Следствие из теоремы Пригожена

1. Теорема Шредингера: упорядоченность в любой организменной единице всегда выше, чем упорядоченность в окружающей его среде.

2. Афоризм Хасэ – энергетическая ценность пищи всегда выше, чем тот же показатель продуктов диссимиляции. Организм существует до тех пор, пока имеет положительный энергетический запас.

3. Афоризм Бриллюена – энтропия отходов всегда больше энтропии пищи.

Вывод:

Термодинамическое поведение биосистемы характеризуется следующими особенностями:

1. Любая живая система потребляет энергию и расходует её в виде работы и теплоты подчиняясь законам сохранения.

2. Второе начало термодинамики указывает в каком направлении должны протекать самопроизвольно природные процессы. Для изолированных систем энтропия – мера необратимости превращения энергии, и одновременно как мера структурной неупорядоченности, не может уменьшаться, она либо остается неизменной, либо возрастает. Биологические, биохимические, химические и физические процессы в биосистемах идут с ростом структурной и организационной упорядоченности, т.е. с уменьшением энтропии. Противоречие закону энтропии снимается рассмотрением организма или организменной единицы в качестве единой открытой системы вместе с окружающей средой.

3. Согласно теории Пригожина в открытых системах с потоком энергии вынужденно возникают динамические диссипативные структуры в виде циклов, переносящих энергию, упорядоченные круговороты вещества.

Диссипативные структуры увеличивают неоднородность систем, способствуют увеличению ее сложности.

В глобальном масштабе диссипативные структуры упорядочивают круговороты веществ. Наиболее сложные структуры лучше вписываются в круговорот и эффективнее преобразовывают проходящую через них энергию. Явления возникновения таких структур, только за счет потока энергии получило название самоорганизации системы.

 

2.4. Общие свойства и параметры систем

2.4.1. Свойства сложных биосистем

Каждая система имеет определенную структуру, определяемую формой пространственно-временных связей или взаимодействием между элементами системы. Система называется организованной, если ее существование либо необходимо для поддержания некоторой функциональной структуры выполняющей определенную работу, или наоборот зависит от деятельности такой структуры.

1.   Принцип необходимого разнообразия элементов: система не может состоять из абсолютно идентичных элементов. Нижний предел разнообразия не меньше двух элементов. Верхнего предела разнообразия не существует. Неодинаковость микроскопических свойств частей системы, наличие в ней разных фазовых состояний определяет гетерогенность системы.  

2. Свойство системы невозможно познать только на основании свойств составляющих ее элементов. Решающее значение имеет характер и тип взаимодействия между ее частями и элементами. Не сводимость свойств системы к сумме свойств отдельных элементов, из которых она состоит как особое свойство целостности системы получило название эмерджентности системы

3. Характеризует характер взаимодействия между системой и средой. В природе существует только открытые динамические системы, внутренние элементы которых осуществляет перенос ВИЭ.

4. Характеризует способность к самосохранению. Преобладание внутренних взаимодействий в системе над внешними воздействиями, т.е. лабильность систем по отношению к внешним воздействиям, определяют ее способность к самосохранению благодаря качествам выносливости и устойчивости.

    Внешнее воздействие на систему, превосходящая силу и гибкость ее внутренних взаимодействий приводит к необратимым изменениям и гибели системы.

    Устойчивость динамических систем поддерживается выполняемой ее внешней циклической работой, (принцип велосипеда). Для этого необходимы приток и преобразования энергии в системе. Вероятность достижения главной цели системы – самосохранение – опредиляется как ее потенциальная эффективность.

6. Поведение системы – действие системы во времени называется ее поведением. Вызванное внешними факторами изменение поведения обозначают как реакцию системы.

Качественное изменение реакции системы связанное с изменениями структуры и направления на стабилизацию поведения определяют как приспособление или адаптацию системы.

Закрепление адаптивных изменений структуры и связей системы во времени, при котором ее потенциальная эффективность увеличивается рассматриваемая как развитие или эволюция системы. Динамические системы эволюционируют от более вероятной к менее вероятной организации, т.е. в сторону усложнения организации и образования новых подсистем в структуре системы. При этом наблюдается определенное последствие установления эмерджентных свойств: устойчивости, управляемости, самоорганизации.

7.    Неравномерность, отсутствие монотонности, гетерогенность – важнейшее свойство биосистем. Периоды постепенного накопления незначительных изменений иногда, прерываются качественными скачками, существенно меняющие свойства системы. Обычно они связаны с точками бифуркации, т.е. разъединение, расщепление прежнего пути эволюции.

