Оглавление         Введение         Часть 1         Часть 2         Часть 3         Заключение

Глава 1        Глава 2         Глава 3         Глава 4        Глава 5     Литература

Глава 4

Всеобщие, общие и частные законы,

составляющие основу

«Идеи единого гомеостатического устройства»

И так, рассмотрев главные принципы ряда выдающихся учёных и блистательных учений, которые, вобрав из диалектического хаоса знаний всеобщие закономерности или их общие элементы, явили по своей сути основу «Идеи единого гомеостатического устройства».

Поэтому, преступая к изложению настоящей главы, которую мы назвали «Всеобщие, общие и частные законы, составляющие основу «Идеи единого гомеостатического устройства», мы ставили перед собой вполне конкретную цель:

1.  Попытаться не только выделить, но и формализовать элементы всеобщего в идеологии и содержании основополагающих учений, теорий и концепций, выразив их языком естествознания через известные законы физики бытия и развития, чтобы попробовать адаптировать их друг к другу.

    Устранив таким образом существующие «несводимости» частных общностей и элементов общего с всеобщим, мы ожидали возникновения вполне естественной надежды компенсировать в какой-то мере дефицит доказательных звеньев в неформальном построении «Идеи единого гомеостатического устройства». Для этого представлялось важным:

2. Попытаться трактовать известные законы сохранения с единых позиций теории информации и информационных пространств, классической ньютоновской и квантовой механики, общей теории относительности, как основы современной теории гравитации, и термодинамики, сформулировав гипотезу о праве на жизнь всеобщего закона сохранения баланса массы, вещества, энергии и информации.

    И в завершении главы мы планировали:

3.        Представить описания, выводы и формулировки некоторых наиболее важных, по нашему убеждению, законов общебиологического свойства, которые могли бы претендовать на всеобщность, общность или общее частное для гомеостатических систем всех уровней организации или их участников, которые не были упомянуты по каким-либо причинам в предыдущих главах и которые мы считали важным ввести в настоящее изложение.

Законы сохранения

Законы сохранения вещества и энергии

Идея сохранения появилась сначала как чисто философская догадка о наличии неизменного стабильного в вечно меняющемся мире. Начиная со времен античной философии от Евклида из Мегары (5-4 век до н.э.), Эмпедокла из Агригена (490-430 до н.э.), Демокрита из Абдер (460-370 до н.э.), Аристотеля (384-322 до н.э.) и Эпикура (341-270 до н.э.) до Рене Декарта (1596-1650) и Исаака Ньютона (1643-1727), учёные философы последовательно проводили идею материи, неуничтожимой и несотворимой основы всего «сущего» на Земле, а наблюдение постоянных изменений в природе приводило их к представлению о вечном движении материи как важнейшем свойстве любого вещества.

    Первым в ряду формализованных законов сохранения стал закон сохранения механической энергии, сформулированный выдающимся немецким учёным, современником Исаака Ньютона (1643-1727),  математиком и философом Готфридом Вильгельмом Лейбницем (1646-1716), представившим описание полной механической энергии тела E, как суммы

потенциальной mgh и кинетической mV² /2 энергий:

E = mgh + mV² /2    (1)

Несколько позже, в 1748-1756 годах, в результате обобщения своих многочисленных опытов над массами химических веществ до и после их реакций, великий русский ученый профессор Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) написал:

«... все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте...»

    Он утверждал, что «...сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает», подчеркивая единое начало сохранения не только массы вещества, но и «силы движения».

    Этот закон, столь существенно расширивший представления профессора Г. Лейбница, шёл в разрез практически всем существовавшим тогда научным взглядам и получил свое признание только после его подтверждения (повторения) известным французским физиком профессором Антуаном Лораном Лавуазье (1743-1794), установившим, что при обжигании металлов и горении других веществ осуществляется реакция их соединения с кислородом.

    В начале 1840-х годов независимо друг от друга, целый ряд виднейших учёных физиков того времени обосновали закон сохранения и превращения энергии с позиций термодинамики, получивший название её «первого начала» (термодинамики).

    Это были: немецкий физик, врач по образованию, Юлиус Роберт Майер (1814-1878), английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) и один из выдающихся немецких естествоиспытателей Герман Гельмгольц (1821-1894).

Первое начало термодинамики[1]

Фактически первое начало термодинамики есть закон сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Энергетическая эквивалентность теплоты и работы была доказана Ю. Майером в 1842 году и Дж. Джоулем в 1843, а затем более строго сформулирована Г. Гельмгольцем в 1847 году.

Из первого начала термодинамики следует, что в случае незамкнутого процесса, когда система не возвращается в исходное состояние, разность DU между количеством теплоты DQ, сообщаемой системе и совершением этой системой работы DA не равна нулю DU ¹ 0 и не зависит от пути совершаемого системой перехода между данными состояниями:

DQ - DA = DU

Это, фактически, есть утверждение о невозможности существования вечного двигателя первого рода. Действительно, произвольный процесс в обратном направлении образует с каждым из прямых процессов замкнутый цикл, для которого указанная разность обращается в нуль.

    Таким образом, DU представляет собой приращение величины U, имеющей в каждом конкретном состоянии вполне определенное значение, а величина U получила называние «внутренней энергии системы».

    Из первого начала термодинамики вытекает, что существует характеристическая функция состояния системы – её энергия. Если речь идёт об однородном теле, которое способно совершать работу только при изменении объёма, то DA = pdV  и бесконечно малое приращение (дифференциал) U равно:

dU = DQ – pdV    (2)

где DQ – бесконечно малое приращение теплоты, не являющееся, однако, дифференциалом какой-либо функции.

Таким образом, первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл, т.е. возвращается в конечном счёте в исходное состояние, то полное количество теплоты, сообщенной системе на протяжении всего цикла, равно совершаемой ею работе.

    Таков по сути закон сохранения энергии с позиций первого начала термодинамики. Вообще, первое начало можно назвать наиболее плодотворным для формализации большого количества законов сохранения: закона сохранения импульса, момента импульса, массы, энергии, баланса энтропии.

Уравнение баланса энтропии

В термодинамике неравновесных процессов принимается, что энтропия S (локальная энтропия) элементарного объема является функцией от внутренней энергии U, удельного объёма V = 1/r и концентрации С_k, и, следовательно, для неё справедливы обычные термодинамические равенства. Эти положения вместе с законами сохранения массы, импульса и энергии позволяют найти уравнение баланса энтропии:

r (dS/dt) = - div Js + s      (3),

где:         s - локальное производство энтропии на единицу объёма в единицу времени;

Js – плотность потока энтропии;

div – дивергенция потока энтропии (число характеризующее расхождение векторов, т.е. изменение векторного потока в каждой точке векторного поля)

Энтропия, в отличие от массы, энергии и импульса, не сохраняется, а возрастает со временем в элементе объёма вследствие необратимых процессов (согласно второму началу термодинамики). Кроме того, энтропия может изменяться вследствие втекания её в элемент объёма или вытекания из него, что не связано с необратимыми процессами. Положительность производства энтропии (s > 0) выражает в термодинамике необратимых процессов закон её возрастания, составляющий суть второго начала термодинамики.

