/dX — градиент концентрации диффундирующого вещества
Знак «минус» означает, что данный перенос и все типы переносов происходят в направлении отрицательных градиентов, т. е. должны приводить к уменьшению всех потенциалов, всех сил в тех простых системах, о которых мы здесь упоминаем. Такова реакция любой простой системы на возмущение: она стремится его уменьшить. А внешние возмущения, подвод энергии вынуждают систему опять организовывать «нейтрализующие» потоки. Без подвода энергии не будет движения (широко известна «тепловая смерть» изолированных закрытых систем, которые приходят в равновесие). Таким образом, в открытой системе постоянному действию сил соответствуют (и противостоят) постоянно работающие потоки. В этом и заключается суть известного в термодинамике принципа Ле-Шателье. Одна из наиболее распространенных формулировок этого принципа такова: всякая замкнутая система, выведенная из равновесия каким-либо возмущающим воздействием, стремится ослабить результат этого воздействия. Это — типичная формулировка, в которой затушевывается роль внешнего воздействия как источника движущих сил, а все внимание переносится на воздействующую систему. Получается, что система сама организует потоки, создает структуры, совершенствуется и т. д. В наше время стало модным говорить о «самоорганизации» сложных структур. Об этом чуть позже, а пока подумаем о том, как должна реагировать ограниченная по объему система, к которой постоянно подводится возмущающая систему энергия. Как правило, подвод энергии не может осуществляться равномерно (потому-то и есть градиенты). Единственная возможность непрерывного ответа, бесконечного во времени реагирования на внешнее возмущение, на постоянную накачку — это организация циклов вещества в замкнутой системе. Еще в 1949 г. академик В. Р. Вильямс писал, что единственный способ придать ограниченному количеству свойства бесконечного — это заставить его вращаться по замкнутой кривой.
Самой простой иллюстрацией сказанного является колесо — колесо старинной ветряной мельницы, вертушка стиральной машины или турбина новейшей ГЭС. Постоянный подвод (и расход) энергии в виде ветра, электричества или падающей воды заставляет эти колеса вращаться несчетное количество раз. Менее очевидна, по имеет ту же природу конвекция (вращение) воздуха в комнате под действием тепла от горячий печки или от батареи центрального отопления. Да и сами циклические потоки горячей воды по отопительной системе — это тоже результат накачки тепла от энергии парового котла.
Но не будем увлекаться примерами вращений, изобретенных изощренным умом человека. О естественных движителях, главными из которых являются поток солнечной энергии и внутреннее тепло Земли, мы поговорим особо — они этого заслуживают. О вызываемых ими глобальных циклах вещества — тоже отдельный разговор. А теперь, чтобы завершить обсуждаемую здесь тему о вынуждающих потоках и вызываемых ими циклах, поговорим об одном удивительном явлении. Это — возникновение сложных структур под влиянием потоков энергии в разного рода открытых системах, где циклическое перемещение вещества вдруг обретает устойчивые формы, когда сложная структура возникает, казалось бы, на пустом месте. Это явление носит название «самоорганизация сложных систем».
Впервые организацию сложной структуры в простой системе наблюдал французский физик Бенар в 1900 г. Это были шестиугольные ячейки, названные теперь в его честь бенарами. Получить их несложно. Надо налить на сковороду немного вязкой жидкости (например, растительного или минерального масла) и нагревать ее на медленном огне. Пока тепловые потоки малы, т. е. нагрев слаб, жидкость неподвижна, поток тепла усиливает молекулярную диффузию. Внизу образуется более горячий слой с меньшей плотностью, который стремится вверх, а на его место опускаются более холодные слои. По мере роста потока тепла должна возникнуть та самая конвекция, благодаря которой осуществляется выравнивание температуры в комнате. Однако при медленном возрастании перепада температур между верхним и нижним слоем, как обнаружил Бенар, неожиданно вся поверхность масла преображается — она разбивается на отдельные ячейки, большинство из которых имеет форму шестигранников, т. е. призматических шестиугольных цилиндриков от поверхности до дна сосуда. Образуется цикл по веществу: жидкость поднимается вверх в центре ячейки и опускается вниз у граней. Такая структура характеризуется более эффективным теплопереносом или более интенсивной диссипацией энергии. При этом происходит конкуренция и «выживают» именно шестигранники — наиболее эффективные рассеиватели энергии, способные полностью заполнять пространство [Кадомцев, Рыдник, 1981].
При дальнейшем увеличении теплопотока ячейки мельчают, их становится больше, а затем они исчезают. жидкость переходит в стохастическое турбулентное движение, так как теперь уже турбулентность более эффективно обеспечивает перенос тепла.
