Твердислов В.А., Сидорова А.Э., Яковенко Л.В. Биофизическая экология

Оглавление

Предисловие

Перед нами книга о геобиосфере Земли – самоорганизующейся системе и о ее эволюции. Среди написанного на эту тему предлагаемая вниманию читателя "Биофизическая экология" привлекает внимание междисциплинарной современностью, свежестью видения классических подходов, широтой и общностью взглядов, а также действительно новыми мыслями. Авторы монографии трактуют экологию как современный срез эволюции геобиосферы – общей экосферы Земли. Эволюционный аспект раскрывается на основе представлений относительно автоволновой самоорганизации в иерархии сопряженных активных сред. В определенном отношении настоящая монография является развитием недавнего издания "Синергетические аспекты экологии" (Твердислов В. А., Сидорова А. Э., Дмитриев А. В. Синергетические аспекты региональной и глобальной экологии: Учебное пособие. Липецк: ГУ ИД "Липецкая газета", 2009. 325 с.), произведения интересного и, на мой взгляд, удачного, однако выпущенного весьма малым тиражом.

Экология, де-факто все более идентифицирующая себя как естествознание и вбирающая ключевые элементы социально-экономических дисциплин, – интегральная наука о взаимодействии и коэволюции живой и неживой природы. "Наука о доме" претерпевает в последние годы принципиальные изменения: с одной стороны, разрабатываются глобальные теоретические модели биосферы, с другой – совершенствуются представления о тонких биоценотических механизмах адаптации и устойчивого развития конкретных экосистем. В обоих случаях экология все в большей степени обретает сходные с биофизикой черты – в масштабах, задачах, подходах. Подобно экологии, рассматривающей многомерные взаимообусловленные процессы – от ноосферы до атомов, участвующих в глобальных круговоротах, – биофизика включает в область своих интересов исследование всей иерархии биосистем – от субмолекулярных структур до биосферы в целом. Этому вопросу как раз и посвящено введение "Биогеосфера как глобальный биотехнологический реактор".

В 1-й главе авторы рассматривают экологические аспекты развития цивилизации; приводят кропотливо подобранную хронологию развития важнейших направлений экологии; дают чрезвычайно удачное определение современной экологии, которое мне хотелось бы воспроизвести здесь полностью:

Экология – наука о механизмах взаимодействия и совместном развитии биотической, абиотической и социальной сред или, иными словами, экология есть системная наука о совместном развитии (коэволюции) неживой и живой природы с участием социума на Земле и, в перспективе, – наука о рациональном управлении Ноосферой в границах ее устойчивого развития.

Во 2-й главе книги дано сжатое и строгое изложение физико-химических основ функционирования биологических и экологических систем.

3-я глава – ключевая в методологии осознания экосферы как величайшей синергетической системы. Отечественная школа биофизики привнесла в биологию два принципиально важных направления. Во-первых, это представления о самоорганизации в распределенных диссипативных системах – активных средах, где в протоке энергии и вещества временно образуются диссипативные структуры с выделенными степенями свободы – направлениями развития микро- и макроскопических событий. Системы могут быть физическими, химическими, биологическими и т. д. Важно, что их объединяют фундаментальные законы самоорганизации. И, во-вторых, это молекулярные машины, которые способны преобразовывать потоки энергии и информации и которые образуются в результате биосинтеза в клетках по программам, запечатленным в геномах. Авторы монографии впервые распространяют представления о биологических конструкциях, молекулярных машинах, обладающих выделенными степенями свободы, на макроскопическую иерархию сопряженных биогеофизических активных сред.

В 4-й главе изложены общие представления о происхождении жизни на Земле, проведен анализ достижений и недостатков в известных теориях. Надо сказать, что в трактовках биологических стадий эволюции живых систем есть неясности, противоречия и пропуски, но в общепринятых представлениях о добиологических стадиях эволюции существует вопиющее противоречие. Известно, что живые системы, с точки зрения термодинамики, – объекты, существенно удаленные от состояния термодинамического равновесия. Тем не менее общепринятые классические гипотезы происхождения живых клеток строят исходные модели от систем исходно равновесных, преимущественно адсорбционных. Авторы монографии предлагают абсолютно новую схему происхождения дискретных, термодинамически неравновесных предшественников живых клеток. В основу развиваемого ими подхода положен общий физический принцип формирования закономерностей эволюции Вселенной и жизни на Земле через череду и возникновений, и нарушений новых симметричных и асимметричных состояний динамических систем.

Впервые экспериментально обосновано, что исходная удаленность предшественников живых клеток от состояния термодинамического равновесия непосредственно связана со спонтанным возникновением в неравновесном тонком поверхностном слое морской воды двух сопряженных фундаментальных биологических асимметрий: клеточной – ионной и молекулярной – хиральной. Ионная асимметрия предопределила способность дискретных протоклеток к реагированию на внешние возмущения как необходимое условие их включения в биологическую эволюцию, хиральная – однозначную молекулярную стереоспецифичность углеродных соединений в процессах биосинтеза и метаболизма. Ранее в рамках изучения регуляции важнейших стадий онтогенеза рассматривали лишь включение L-изомеров в рибосомальный синтез белков. Авторы предлагают новый взгляд относительно непосредственного участия D-изомеров в формировании "хиральной чистоты биосферы".