 

2.4.2. Параметры системы

1. Сложность структуры системы (С) зависит от количества элементов (n) и числом связей (m) между ними. Если в какой-то системе исследуется число частных дискретных состояний, то сложность системы () определяется логарифмом числа связей.

Система по сложности условно классифицируются условным образом. Системы имеющие до 1000 состояний (0<C<3) относятся к простым; до 1000000 состояний (3<C<6) относятся к сложным; более 1000000 состояний – к очень сложным.

Все биосистемы относятся к очень сложным, начиная с биосистем самых низких уровней организации. Например, единичный вирус имеет число биологически значимых молекулярных состояний, превышает 10⁶.

Другой критерий сложности структуры системы связаны с ее поведением, т.е. с ее реакцией на внешнее воздействие. Если система способна к акту решения, т.е. к выбору альтернативного поведения, в том числе и с помощью случайного механизма, то такая решающая система считается сложной.

Сложная, будет и любая система, включающая в себя в качестве подсистемы хотя бы одну решающую систему. Из этого следует, что любая биосистема является очень сложной.

2. Разнообразие состава. Включает как разнообразие элементов, так и разнообразие взаимосвязей между ними. Разнообразие состава – важнейший параметр, от которого зависит устойчивость потенциальная эффективность и приспособленность системы.

Этот параметр имеет количественные характеристики:

- по показателю Г.Симпсона:

– относительная численность (частота встречаемости) i-го вида элемента в совокупности n-видов.

-по показателю Шеннона:

V, V_s – индексы разнообразия.

_- это относительная частота (численность) встречаемости i-го вида элементов совокупности n-видов ().

Эти показатели важны при количественной оценке биоразнообразия в экосистеме и принципиально отличаются от числа представленных в ней видов.

3. Количество информации в системе. Вычисление разнообразия по формуле Шеннона – это частный случай расчета количества информации для оценки неопределенности функционирования системы (Н)

Р_i – вероятность реализации i-го события.

– количество информации, соответствующее этому конкретному событию.

Подобную оценку делают с помощью энтропии. Аналогично этой формуле при определении энтропии символ P_i будет означать, что система находится в i-м состоянии.

К_Б = 1,3807∙10^-23, .

 

Энтропия как термодинамическая функция состояния системы мера необратимого рассеяния энергии при ее превращении выступает здесь как мера вероятностной неупорядоченности, как мера хаотизации элементов системы.

4. Связь информации с энергетикой системы.

У любой системы может быть два состояния: возбужденное и основное. Эти состояния равновероятны. Тогда

Служит как информационный эквивалент энтропии.

()

Информационный эквивалент энергии:

.

Информация сама по себе энергетически дешевая.

5. Относительная организация системы. Оценка относительной организации системы зависит (R)  от сложности и разнообразия состава.

По параметру R системы делятся на 3 группы:

a) R мало; 0<R<0.1 – система считается вероятностной, неустойчивой, обладающей малой жесткостью и способной гибко изменять свое состояние;

b) R сравнительно велико; 0.3<R<1 – такая система считается детерминированной, т.е. консервативной, жесткой, устойчивой;

c) R – промежуточное значение; 0.1<R<0.3 – квазидетерминированные системы.

 

Большинство природных систем имеет вероятностный или квазидетерминированный характер. Организмы, как квазидетерминированные системы обладают иерархией структур и функций. В них по мере усложнения организации возрастает разнообразие системных качеств. В ходе эволюционных систем образуются и приобретают все большее значение структуры и механизмы управления, которые у животных доходят до появления ЦНС.

В отличие от них природные вероятностные системы состоящие из большего числа слабо скорелированых индивидуумов могут обладать иерархией положительных особей, но не нуждаются в выделенной внутренней системы управления (нет ЦНС).

Они способны к самоподдерживанию и во многих случаях без каких-либо центральных регуляторов обнаруживают удивительно тонкую и точную множественную авторегуляцию.

ВЫВОД:

Таким образом, образование биосистем, ее структурная и функциональная организация полностью опосредованы обменными процессами с окружающей средой.

Эффективность использования энергии ОС во всем многообразии ее потоков (солнечной энергии, химической и механической энергии) лежит в основе устойчивого равновесия и эволюционного развития биосистемы.

Все законы функционирования биосистемы и ее основные параметры так или иначе объединяются наличием диссипативных структур в биосистемах всех организации.

 

 

ТЕМА 3:

Организация биосферы