Таким образом, имеет место но «самоорганизация» структуры, а вынужденная организация циклических потоков вещества под влиянием внешней возмущающей силы ( потока тепла в данном случае).
Аналогичную физическую природу имеют вихри, открытые Дж. Тейлором в 1923 г. Они возникают в жидкости, налитой между двумя концентрическими цилиндрами, при вращении внутреннего цилиндра с определенной частотой.
В крупных масштабах интересное явление «самоорганизации» сложных, симметричных структур можно наблюдать в морях и океанах. Оно связано с образованием так называемых вихрей Лангмюра. Суть этого процесса заключается и следующем. При слабом ветре образуются довольно устойчивые вихри, в которых вода циркулирует вверх и вниз, образуя ряд зон подъема и опускания, которые чередуются в пространстве (рис. 2). Это может приводить к пятнистости планктона, скапливающегося в зонах подъема или опускания в зависимости от его плавучести, отрицательной или положительной. Иногда, в ночное время, эта сложная картина хорошо прослеживается по чередованию полос или более сложных структур свечения морской коды, так как многие виды планктеров способны к биолюминесценции. С увеличением ветра организованные в вихри структуры исчезают, начинается турбулизация, а с нею — образование новых структур, гораздо более подвижных. Мы к ним привыкли, это — самые обыкновенные волны. Однако не мешает подумать, что все они — тоже вариант «самоорганизации», вариант диссипативных структур, так как возникают при постоянно дующем ветре, не имеющем строгой волновой природы, хотя и несущем вихри. С их образованием диссипация энергии ветра несомненно увеличивается.
Зоны возможного скопления организмов с положительной (а) и отрицательной (б) плавучестью.
Конвективные ячейки можно наблюдать и при циркуляции воздушных масс, вызванной неравномерным нагреванием суши и атмосферы. Описаны и зарисованы почти правильные шестигранники из облаков со сторонами в несколько километров. Движущая сила — более высокая температура поверхности Земли. Организация циклов движения воздуха такая же, как в ячейках Бенара. Энергетическая выгодность шестигранников также не вызывает сомнения.
Наконец, несколько неожиданная картина «структуризации» Солнца была обнаружена при фотографировании участков солнечной поверхности через телескопы, поднятые в стратосферу. Поверхность оказалась состоящей из гранул (зерен). Как будто рассыпан слой зерна. Эти гранулы являются результатом конвекции во внешнем слое Солнца. В центре гранул солнечная плазма поднимается; по краям, отдав энергию на излучение и охладившись, она опускается. Разность температур приводит к контрасту яркости, что мы и воспринимаем как ячейки. Размеры гранул 200—1300 км, «живут» они в среднем 10 мин, затем границы старой гранулы размываются и вместо отмершей возникает новая структура. Легко можно видеть глубокую аналогию таких гранул с ячейками Бенара. Напомним, что во всех примерах динамические структуры образовывались в промежуточной системе, через которую шел поток энергии от источника к стоку (см. гл. 1).
Теперь можно сделать несколько выводов общего плана. Прежде всего ответим на вопрос, бывает ли «самоорганизация» сложных структур в таких системах? Корректнее отвечать — не бывает! Не бывает
1. Внешний движитель — источник энергии вызывает циклические переносы вещества, организуя динамические структуры в промежуточной системе. Сам момент появления такой структуры случаен, он связан с флуктуациями в системе.
2. Эти структуры более интенсивно выполняют функцию переноса, выживают в конкурентной борьбе наиболее эффективные (их можно назвать «приспособленные» ).
3. Если при изменении потока энергии структура начинает хуже выполнять функцию переноса, то она либо заменяется на новую, либо исчезает совсем.
Самый общий вывод: в системе с протоком свободной энергии структура вторична, функция первична.
Этот вывод можно было бы даже окрасить в теологические тона (кому нужна функция: уж не от бога ли все это?), но вопрос этот сам собой снимается, так как есть материальный носитель, «возмутитель спокойствия» и организатор движения: на нашей планете это прежде всего поток солнечной энергии. Некоторую роль играет и поток тепловой энергии от центра Земли, особенно за геологическое время. Рассмотрим подробнее поток свободной энергии от Солнца.
Глава 3. Солнце — главный источник энергии для поверхности Земли
О солнце, ты живот и красота природы,
Источник вечности и образ божества!
Тобой живет земля, жив воздух, живы воды,
Душа времен и вещества!
Из большого числа возможных источников энергии, имеющихся у нашей планеты, первое место, несомненно, следует отдать солнечному потоку, который поддерживает необходимые температурные условия Земли (чтобы мы не испарились, перегревшись, или не замерзли, переохладившись).