Второе начало термодинамики

Запрещая вечный двигатель первого рода, первое начало термодинамики не исключало создание такой машины непрерывного действия, которая была бы способна превращать в полезную работу практически всю подводимую к ней теплоту (вечный двигатель второго рода). Однако весь опыт конструирования таких машин указывает на то, что коэффициент их полезного действия (КПД – отношение полученной работы к затраченной теплоте или эффективность) всегда существенно меньше единицы. Иными словами, часть теплоты неизбежно рассеивается в окружающую среду.

    В 1824 году французский ученый физик,  инженер Никола Леонар Сади Карно (1796-1832) показал, что это обстоятельство имеет принципиальный характер. Что любая тепловая машина должна содержать помимо нагревателя (источника теплоты) и рабочего тела, совершающего термодинамический цикл (например, пар), также и холодильник, имеющий температуру, обязательно более низкую, чем температура нагревателя.

    Таким образом,  второе начало термодинамики представляет собой обобщение вывода Н. Карно на произвольные термодинамические процессы, протекающие в природе.

    Позже, в 1850 году немецкий физик-теоретик Рудольф Клаузиус (1822-1888) дал второму началу термодинамики следующую формулировку: «не возможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым»[2].

    Независимо от Р. Клаузиуса в несколько иной форме этот принцип высказал выдающийся английский физик сэр Уильям Томсон лорд Кельвин (1824-1907) в 1851 году: «не возможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводилась бы к совершению механической работы и соответствующему охлаждению теплового резервуара».

    Несмотря на качественный характер этого утверждения, оно приводит к далеко идущим количественным последствиям. Если машина работает на основе цикла Карно, то на протяжении изотермического контакта с нагревателем (T=T₁) рабочее тело получает определённое количество теплоты DQ₁, а на другом изотермическом участке цикла, находясь в контакте с холодильником (T=T₂), отдаёт ему какое-то количество теплоты DQ₂. В этом случае, отношение DQ₂/DQ₁ должно быть одним и тем же у всех машин с обратным циклом Карно, у которых соответственно одинаковы T₁ и T₂, и не может зависеть от природы рабочего тела.

    Если бы это было не так, то машину с большой величиной отношения DQ₂/DQ₁ можно было бы заставить работать в обратном направлении (если циклы обратимы), приведя её в действие с помощью машины с меньшей величиной отношения. В такой комбинированной машине теплота холодильника передавалась бы нагревателю без совершения работы. Согласно же второму началу термодинамики это не возможно, а поэтому отношение DQ₂/DQ₁ у обеих машин должно быть одинаковым. В частности, оно должно быть тем же, что и в случае, когда рабочим телом является идеальный газ. Здесь это отношение легко может быть найдено и, таким образом, оказывается, что для всех обратимых циклов Карно:

DQ₁/DQ₂ = DT₁/DT₂         (4)

Это выражение называется пропорцией Карно, и в результате - для всех машин с обратным циклом Карно коэффициент полезного действия (h) максимален и равен:

h = (T₁ – T₂)/T₁                   (5)

Если цикл необратим, то h оказывается меньше единицы. Таким образом, следствием пропорции Карно, составляющей, по сути, второе начало термодинамики, является существование энтропии S как функции состояния. Если же ввести величину энтропии S в (4) и (5), изменение которой при изотермически обратимом сообщении системе какого-то количества теплоты DQ , то

DS=DQ/T,           (6)

а полное приращение в цикле Карно будет равно нулю. Отсюда следует (как и в случае с внутренней энергией), что энтропия S является функций состояния системы, т.е. изменение S не зависит от пути перехода.

    Используя понятие энтропии, Р.Клаузиус в 1876 году дал наиболее общую формулировку второго начала термодинамики: «Существует функция состояния системы – её энтропия S, приращение которой dS при обратимом сообщении системе теплоты равно:

dS = DQ/T            (7)

При реальных (необратимых) адиабатических процессах dS > 0, т.е. энтропия возрастает, достигая максимального значения в состоянии равновесия.

Второе начало термодинамики не имеет столь абсолютного характера, как и первое начало, ибо оно нарушается при флуктуациях, хотя, теория бифуркаций А. Эйнштейна, развитая профессором И.Р. Пригожиным, возвращает действие второго начала, как впрочем и первого, к разряду универсальных (всеобщих).

    Выяснение статистической природы энтропии, выполненное австрийским физиком Людвигом Больцманом (1844-1906) в 1872 году, привело к построению термодинамической теории флуктуаций в 1910 году Альбертом Эйнштейном. А это, в свою очередь, инициировало бурное развитие термодинамики неравновесных процессов. В этой связи, определение энтропии позволило написать следующие выражения для дифференциалов внутренней энергии U и энтальпии H как величины обратной величине энтропии:

H = U + pV                            (8)

dU = TdS – pdV                    (9)

dH = TdS + Vdp                   (10)

Отсюда видно, что естественными независимыми параметрами состояния для функций являются соответственно следующие пары:

энергия U и энтальпия H

энтропия S и давление p

Если же вместо энтропии в качестве независимого параметра используется температура T, то для описания системы более удобно использовать «энергию Гельмгольца» F, носящую второе название – «изохорно-изотермический потенциал» и «энергию Гиббса» G:

F = U – TS (для переменных T и V)               (11)

G = H – TS (для переменных T и p)               (12)

Тогда, при фиксированном полном числе частиц какого-то вещества, можно записать:

dF = -SdT – pdV                                  (13)

dG = -SdT + Vdp                                 (14)

При этом функции состояний  называются «потенциалами термодинамической системы» для соответствующих пар независимых переменных, составляющих суть метода термодинамических потенциалов, разработанного в 1874-1878 годах американским физиком Джозайя Уиллардом Гиббсом (1839-1903). Он основан на совместном применении первого и второго начал термодинамики и позволяет получать ряд важных термодинамических соотношений между различными физическими свойствами системы (теплоемкость, коэффициент теплового расширения, изометрический коэффициент сжатия и т.д.), позволяющими определять условия термодинамической устойчивости.

    Таким образом, к концу XIX, началу XX веков сформировались основные законы сохранения, включая законы сохранения массы и энергии, трактовавшиеся ранее как сохранение материи и движения, и до создания А. Эйнштейном специальной теории относительности, они существовали как два независимых закона: закон сохранения массы и закон сохранения энергии.

После рождения в 1905 году специальной теории относительности, названные законы подверглись коренному пересмотру. Оказалось, что масса, определяемая по инерциальным свойствам тела, зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и её движение. Понятие энергии также подверглось изменению: энергия E оказалась пропорциональной массе m и скорости света c, сформировав суть нового понятия – «общая или полная внутренняя энергия» Es:

Es = mc²                (15)

Третье начало термодинамики

Соответствующие выводам второго начала термодинамики, некоторые неопределенные слагаемые (S, Q, T) существуют и у термодинамических потенциалов. Так в 1906 году немецкий физико-химик Вальтер Нернст (1864-1941) на основе электрохимических исследований пришёл к выводу, что эти слагаемые (S, Q, T) универсальны и не зависят ни от давления, ни агрегатного состояния, ни от других характеристик вещества.

    Согласно второму началу термодинамики, энтропия определяемая диффузионным соотношением (7)

dS = DQ/T              (16)

с точностью до постоянного слагаемого, которое хотя и не зависит от температуры, но могло бы быть различным для разных тел в состоянии равновесия.

    Этот новый, вытекающий из опыта принцип, принято называть третьим началом термодинамики или тепловой теоремой В. Нернста: «При помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры, равной абсолютному нулю»:

lim DS = 0

T ® 0

В 1911 году выдающийся немецкий физик-теоретик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк  (1858-1947) показал, что третье начало термодинамики равносильно условию: «энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к абсолютному нулю», поскольку универсальную константу в выражении энтропии можно положить равной нулю[3].

Идеологическая связь теории относительности,

теории гравитации и квантовой механики

Тяготение или гравитация – это универсальное взаимодействие между любыми видами материи. Если это взаимодействие относительно слабое и тела движутся медленно (относительно скорости света с), то справедлив закон всемирного тяготения гениального английского физика, механика, астронома и математика, члена Лондонского королевского общества Исаака Ньютона (1642-1727):  

F = g ( m_А ·m_В )/r²,              (17) 

где: F  - сила взаимного притяжения любых материальных тел или частиц (имеющих линейные размеры много меньшие расстояния между ними), имеющих массу m_А и m_В, прямо пропорциональна произведению действующих масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними и где g - коэффициент этой пропорциональности, называемый гравитационной постоянной, равный:

g = 6,6745(8) 10^-11 Н·м²·кг^-2            (18)

Основой современной теории гравитации является специальная теория относительности А. Эйнштейна, которая будучи признана «самой красивой из всех существующих теорий» (Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, И.Р. Пригожин), заставила существенно пересмотреть практически все законы ньютоновской  классической механики[4].

    В самом деле, ньютоновские представления были основаны на дуализме: с одной стороны, пространство-время, с другой – материя. В действительности же, пространство и время считались не связанными друг с другом, равно как и с материей. Основная новизна эйнштейновской специальной теории относительности состояла в устранении этого дуализма[5] и в установлении связи между пространством и временем, с одной стороны, и материей – с другой. Эйнштейновские уравнения поля, связав свойства пространства и времени со свойствами вещества[6], сделали само «пространство-время физическим явлением...» (И.Р. Пригожин, 1990).

    В начале XX века были обнаружены две группы явлений, свидетельствующих о неприменимости механики И. Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света и к процессам, происходящим в атоме. Первая группа явлений была связана с установлением на опыте дуализма света; вторая с невозможностью объяснить существование устойчивых атомов, а также их оптических спектров. Установление связи между этими явлениями и попытки объяснить их привели, в конечном счете, к открытию законов квантовой механики.

    Впервые квантовые представления были озвучены в 1900 году немецким физиком М. Планком в работе, посвященной тепловому излучению тел. Изучая равновесие между тепловым излучением и веществом, М. Планк предположил, что свет испускается не непрерывно, а определенными «малыми порциями» энергии – квантами. При этом величина энергии E такого кванта зависит от частоты света (излучения) n и равна:

E = ђn                    (19),

где: ђ = 6,626176(36) 10^-34 Дж с = 6,626176(36) 10^-27  эрг с - это постоянная Планка[7]

От этой работы М. Планка можно отчётливо проследить две взаимосвязанные линии развития квантовой механики, завершившиеся к 1927 году окончательной формулировкой двух её направлений.

    Первое, начиная с работы 1905 года А. Эйнштейна, в котором была дана теория фотоэффекта и где А. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается квантами, но и распространяется квантами. Иными словами, было доказано, что дискретность присуща самому свету, состоящему из отдельных квантов, названных чуть позднее (в 1922 году) «фотонами» с энергией (19).

    Дальнейшее доказательство корпускулярного характера света было получено в 1922 году физиком А. Кемптоном, показавшим экспериментально, что рассеянье света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения фотона и электрона (эффект Кемптона). Кинематика такого столкновения определяется законами сохранения энергии и импульса[8], справедливым в релятивистской механике для частицы с нулевой массой покоя. Таким образом, было доказано экспериментально, что наряду с известными волновыми свойствами, проявляющимися, например, в дифракции, свет обладает и корпускулярными (он состоит из фотонов). В этом проявляется дуализм света[9].

    Вторая линия развития, являющаяся обобщением гипотезы М. Планка, начинается с работы А. Эйнштейна (1907), посвященной теории теплоёмкости твёрдых тел. Согласно этой теории, электромагнитное излучение, представляющее собой набор электромагнитных волн различных частот, динамически эквивалентен некоторому набору осцилляторов[10]. При этом, испускание или поглощение волн эквивалентно возбуждению или затуханию соответствующих осцилляторов с энергией ђn[11].

    В 1913 году выдающийся датский физик Нильс Бор (1885-1958) применил идею квантования энергии к теории строения атома, планетарная модель которого вытекала из результатов опытов не менее знаменитого английского физика, также члена Лондонского королевского общества профессора Эрнеста Резерфорда (1871-1937), опубликованных в 1903-1911 годах. Согласно этой модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны.

    Для объяснения устойчивости атомов Нильс Бор предположил, что из всех орбит, допускаемых ньютоновской механикой для движения электрона в электрическом поле ядра, реально осуществляются только те, которые удовлетворяют определенным условиям квантования, требующим, чтобы величина действия для классической орбиты была целым кратным постоянной Планка ђ.

    Нильс Бор постулировал, что, совершая допускаемое условиями квантования орбитальное движение, электрон, находясь на определенном уровне энергии, не испускает световых волн. Излучение происходит лишь при переходе электрона с одной орбиты на другую, т.е. с одного энергетического уровня E_i на другой E_k, с меньшей энергией. При этом рождается квант света с энергией ђn, где:

ђn.= E_i – E_k           (20)

Так возникает линейчатый спектр атома. Существование же уровней энергии в атомах было подтверждено всей последующей практикой.

    Успех теории Нильса Бора, как и предыдущие успехи квантовой теории, был достигнут благодаря нарушению логической целостности общей теории. С одной стороны, использовалась классическая механика Ньютона, с другой, привлекались чуждые ей и где-то искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике.

    Окончательное формирование квантовой механики, как последовательной теории с ясными физическими основами и стройным математическим аппаратом, произошло после работ В. Гейзенберга (1927), В. Паули (1947) и П. Дирака (1960). Только тогда, в течение короткого исторического времени, квантовая механика была с успехом применена к широкому кругу явлений[12] и, надо особо подчеркнуть, что круг этот также неисчерпаем, как «круг знаний Платона».

   Идеалистически придерживаясь избранной линии изложения, важно подчеркнуть удивительный вклад периода конца XIX, начала XX веков в развитие и становление законов сохранения и науки в целом. Прагматически же, следует особо подчеркнуть, что эволюция законов сохранения убедительно показывает, что будучи почерпнутыми из практического опыта, именно они постоянно нуждались в уточнении. При этом, они никогда не утрачивали и никогда не утратят своей обобщающей строгости, последовательно расширяя сферу своего применения вместе с развитием объёма и качества человеческого знания. Всегда оставались справедливыми.

    Это тем более актуально, поскольку полное описание любой исследуемой физической системы или процесса, совершаемого в ней, не всегда возможно. Во многих случаях частные динамические законы могут быть либо очень сложны для данной системы, либо вовсе неизвестны.

    В такой ситуации законы сохранения позволяют сделать решающие заключения о характере поведения исследуемой или описываемой системы.

Некоторые вариации законов сохранения

Не грех поэтому повторить, что в инерциальной системе отсчета механическая энергия E замкнутой (или закрытой) системы, в которой нет диссипативных сил, остаётся постоянной в процессе движения, преобразуясь из одной её формы в другую: из энергии кинетической E_к, равной

E_к = mu² /2          (21),

где: m – масса тела, а

       u – его скорость;

или, если же тело вращается, то:

E_к = J w²/2           (22),

где: J – момент инерции, а

       w – его угловая скорость,

преобразуется в энергию потенциальную E_п, равную:

E_п = mgh               (23),

при удалении тела на небольшое расстояние (поднятое на высоту) h от поверхности Земли, где земное поле тяготения можно считать однородным, а ускорение свободного падения g является постоянным по величине и направлению.

    Если же тело, имеющее массу m₁, находится на каком-то значительном расстоянии  r от доминирующего источника гравитации, имеющего массу m₀, создающего поле тяготения, то его потенциальная энергия E_п равна:

E_п = g m₀ m₁ r ^-2                                                                  (24)

Таким образом, полная механическая энергия E_м движущегося тела, находящегося на каком-то расстоянии от доминирующего источника поля гравитации, равна сумме потенциальной (24) и кинетической (21) энергий:

E_м = E_п + E_к = g m₀ m₁ r^-2 + m₁u² /2                                  (25)

или равна сумме потенциальной (24) и кинетической (22) энергии, если тело вращается:

E_м = E_п + E_к = g m₀ m₁ r^-2 + J w²/2 + [m₁u²/2]                 (26)[13]

для частицы, если она движется, полная энергия E_m равна:

E_m = E_п + E_к  + E_S = g m₀ m₁ r^-3 +[ m₁u²/2] + m₁c²          (27)[14]

для частицы, если она вращается, полная энергия E_m равна:

E_m = E_п+E_к +E_S = g m₀ m₁ r^-3+[ m₁u²/2]+[J w²/2]+m₁c² (28)

для волны полная энергия E_l равна:

E_l = g m₀ m₁ r^-3 + ђn                                                            (29)[15]

С позиций термодинамики и, в частности, отталкиваясь от её второго начала и выражения (8), полную энергию системы можно выразить через её энтальпию и представить как свойство или закон сохранения:

U = H – pV            (30)

где: U - полная внутренняя энергия системы, H - её энтальпия, V - объем и p – давление.

Физический смысл информации и современные

представления о законе её сохранения

Выше (глава 3) мы уже имели возможность рассмотреть идеологическое содержание понятий «информация» и «количество информации», определив способы её математического выражения (31) и (32). Напомним их:

I(x) = 1/j(x) = e^-x/2 Ö2p      (31)

I = U + pV                             (32)

где: I – информация, X – событие, U – энергия, p - давление, V- объём.

Тогда же, мы заключили, что если информация есть суть величина и мера термодинамического свойства (7), то все её движения от начала производства до момента акцепта должны сопровождаться изменением не только энтропии, производящей (передатчик) и принимающей (приёмник) систем, но и изменением  установившегося баланса в обмене веществом и энергией производящей её системы (передатчика) и самой внешней среды (как самостоятельного приёмника), а также внешней среды (как передатчика) и следующей принимающей (или акцептующей) её системы (как приёмник). При этом, коль скоро «Идея гомеостатического устройства» квалифицирует иерархическое построение гомеостатических систем последовательным структурным поглощением множеств (33; 34):

¥elem Ì ¥nucl Ì ¥mol Ì ¥cel Ì ¥org Ì ¥pL Ì ¥pLs Ì ¥gL Ì ¥met (33),

где:

¥elem > ¥nucl > ¥mol > ¥cel > ¥org > ¥pL > ¥pLs > ¥gL > ¥met       (34),

где:         elem                        - элементарный уровень;

                nucl                        - атомарный уровень;

                mol                         - молекулярный уровень;

                cel                          - клеточный уровень;

                org                         - уровень организма;

                pL                          - планетарный уровень;

                pLs                        - уровень планетарных систем;

                gL                          - уровень галактик;

                met                        - метагалактика,

то любое «проведение» информации от «передатчика к приемнику» и от «приемника» к «передатчику» может быть квалифицировано как условие промежуточного и/или окончательного акцепта информации, произведенной одним из её участников в общем балансе обмена веществом и энергией между «передатчиком» и «приемником» при её приёме (акцепте) и/или передаче через её же новое производство[16], способное выразить себя через реакцию «возмущения», т.е. через нарушение баланса в обмене веществом и энергией (как «норму реакции») и специфический функциональный ответ, который и станет новой формой информации (прямой или обратной).

Исходя из выводов математической статистики (2) и закона сохранения А. Эйнштейна (15) количество информации I можно выразить как:

I = -log₂(1/W) = log₂(W)                    (35),

где W – термодинамическая вероятность,

это и есть мера информации I, равная  1 бит (от английского binary digits – двойная, сдвоенная цифра, палец).

    Вместе с тем, по формуле Планка-Больцмана[17] энтропия S системы, характеризующаяся термодинамической вероятностью W, равна её натуральному логарифму ln, умноженному на поправочный коэффициент k:

S = k×ln(W)                         (36)

где S – энтропия, k = 1.38·10^-16 эрг/град или 3.31·10^-23 энтропийных единиц (1 э.е. = 1 кал/град) это постоянная Больцмана.

Ситуация здесь точно такая же, как и в случае полной энергии частицы и её массы, связанных соотношением А. Эйнштейна (15) при постоянном множителе c² , или энергии излучения и частоты этого излучения, связанных постоянным множителем ђ – постоянной Планка в выражении (19).

    Таким образом, чтобы перейти от количества информации, выраженной в битах, к энтропии в Дж/К, необходимо перейти от логарифма при основании 2 к натуральному логарифму и умножить его на k (постоянная Больцмана = 1.38×10 эрг^-16×град^-1 или 3.31×10^-24 энтропийных единиц, 1 э.е.= 1 кал×град^-1 ). Таким образом:   

S (э.е.) = 2.3×10^-24×I (бит) (37)

или:                                                                                                     

1 бит (I) = k×ln₂ = 10^-23  Дж/K (38)

Таким образом, в энтропийной шкале информация «стоит очень дешево». Тем не менее, «платить за неё нужно»[18]. Из (35) и (36) легко видеть, что формулы совпадают до постоянного размерного множителя, а из этого следует, что энтропия системы есть не что иное, как количество информации, недостающей для её полного описания. И если информация и энтропия измеряются на одном уровне рецепции, то имеет место закон сохранения:

I + S = const         (39)

Конечно, выражение (39) трудно назвать законом сохранения. Это больше его идеология или подход, предложенный профессором Л.А. Блюменфельдом, к собственно закону сохранения. Но, защищая его (39) от оппонентов, профессор пишет: «Для некоторых учёных приведенные выше рассуждения вызывают опасения. Им кажется, что признание эквивалентности энтропии и информации, недостающей для полного описания системы, может привести к признанию зависимости объективной физической характеристики, энтропии, от субъективного фактора – полноты нашего знания системы. Эти опасения, - продолжает профессор, - основаны на недоразумении», суть которого определена большей погрешностью дополнительных измерений, способных вызвать ещё более значимое увеличение энтропии, нежели от ошибок в расчётах при принятии ряда «субъективных» свойств.

    В настоящий момент, не суть важна абсолютная точность формализации выражения (39). Принципиален подход, квалифицирующий её качество, количество, место и идеологию в общем балансе сохранения вещества, энергии и информации, взаимодополняющих друг друга.

Безусловно, формализация закона сохранения массы, вещества, энергии и информации ещё впереди и (39) это лишь очередной, но очень весомый шаг на пути к нему. Сегодня же, в контексте «Идеи единого гомеостатического устройства», не менее важно то, что идеология, заложенная в (39) позволяет распространить действие законов сохранения на динамические процессы в неравновесных диссипативных системах, коими живут все представители многообразия живой материи, наделенные гомеостазом. И значение (39) для очередной коррекции законов сохранения, ничуть не менее значимо, чем было внесено теориями М. Планка и А. Эйнштейна[19].

Закон сохранения баланса в обмене веществом и энергией

В свете вышеизложенного, возвращаясь к выражению (39), применительно к диссипативным системам, количество информации I можно позволить себе трактовать как количество энергии, утрачиваемое системой в результате её рассеивания, и имеющей постоянное (const) её количество в общем балансе производства энтропии. Из этого следуют два очень важных вывода:

1.        Отношение I / (I + S) = k_c                                   (40)

является характеристикой неэффективности функционирования данной системы, где:

k_с      – постоянная «нормы диссипации» для данной системы, как величина обратная коэффициенту Карно и не зависящая от времени и скорости диссипации. При этом: I – становится мерой «нормы диссипации», а выражение (1-k_c) - коэффициентом эффективности функционирования системы.

2.        Величина const характеризует таким образом полное количество энергии данной системы в общем балансе производства энтропии, а значит может быть выражена через (27) для релятивистских систем:

const = E_m = g m₀m₁ r^-3 + [m₁u²/2] +[J w²/2] + m₁c² (41)

и как:

const = E_m = g m₀m₁ r^-2 + [m₁u²/2] +[J w²/2] + m₁c² (42)

для систем, движущихся с небольшими скоростями.

Исходя из (41) и (42), применимых для биологических систем[20]:

I = k_c (g  m₀m₁ r^-2 + [m₁u²/2] +[J w²/2]  + m₁c²) (43)

Исходя из (40) и (6), применимых для динамических диссипативных систем:

DI = k_c(DI+DS) = k_c(DI+DQ/T) = k_c DI + k_c DQ/T  

отсюда: DI - k_c DI = k_c DQ/T    

или:        DI (1 - k_c) = k_c DQ/T     

отсюда: DI = k_c DQ/[T(1 - k_c )]                                      (44)

Таким образом, из (44) следует, что:

1.   количество энергии, выраженное через DI, рассеянной в процессе производства дополнительной энтропии, является количественной мерой эффективности такого производства;

2.   для диссипативных неравновесных систем гомеостатического свойства DI является балансовой (энергетической) «стоимостью» и информацией «обратной связи» (принцип профессора И.И. Шмальгаузена) для компенсирующих процессов, обеспечивающих эквивалентный возврат (поступление) вещества и/или энергии;

3. количество энергии, выраженное через DI составляет суть «дефицита энергии» (принцип профессора Н.А. Онищенко) в общем генезе адаптивно-приспособительных реакций гомеостатической регуляции.

На основании этого, закон сохранения для систем, наделенных свойством гомеостаза. может быть сформулирован следующим образом: неравновесная диссипативная система обменивается с внешней для неё средой веществом, энергией и информацией в объёме, эквивалентном рассеянию энергии в процессе производства энтропии при исполнении специфической возвратной функции.

    В такой транскрипции настоящий закон может быть назван законом сохранения баланса массы, вещества, энергии и информации и, хочется надеяться, претендовать на всеобщность своего действия[21].

Диалектика действия «Закона сохранения баланса»; Реакция «возмущения», как первый элемент в «теории возмущений гомеостатических систем»

С точки зрения классического толкования «Теория возмущений» - это метод последовательных приближений при решении целого ряда задач и уравнений, содержащих некоторые малые параметры, используемые при описании каких-либо физических систем. В особенности, это касается малых воздействий, способных вызвать ответную реакцию системы, т.е. её «возмущение»[22].

    Суть метода состоит в том, что на первом этапе вычислений производится расчёт более простого решения для «невозмущенной» системы. Затем, с помощью найденного решения, вычисляются поправки, вносимые самим «возмущением». Такое «поправленное» решение можно использовать для нахождения следующей поправки и т.д. Таким образом, «теория возмущений» сводится к последовательному, поэтапному уточнению основного решения.

    «Теория возмущений» известна очень давно и весьма широко используется в области квантовой механики[23], теории электромагнитного поля[24], теории возмущения молекулярных орбиталей[25], теории бифуркаций[26] и многих других, связанных с участием каких-либо неопределенностей[27].

    Привлекательным представляется и физический смысл собственно «возмущения» системы, уже не как метода, а как собственно процесса, наполнившего изначальный математический способ расчёта глубоким характерным содержанием, рождённым, быть может, от того, что оперирует колоссальными физическими неопределенностями. Для нас же это не только важно, но и очень символично: ведь именно эти разделы физики в сочетании с термодинамикой, биологией, нормальной и патологической физиологией, насыщенные свыше предела собственными неопределенностями, легли в основу «идеи единого гомеостатического устройства».

    Ещё более убедительным аргументом в пользу применимости элементов «теории возмущений» к «идее единого гомеостатического устройства» стали классические выводы «теории возмущения молекулярных орбиталей» профессора М. Дьюара. Они расширяют, на наш взгляд, границы толкования базовой «теории возмущений» от чисто расчётного способа исчислений (метод последовательных приближений) до теории, позволяющей квалифицировать динамические состояния молекул, как систем в процессах образования и разрушения внутри- и межмолекулярных связей.

    Мы же, рискуя потерять ещё более от своей скромности, надеемся, что «теория возмущений», примененная в рамках «идеи единого гомеостатического устройства» сможет претендовать на всеобщность своего действия.

    Для того, чтобы уйти от излишней риторики, объясняющей, впрочем, мотивацию нашей предрасполагающей к «возмущению» настойчивости, рассмотрим процесс обмена веществом, энергией и информацией с позиций теории информации и в рамках закона сохранения баланса в обмене веществом, энергией и информацией.

    Выше было определено, что информацией можно назвать всё то, что может быть акцептовано какой-либо принимающей системой, модулировано до уровня дееспособности, т.е. способности вызвать некую специфическую для данной принимающей системы ответную реакцию. В этой связи, представляется резонным попытаться выделить элемент всеобщего в этом процессе, т.е. определить неспецифическую его компоненту, которая могла бы быть применима, как характерная черта всеобщего для любой системы, наделённой независимой способностью принять информацию.

    В рамках «идеи единого гомеостатического устройства» постановочная часть этой задачи, безусловно, распространима на системы всех уровней организации материи, наделенные собственным гомеостазом.

    Для этого, постараемся представить в общем виде процесс динамического взаимодействия какой-либо абстрактной гомеостатической системы с внешней для неё средой в виде двух участников: системы, наделенной гомеостазом и внешней среды.

Прибегнув к принципам «теории возмущений», рассмотрим отношения означенных выше участников, пребывающих в состоянии так называемого «неравновесия покоя»[28].

    Поскольку любая гомеостатическая система не только полуоткрыта и неравновесна по отношению к окружающей среде, но и диссипативна, то в соответствии с «законами сохранения», средний статистический процесс обмена веществом, энергией и информацией установит с ней некий квазипостоянный баланс (const) в обмене этим веществом, этой энергией и этой информацией I, составив «норму её реакции»:

[I₁ +S₁] / [I₂ +S₂] = const                    (45)

Руководствуясь принципом п.2 «закона сохранения», процесс производства энтропии S₂ этой системой обеспечит информационные условия I для эквивалентного возврата вещества и/или энергии из каких-то условных источников внешней среды в соответствии с (39) и «принципом обратной связи И.И. Шмальгаузена». При этом информационный поток I₂, направленный от системы во внешнюю среду, должен быть в итоге равен встречному, компенсирующему потоку вещества, энергии и информации I₁ в своем энергетическом эквиваленте. Иными словами:

I₂ = I₁ = I                                (46)

Такое соотношение потоков будет поддерживаться согласно (39) двумя константными величинами, описывающими общее состояние самой системы:

[I₂ +S₂] = const₂                   (47)

и описывающей состояние внешней среды:

[I₁ +S₁] = const₁                   (48),

тем более, что внешней средой для любой гомеостатической системы, согласно «идеи единого гомеостатического устройства», является внутренняя среда следующего иерарха в общем иерархическом ряду.

    В полном соответствии последовательностям событий, подействуем на гомеостатическую систему неким условным и независимым действием в размерности DI. В результате этого будет получено общее увеличение внутренней энтропии гомеостатической системы на величину DI, т.е. общее описание избранной нами для анализа системы может быть представлено следующим образом:

DI + [I +S₂ ] > const = S_i ↑ (тенденция)         (49)

Исходя из (39), такое положение для гомеостатических систем не может продолжаться долго, поскольку нарушены условия исполнения «нормы реакции» (нормы отношений балансовых частей) и «закона сохранения». Следовательно, естественной реакцией гомеостатической системы на изменение её энтропии (от S₂ до S_i), вызванной акцептом информации DI, должно быть безусловное внутрисистемное перераспределение производства её энтропии как:

I + [DI + S₂] > const = S_i ¯ (тенденция)         (50)

Смещением DI в сторону «кооперации» с S₂ демонстрируется факт, провоцирующий увеличение суммарного производства энтропии системы и естественную для этих условий тенденцию к выравниванию (возвращению к норме) постоянства баланса (¯).

    Иными словами, (49) и (50) иллюстрируют некие условные этапы увеличения исходного баланса [I+S₂] (47) поддержания начальной энтропии до состояния S_i.

    S_i заведомо большее S₂+I и должна быть охарактеризована как состояние «дефицита энергии», что отвечает условиям «правила Н.А. Онищенко» для адаптивных систем.

    Таким образом, исходя из только что сформулированных принципов «теории возмущений», такое состояние системы, т.е. состояние системы сопровождающееся изменением её энтропии и сопряжённое с перераспределением её производства, квалифицируется, как состояние «возмущения»[29].

   И наоборот: состояние «возмущения» системы сопровождается изменением её энтропии, вызывая перераспределение её производства.

      Последующая цепь ожидаемых и обязательных событий сопряжена с преобразованием S₂ до S_i за счет добавленной энтропии DI и формированием ответной информации в объёме (I+DI), возвращая (приводя) константное отношение системы в соответствие условиям исполнения «нормы реакции». Не исключено, и даже наверное, это происходит на другом уровне производства энтропии и, соответственно, на другом уровне обмена веществом, энергией и информацией. В полном соответствии соблюдены лишь незыблемые константы: «нормы реакции» и «законов сохранения и баланса» между системой и внешней средой.

    Таким образом, дальнейший ход событий позволяет заключить, что состояние любой гомеостатической системы при эффективном акцепте информации, сопровождается её «возмущением», т.е.:

1.   изменением энтропии принимающей информацию системы;

2.  её энергетическим дефицитом, индуцирующим перераспределение производства энтропии;

3.  формированием специфического для системы физиологического ответа, используемого вышестоящей системой в качестве информации по типу обратной связи.

Таким образом: реакция «возмущения» гомеостатической системы есть неспецифический и компенсаторный процесс восстановления баланса в обмене веществом, энергией и информацией.

    Реакция же «возмущения» характеризуется начальным увеличением энтропии системы, временным дефицитом энергии, компенсируемым за счет перераспределения эффективностей и скоростей в производстве энтропии.

    По всей видимости, реакция «возмущения» составляет центральное и всеобщее звено в механизме управления и координации деятельностью гомеостатических систем, представляя собой суть модуляции многообразия поступающей информации в типический физический процесс, завершающийся специфическим ответом «обратной связи».

    Из вышеизложенного следует ещё один важный принцип, использование которого в дальнейшем позволит более полно понять механизмы адаптации и адаптивной регуляции гомеостатических систем к изменяющимся условиям внешней среды, факторам стресса и/или любого иного действия, которое может быть названо информацией: любое изменение в движении вещества, энергии и информации в общем потоке обменного процесса (веществом, энергией и информацией), а равно совершение какого-либо иного действия над изучаемой системой или происходящего с ней, сопровождается реакцией «возмущения» либо всей системы, либо её локальных акцепторных зон и завершается ответной специфической реакцией с её стороны, характерной только для данной системы.

    Информация же, исходящая из системы в виде специализированного (специфического) ответа, должна быть точно также акцептована внешней для неё средой (следующим в иерархии гомеостазом), также модифицирована до уровня её дееспособности, т.е. способности вызвать специфический физиологический ответ вышестоящего иерарха, осуществляемого посредством такой же реакции глобального или локального «возмущения».

    Есть все основания надеяться, что применение серьезного математического инструмента к «теории возмущений гомеостатических систем», откроет для неё большое и, может быть, самостоятельное будущее. Но эта перспектива, увы, пока не для нас и, уже тем более, не для данного изложения. Быть может в будущем, мы сможем вернуться к ней, находясь на новом рубеже познания «единого гомеостатического устройства».

    Хочется только выразить надежду, что может быть когда-нибудь кого-нибудь заинтересует «теория возмущения» не только с позиций прикладной математики, а с дерзкой высоты знаний, с которых, подобно М.В. Ломоносову, А. Эйнштейну, М. Планку, И.Р. Пригожину, М. Дьюару или инженерам Поляковым, дозволено будет заглянуть далеко в будущее, в корректной форме неукротимого любопытства «попрать» традиционные научные устои, не нарушая при этом строгой этики познания.

Другие общебиологические законы, применимые в

 «Идее единого гомеостатического устройства»

Продолжая тему всеобщности и важности законов сохранения, следует особо подчеркнуть их применимость не только к закрытым (изолированным) системам, но и, что представляется не только важным, но и очень интересным, - к так называемым «открытым» или «полуоткрытым» системам. Это более чем оправдано, поскольку диктуется фактом сохранения баланса в обмене веществом, энергией и информацией между неравновесными самоорганизованными системами, самостоятельно поддерживающими такое неравновесие. Это системы, наделенные свойством и качеством гомеостаза, не говоря о том, что именно с таким многообразием систем (отнюдь не закрытых) приходится сталкиваться в живой природе. Мы окружены ими, живём с ними и по их законам, сами из себя представляем «полуоткрытую» неравновесную систему, наделённую способностью к самоорганизации и самоподдержанию.

Закон сохранения в биогеохимическом цикле круговорота веществ.

Наверное, наиболее ярким и хрестоматийным примером, известным каждому человеку со школьной скамьи, является знаменитый «круговорот веществ в природе», носящий официальное имя «закон сохранения в биогеохимическом цикле круговорота веществ» профессора В.И. Вернадского.

Ещё до создания профессором В.И. Вернадским биогеохимии и учения о биосфере, в науке бытовало представление о замкнутых круговоротах вещества и энергии, обеспечивающих «равновесие в природе». В дальнейшем была доказана разомкнутость круговоротов отдельных химических элементов и соединений и, как нам удалось убедиться на материале предыдущего раздела, в отсутствии частных случаев «круговоротов энергии» в силу диссипативности систем, в частности, планетарной биосферы в целом и для участников, её населяющих.

    Надо отметить, что биологи эмпирики, пользующие своей практической деятельностью фактический природный материал, в вопросе описания только что сформулированного закона сохранения баланса массы вещества, энергии и информации, на 87 лет опередили теоретиков, предоставив блестящую иллюстрацию в виде «закона сохранения в биогеохимическом цикле круговорота веществ». Ведь понятие «биогеохимические циклы» было введено в 1910-1912 годах профессором В.И. Вернадским, разработавшим тогда теоретические основы биогеохимической цикличности в учении о биосфере. Поэтому с тех пор, развивая идеи великого профессора, исследователи и естествоиспытатели стали говорить о направленных потоках энергии, её трансформации и рассеивании в биосфере, где наиболее привлекательными глубиной своих обобщающих расчётов, имеющих непосредственное отношение к «идее единого гомеостатического устройства», являются так называемые «пищевые пирамиды» (рисунок 10) и «линейные пищевые цепи» (рисунок 11).

Рисунок 10. Три типа экологических пирамид для простой пищевой цепи «люцерна–телята- мальчик» по Одуму, 1975; (рисунок профессора И.А.Шилова, 1985). А – пирамида чисел; В – пирамида биомассы; С – пирамида энергии

Рисунок 11. Упрощенная схема потока энергии в линейной пищевой цепи биоценоза по Одуму, 1975 (рисунок профессора И.А.Шилова, 1985), где:

1 - общее поступление энергии;

LA - энергия, поглощенная растительностью;

A - ассимиляция;

PN - чистая первичная продукция;

P - вторичная продукция (различные уровни консументов);

NA – не ассимилированная (экскреторная) энергия;

R - дыхание;

NU - неиспользуемая (накапливаемая) энергия;

цифры – потери энергии на разных трофических уровнях (в кДж·м^-2 за сутки)

Безусловно, что движущими силами биогеохимических циклов служат потоки энергии Солнца и, в меньшей мере, другие источники электромагнитных потоков (космических лучей). Эта энергия как фактор действия экзогенной природы по отношению к планетарному гомеостазу вместе с совокупной деятельностью всего живого вещества (эндогенный фактор) создают удивительный прецедент для анализа отношений гомеостатических иерархов высшего уровня с планетарной биосферой. Ведь именно эти отношения полуоткрытых и диссипативных гомеостатических систем «планетарная биосфера - Космос» приводят к перемещению огромных масс химических элементов и веществ на Земле, к аккумулированию и перераспределениям энергии и энергетических потоков при постоянной её диссипации, являющейся фактической информацией об интегральном состоянии гомеостаза Земли.

    Пользуясь принципом обратной связи и законом сохранения баланса, можно судить о качестве и составе ответной реакции высшего иерарха гомеостатическому устройству, его природе, реактивности и т.д. Ведь основным донатором энергии в нашей звёздной планетарной системе является Солнце, акцептором – планетарная биосфера и её участники, а механизмом акцепта – фотосинтез.

    Именно благодаря фотосинтезу и непрерывно действующим циклическим круговоротам биогенных элементов и других веществ поддерживается динамическая организованность биосферы Земли, её гомеостатическая устойчивость, осуществляется нормальное функционирование[30].

    На данном этапе изложения более примечательным представляется тот уникальный факт, что впервые в кажущийся «противовес» закону сохранения массы констатируется достоверный факт неполной завершенности нормальных (не нарушенных) биогеохимических циклов в биосфере Земли. Ведь известно, что степень оборачиваемости годичных циклов названных выше биогенных элементов составляет ~95-98%. Остальная же часть аккумулируется в её недрах и земной коре.

   А ведь такая «неполная оборачиваемость» (или не замкнутость) круговоротов квалифицируется, как одно из важнейших свойств биосферы, имеющей «планетарное значение». За предположительное время жизни биосферы (3.5-3.8 миллиардов лет), доля вещества, выходящая из соответствующего цикла (длительностью от десятков и сотен до нескольких тысяч лет) в геологический цикл (длительностью в миллионы лет), обусловила биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере Земли и различных химических элементов в её коре.

Особенно показателен цикл углерода: ежегодно из биогеохимического цикла углерод выходит (сбрасывается) в геологический цикл в объёме до 130 тонн элементарного вещества, что составляет 10^-7% - 10^-8%  от запасов углерода, находящегося в обращении.

    По данным геологов в течение последних 600 миллионов лет за счёт неполной обратимости цикла углерода, в ископаемых осадках накопились огромные запасы углеродсодержащих отложений (известняков, битумов, углей, нефти и др), оцениваемых в 10¹⁶ – 10¹⁷ тонн. Для справки: полная масса Земли составляет  5.976×10²¹ тонн. Тогда как общая биомасса на несколько порядков меньше: 1.8×10¹² тонн (сухого вещества).

   Очень важно констатировать, что «мнимость» такого противоречия законам сохранения обусловлена естественно рожденной ошибкой неточно избранной модели для анализа. Ведь по существу, биосфера профессора В.И. Вернадского – это только часть, составляющая полную планетарную гомеостатическую систему Земли. А в её рамках законы сохранения массы безусловно исполняются, ибо недостающие массы элементарного вещества аккумулируются в недрах Земли, - главном по массе участнике – планете Земля.

Важно и другое: если в рамках «идеи единого гомеостатического устройства» биосфера профессора В.И. Вернадского есть лишь суть среда обитания живого плюс биомасса живого, то в характеристиках планетарного гомеостаза, как единого целого, следует рассматривать во-первых:

1. общую биомассу, как физическую характеристику всего живого на Земле;

2. биомассу растительного мира, не только акцептующую и потребляющую энергию, но и преобразующую её до состояния материального энергосубстрата (носящего имя «биомасса продуцентов»);

3. биомассу животного мира, представляющая собой массу консументов, создающих материальную базу для динамического и необратимого разнообразия и усовершенствования живой материи. Цена такой «работы» - это энергетический потенциал от деятельности биомассы продуцентов.