Авторами предложена и обосновывается гипотеза, согласно которой филогенетический закон Геккеля ("каждый биологический вид повторяет свою эволюционную историю в ходе онтологического развития") может быть распространен на два сопоставимых с точки зрения биофизики процесса – на процесс возникновения дискретных предшественников живых клеток в древнем океане и на начальные этапы эмбриогенеза, а также новое положение: стартовые процессы, связанные с формированием двух фундаментальных асимметрий (клеточной – ионной и молекулярной – хиральной), сходны и являются сопряженными бифуркациями, дающими начало жизни на древней Земле и индивидуальной жизни многоклеточного организма.

Существенной по объему и значимости поднятых вопросов видится 5-я глава, посвященная рассмотрению эволюции геобиосферы Земли. Основным связующим звеном между биофизикой и экологией, по мнению авторов монографии, служат представления о единстве законов самоорганизации, пронизывающих неживую и живую природу. Существуют законы развития систем, потому нелепо говорить о "самой главной молекуле". Никакая из них – ДНК, РНК, белок, липид, полисахарид – не может предопределить эволюцию. И система не может предопределить, но она постадийно прокладывает траекторию устойчивого прогрессивного развития – эволюцию, пользуясь свойственными ей уникальными степенями свободы. Важнейшее условие – система должна быть достаточно полной и с необходимостью включать иерархию активных сред, которые в точках бифуркации выделяют направление развития.

Система обладает конструкцией, создающейся путем самоорганизации, и потому обладает выделенными степенями свободы – детерминированными выделенными направлениями развития. Это сопряженные активные среды, в которые входят уровни – генетический, метаболитический, цитологический, физиологический, организменный, популяционный, биоценотический и так вплоть до геобиосферного. Ключевой уровень, достаточный для обеспечения локальной устойчивости и лабильный для изменчивости на эволюционном пути, – уровень биоценозов. Сложность этой "конструкции" определяется системой неаддитивных взаимодействий прямых и обратных положительных и отрицательных связей, направляющих векторы дивергенции и конвергенции в ходе эволюции. Возникающая "сложность" – соблазнительный, но столь же непродуктивный термин для охарактеризования направленности эволюции, в т. ч. биологической. В научной литературе критерием этой сложности выступают те или иные параметры структуры экосистем, в то время как определяющим критерием может служить их динамическая устойчивость на уровне микро- и макроэволюции. Как справедливо отмечают авторы монографии, "развивающаяся система становится прогрессивной, лишь попав на устойчивую траекторию развития в пространстве конкретных биогеоклиматических условий и в соответствующем временном интервале".

Таким образом, авторами впервые явным образом высказана и обоснована концепция о том, что геобиосфера – многомерная сложная иерархическая активная среда. В концепциях этой парадигмы интересно было бы рассмотреть в пространственно-временном контексте потоки вещества и энергии в средах геобиосферы: лито-, гидро- и атмосфере, а также особенности процессов самоорганизации в природно-антропогенных системах, экологическую безопасность и инженерные аспекты экологии. Завершая чтение монографии, доброжелательный читатель имеет все основания полагать, что ее продолжением станут новые главы, касающиеся математических моделей экологических и эколого-социальных систем.

В целом – это неординарная книга с новыми мыслями и новыми подходами. И еще: эту научную книгу интересно читать.

Об авторах

Твердислов Всеволод Александрович

Доктор физико-математических наук, заслуженный профессор МГУ имени М. В. Ломоносова, заведующий кафедрой биофизики физического факультета МГУ, дважды лауреат Ломоносовской премии. Автор более 200 статей, а также 7 монографий и учебников по различным направлениям биофизики и экологии. Известен как специалист в области общей биофизики и синергетических аспектов экологии. Сфера научных интересов — проблемы происхождения предшественников живых клеток, исследование механизмов ионной и хиральной регуляции в биологических системах, разработка биофизических подходов к изучению процессов биологической эволюции.

Сидорова Алла Эдуардовна

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры биофизики физического факультета МГУ. Автор 4 учебников и монографий в области биофизической и синергетической экологии. За последние годы опубликовала более 30 статей, посвященных исследованиям в области синергетических аспектов экологии, моделирования процессов самоорганизации в геобиосфере, изучения системных процессов в урбоэкосистемах как иерархиях активных сред и электромагнитных излучений как фактора антропогенного воздействия в урбоэкосистемах.

Яковенко Леонид Владимирович

Доктор физико-математических наук, профессор кафедры биофизики физического факультета МГУ. В 2006 году защитил докторскую диссертацию на тему «Возникновение ионной и хиральной асимметрии в предбиологической эволюции». Сфера научных интересов — физическая химия ферментативного катализа, биофизика мембран, возникновение жизни на Земле, информационные аспекты морфогенеза, прогнозирование эволюции сложных систем. Автор двух монографий в области биофизики.