Культ Солнца был развит у большинства народов, населяющих Землю, и недаром поток солнечной энергии составляет основу всех потоков энергии на нашей планете (рис. 3).
К внешней границе тропосферы подводится поток солнечной радиации примерно 1000 ккал/(см2·год) (или около 2 ккал/(см2·мин)). Из-за шарообразности Земли на единицу поверхности внешней границы тропосферы в среднем поступает четвертая часть — примерно 250 ккал/(см2· год). Треть этого потока отражается, и, следовательно, Земля поглощает 167 ккал/(см2· год). Из них 59 ккал/(см2· год) поглощает атмосфера, и на долю поглощения земной поверхностью приходится 108 ккал/(см2·год). Эта энергия «перерабатывается» различными способами. В виде длинноволнового инфракрасного излучения с поверхности Земли уходит 36 ккал/(см2· год).
(составляющие энергетического баланса, ккал/(см2 ·год)) [Будыко, 1984].
Благодаря парниковому эффекту поверхность Земли получает около 72 ккал/(см2·год) радиационной энергии, часть которой — 60 ккал/ (см2·год) — идет на испарение воды (нижний кружок на рис. 3), а часть — 12 ккал/ (см2·год) — возвращается в атмосферу через турбулентные потоки воздуха.
Основной передатчик тепла между космосом и Землей — атмосфера — получает от Земли «свои» 60 ккал / (см2·год) за счет конденсации водяных паров (верхний кружок на рис. 3), упомянутые 12 ккал/(см2·год)— за счет турбулизации и непосредственно от радиации Солнца — 59 ккал/(см2 · год). Итог: приход равен 131 ккал/ (см2·год). И соответственно расход тепла через эффективное излучение — той же величине —131 ед. Вместе с результирующими 36 ккал/(см2·год) длинноволнового излучения от земной подстилки мы и получим расход в целом — 167 ккал/ (см2·год), в точности равный приходу энергии с потоком солнечной радиации.
Таким образом, на нашей планете работает «система жизнеобеспечения» с определенным интервалом температур. Среднегодовая температура составляет 14,25°С, при этом в Северном полушарии средняя температура 15,2°С, а в Южном — только 13,3°С из-за высокой отражательной способности ледового панциря Антарктиды.
Из 72 ккал, поглощаемых каждым квадратным сантиметром земной поверхности в год, океан «забирает» почти вдвое больше, чем суша, — 90 и 50 ккал соответственно. Это объясняется большой теплоемкостью воды и ее подвижностью. Океаносфера является мощным аккумулятором солнечного тепла, она накапливает в 21 раз больше того количества тепла, которое за год поступает от Солнца ко всей поверхности Земли (7,6 · 1023 ккал по сравнению с потоком в 3,65 · 1020 ккал/год). Поэтому ее взаимодействием с атмосферой определяется погода на земном шаре. Тепло, поглощаемое в тропиках, переносится течениями в высокие широты, смягчая климат умеренных и полярных областей. Один Гольфстрим несет в 22 раза больше тепла, чем все реки суши.
В целом гидросфера работает под влиянием накачки солнечной энергии как гигантская тепловая машина. Можно даже оценить ее коэффициент полезного действия. «Чистая» энергия движения, перемещения воздушных и водных масс, т. е. та часть, которая может совершать нужную нам работу, оказывается совсем небольшой: для атмосферы (со средней скоростью ветра, несколько превышающей 10 м/с у поверхности Земли)— всего 1,6% от поглощаемого солнечного тепла, а для океаносферы (со средней скоростью течения во всей толще вод, равной 3,2 см/с) — еще на пару порядков ниже. Конечно, одна из наиболее серьезных энергетических затрат — это затрата энергии на физический круговорот воды, прежде всего на испарение. Ее тоже можно оценить по уже приведенным данным. Около 55% — таков расход энергии, дошедшей до земной поверхности, на испарение.
В атмо- и гидросфере сложное переплетение циклов, различающихся по пространству и времени существования, определяет и мгновенное состояние — погоду в любой точке Земли и климат в каждой зоне. Климат есть результат усреднения прошлых погод каждого дня в каждой точке. Не затрагивая очень спорного, но злободневного вопроса о прогнозировании погоды, подчеркнем только, что само понятие о климате было введено еще учеными Древней Греции. Слово это греческого происхождения
Глава 4. Круговороты вещества в неживой природе
... Опять в морской простор
Спешит вернуться то, что небо сушит.
А реки снова устремляют с гор ...
4.1. Циклы воды и воздуха
Перейдем к описанию наиболее существенных круговоротов вещества на нашей планете, которые, как мы знаем, «раскручиваются» не сами по себе, а потому, что их непрерывно «заставляют» это делать потоки энергии, главным образом солнечной. Проанализируем работу одного из наиболее интенсивных циклов — круговорота воды и воздуха на земной поверхности.