И второе: в рамках «идеи единого гомеостатического устройства» и, в связи с этим, модели отношений участников «клетка - особь – популяция – биогеоценоз - планетарный гомеостаз - Космос» к эндогенным и экзогенным участникам энергетического баланса следует отнести:

1. Солнечную энергию (экзогенная составляющая);

2. Энергию других космических лучей, квалифицированных составом околоземного комического пространства (экзогенная составляющая);

3. Энергию гравитационных отношений (узел взаимодействия);

4. Тепловую и иные энергии излучений Земли (эндогенная составляющая);

5. Энергию рассеивания биомассы (эндогенная составляющая).

Правило Шелфорда-Гаусса:

действие биотических и абиотических факторов на биологический объект

Правило Шелфорда-Гаусса, как одно из важнейших положений современной биологии, было сформулировано сравнительно недавно, в 1990 году в работе «Регуляция клеточного гомеостаза», опубликованной в Санкт-Петербурге (в то время - Ленинграде). История же становления этого правила до уровня современного прочтения особенно примечательна тем, что на всех этапах своей собственной «эволюции» он имел и продолжает иметь форму самостоятельного общебиологического закона. Первым из них стал «Закон Либиха», известный как «правило минимума».

Закон Либиха. Правило минимума

Закон был сформулирован ещё в 1840 году выдающимся немецким химиком профессором Юстусом Либихом (1803-1873), автором так называемой «минеральной теории питания растений». На примере растительных организмов Ю. Либих убедительно доказал, что применительно к сельскохозяйственным культурам, одним из принципов, определяющих  распространение и развитие организмов «управляется веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени»[31]. Имелось ввиду лимитирующее действие жизненно важных веществ, присутствующих в почве в небольших количествах.

    Очень скоро это обобщение стало трактоваться значительно шире, оно было экстраполировано на действие других факторов среды, учитывающих влияние температуры, влажности, времени и др., приобретя  форму общебиологического закона.

    Позднее, в 1909 году немецкий агрохимик профессор физиологии растений Эйльхард Альфред Митчерлих (1874-1956), изучая влияние физических и химических факторов на урожайность сельскохозяйственных структур, существенно дополнил закон Либиха. Он распространил его действие на эффект от влияния совокупных факторов. Примечательно, что закон Либиха получил иное имя. Он стал называться «Законом физиологических взаимосвязей». Он гласил: «продуктивность биологической системы определяется всей совокупностью действующих экологических факторов».

    В 1918 году немецкий математик профессор Бернхард Бауле вновь переименовал этот закон, назвав «Законом совокупного действия факторов», который по своей сути мог рассматриваться только, как поправка к закону Либиха. Вместе с тем, предложенная Б. Бауле и Э. Митчерлихом математическая формула этого закона стала практически первым формализованным выражением явления взаимодействия целого комплекса экологических факторов на биологический  объект. В связи с этим, работа Б. Бауле послужила мощным стимулом к изучению многофакторных зависимостей в сельском хозяйстве и экологии. По существу же, закон Либиха, закон Митчерлиха и закон Бауле является частным случаем правила Шелфорда, а последнее описывается классическим уравнением Гаусса.

Правило Шелфорда: «Закон толерантности», принцип оптимума

Следующий закон или «закон толерантности» был сформулирован в 1913 году американским зоологом и экологом профессором биологии Виктором Эрнестом Шелфордом (1874-1954). В результате анализа экспериментальных данных, полученных на насекомых при воздействии на них самыми различными физическими агентами (абиотическими факторами) при меняющейся их интенсивности, профессор не только воспроизвел результаты работ Э. Либиха и Э. Митчерлиха на ином представителе живого мира, он установил твердую взаимосвязь действия изученных физических агентов на способность насекомых переносить это действие. Установленная таким образом зависимость и была названа «Законом толерантности» или «Принципом оптимума».

    Сегодня «закон толерантности» признан биологами всего мира, как один из основополагающих в биологии, экологии и сельском хозяйстве. Согласно его положению, «присутствие или процветание популяции в данном местообитании зависит от комплекса экологических факторов, к каждому из которых у организма существует определенный диапазон толерантности. Этот диапазон по каждому фактору ограничен его минимальным и максимальным значениями, в пределах которых только может существовать организм (экологический стандарт вида)». При этом, «Степень благополучия популяции» (или вида), в зависимости от интенсивности воздействующего на неё фактора, представляются в виде так называемой «кривой толерантности», имеющей зону оптимума, две зоны пессимума и две критических зоны.

    В современной трактовке правило Шелфорда звучит наиболее полно и убедительно в формулировке профессора И.А. Шилова: «Оптимальным является диапазон изменения внутреннего или внешнего фактора, в пределах которого условия жизнедеятельности наиболее благоприятны при минимальных затратах» энергии.

    В совокупном же действии с принципом минимума Либиха, законом физиологических взаимосвязей Митчерлиха и Законом совокупного действия факторов Б. Бауле, правило Шелфорда часто объединяют в «Принцип лимитирующих факторов» или «Принцип комплексного воздействия факторов» (И.А. Шилов, 1985, Л.П. Агулова, 1998). В соответствии с этими правилами, «за пределами зон оптимума каждый из действующих факторов имеет по две зоны пессимума  («зоны нормы») в сторону увеличения и уменьшения действующего фактора, в которых жизнедеятельность не нарушается, но поддерживается по мере удаления от зоны оптимума со всё большими затратами энергии. Дальнейший сдвиг в сторону недостатка или избытка фактора связан с нарушением жизнедеятельности организма – зоны пессимума» (И.А. Шилов, 1985, Л.П. Агулова, 1998) и ограничен критическими зонами (А.А. Лубяко, 1990, 1994).

Важно же, что совокупный эффект комплексного действия факторов может быть усилен, ослаблен или неизменен под действием его составляющих, но он никогда не представляет собой их сумму или разность.

Правило Шелфорда-Гаусса

В 1994 году была опубликована одна из наших работ, которая позволила достоверно воспроизвести (установить) закономерность Шелфорда при исследовании биотических и абиотических воздействий на млекопитающих (А.А. Лубяко, 1994). Изучая эффективность функционирования миокарда (в эксперименте и в клинике) при нарастающих нагрузках на сердце, была достоверно получена зависимость Шелфорда с выраженными участками оптимума, пессимумов и критических зон. Удалось подтвердить и справедливость такой зависимости при действии переменных температур.

    На основании полученных результатов нами была внесена очередная, но весьма существенная, как кажется, поправка к общебиологическому правилу Шелфорда. Она позволила распространить его действие на все виды вмешательств в обмен веществом, энергией и информацией, на все виды абиотических и биотических воздействий и, таким образом, показать, что правило Шелфорда есть частный случай распределения вероятности происходящих событий Гаусса. Таким образом, оно получило очередное название – «правило Шелфорда-Гаусса». В общем виде оно звучит так: «Действие биотических и абиотических факторов на биологический объект сопровождается изменением реактивности данного объекта, носящей нелинейный характер, имеющий зону оптимума, две зоны пессимума и две критических зоны и детерминировано скоростью термохимических процессов».

 Глава 5

Вместо заключения по материалам первой части

 «Фундаментальных основ Идеи единого гомеостатического устройства»

Далее >>