Из всех круговоротов циклическое перемещение огромных количеств воды было наиболее интересным и важным для человечества. Общеизвестно, что древний человек селился главным образом по берегам рек и озер; сильно страдал от избытка и недостатка осадков, приносимых ветрами. Дождю, ветру, воде поклонялись, о них слагали легенды, их обожествляли (достаточно вспомнить легенды о страшном ливне и Всемирном потопе, которые в разных вариантах сохранились у многих народов).
Вполне естественно, что человек хотел знать, откуда берутся реки и ручьи, почему они не иссякают (или вдруг иссякают), почему выпадает дождь или снег, почему вода в море соленая, а в реке пресная и т. д.
Давайте вкратце рассмотрим на примере развития представлений о круговороте воды, как шло накопление знаний, каковы были наиболее типичные заблуждения и ошибки, как пробивала себе дорогу Истина. Особое внимание уделим вопросу, наиболее важному для энергетического подхода и для методологии в целом,— вопросу о движущих силах круговорота.
Сначала вспомним Фалеса Милетского (VI в. до н. э.), который считал воду основой всего многообразия природы. Он полагал, что ветер вгоняет воду в недра Земли, горные породы выдавливают ее вверх, откуда и текут реки и ручьи.
В основу учения Аристотеля (IV в. до н. э.) легли представления о круговороте несколько ранее жившего Демокрита, родоначальника атомистического учения. Демокрит, объясняя разливы Нила, утверждал, что проливные дожди в бассейне великой реки связаны с испарением снега и воды на севере и их переносом пассатами. Аристотель справедливо считал, что источником всех вод является влага атмосферы, но дождевых осадков недостаточно для образования и поддержания речных потоков. Поэтому он придумал конденсационную теорию образования воды из воздуха в многочисленных холодных земных пустотах. (Таким образом, опирался на трансформацию основных элементов: воды и воздуха).
Плиний Старший (1 в. н. э.), автор «Естественной истории»— сочинения, популярного вплоть до XVI в., писал, что вся вода стремится к центру Земли и собирается в низких местах, а поднимается вверх до истоков ручьев и рек и изливается в виде родников с помощью духа, который побуждает воду «раздуваться».
Варварство и феодализм вплоть до эпохи Возрождения отличались упадком и застоем в развитии познания природы, в том числе и нашей проблемы.
Например, в период средневековья единственное представление, разрешенное христианской церковью, основывалось на высказывании из «Книги Экклесиаст»:
Восходит солнце, и заходит солнце, и на место свое поспешает,
Чтобы там опять взойти;
Бежит на юг и кружит на север, кружит, кружит, на бегу своем ветер,
И на круги свои возвращается ветер;
Бегут все реки в море,— а море не переполнится,
К месту, куда реки бегут,—
Туда они продолжают бежать[1].
Высказывание довольно точное и емкое, все участники событий перечислены, но вопрос о движущих силах круговорота, например, как и почему вода поднимается вверх, к истокам рек, увы, практически не ставится, да и не мог ставиться при теологическом толковании мира. (Так создано богом, так надо — вот стандартный догматический ответ на все вопросы).
Эпоха Возрождения поистине возродила интерес к познанию природы, дала миру гигантов мысли и чувства. Например, Леонардо да Винчи (1452—1519), задумываясь об источнике питания рек, близко подошел к пониманию влияния теплоты Солнца, но атмосферные осадки не считал основными в круговороте. Как и древние греки, он полагал, что морская вода способна подниматься вверх. Он уподоблял всю Землю живому организму (вот они, естественные истоки организмоцентризма, который так дорого стоил биологии, но об этом — позже!), где движение воды соответствует движению крови. Вода Земли, как кровь организма, согласно великому Леонардо, оживотворяет Землю и ее создания.
Но загадка источника движущих сил (подъема воды к истокам рек) так и осталась недоступной даже для лучших умов натурфилософии всех времен. Хотя для нас с вами разгадка кажется очевидной. И не в том дело, что мыслители прошлого были слабы; упомянутые здесь имена, сохраненные историей, сами говорят за себя. Слабость заключалась в натурфилософском подходе к изучению природы. Выделим две главные причины. Первая — не вставши на путь строгого количественного эксперимента, нельзя было выбрать единственно правильную из большого числа гипотез, призванных объяснять то или иное природное явление. Поэтому так важна была и вторая причина: схоластичность и авторитет учителя.
И только XVII в. с развитием капитализма, с его высокими требованиями к техническим средствам привел к быстрому прогрессу опытной науки — естествознания в современном понимании.
Поделиться книгой: