Сложная организация мира природы

Наша Земля представляет собой сложную систему, состоящую из нескольких оболочек-геосфер и ядра. По-видимому, есть и другие планеты, устроенные таким образом. К числу оболочек Земли относятся выделенные по составу вещества: мантия, земная кора (литосфера), гидросфера и атмосфера. Образовались они как следствие общепланетарных процессов. Изменяются типы физико-химических реакций на различных глубинах, образуются разнообразные молекулярные соединения, с которыми происходят различные превращения. Но с увеличением глубины ослабевают процессы, связанные с организацией вещества.

В свою очередь оболочки тоже дифференцируются. В работах геологов рассмотрены процессы последовательного усложнения строения Земли при образовании новых геологических структур. Чл.-кор. АН СССР В. В. Белоусов показал, что процесс дифференциации мантийного вещества Земли влияет на все геологические процессы.

В поверхностной части Земли — оболочке пашей планеты — активно идут сложные процессы и здесь формируются геологические структуры и рудные месторождения. Месторождения и слагающие их минералы, а в свою очередь атомы и молекулы, также подчиняются определенным закономерностям.

Учение о строении Земли сформировалось из результатов, полученных геологами, геофизиками, географами, геохимиками, гидрогеологами, литологами и представителями других геологических специальностей.

Литосфера — это каменная твердая наружная оболочка Земли (земная кора). Она состоит из разнообразных горных пород — гранита, габбро, известняка, песчаника, доломита, глин и др. В свою очередь горные породы образованы более простыми телами — минералами, например, кварц и полевой шпат составляют граниты, кальцит — известняк и т. д.

Ученые ввели понятие о биосфере как оболочке, в которой находится органический мир и развита жизнь. В. И. Вернадский сформировал основы учения об этой оболочке и выделил как современную живую оболочку, так и «былую» биосферу, образованную остатками древних организмов. Оболочка органического мира пронизывает верхнюю часть литосферы, атмосферу и гидросферу. Разнообразные геологические процессы протекают при непосредственном участии организмов и растений. Именно в биосфере находятся рассматриваемые нами биологические, а в литосфере — геологические объекты.

В разных областях научных знаний объекты тех или иных исследований различаются прежде всего по степени сложности своей структуры, т. е. по «уровню их организации». В общем случае понятие «уровень организации» характеризует структуру определенной сложности, представляющую собой, с одной стороны, элемент, а с другой — отдельный самостоятельный объект в цепи систем, последовательно усложняющихся по структуре. В каждом отдельном случае в это понятие вкладывается свой уточняющий и конкретный смысл.

Выделение уровней организации происходит как в биологии, так и в геологии. Нужно, конечно, отметить, что уровни являются абстракцией, облегчающей описание сложных объектов. В биологии это понятие начало развиваться раньше, в геологии позже, но в обеих науках подход к выяснению организации продиктован наличием природных структур и процессов. Не всегда просто выделить уровни и изучить их свойства по отдельности; и если биологи встречают здесь некоторые сложности, то они есть и в области геологии.

Уровни организации все время изучаются в живой природе. В биологии одни изучают клетку и популяцию, другие экосистему, что связано с преобладающим у того или иного специалиста объектом исследования. Во всех случаях выделение уровней организации основано на накопленном людьми практическом опыте. Можно выделить биосферу в целом, биоценоз, популяцию, отдельный организм, клетку, органеллу, молекулу, атом. И действительно, в пределах биосферы выявлены биоценозы, в состав которых входят отдельные организмы и растения — все естественные группировки, образующие самоподдерживающуюся систему. Характерной чертой организма является то, что он имеет клеточное строение и т. д,

Биосфера — тонкая пленка в объеме всей Земли — хорошо организована как иерархическая система уровней организации вещества, причем на каждом уровне компоненты, которые ее составляют, взаимодействуют так, что любое биологическое явление подчинено имеющейся иерархии.

Сейчас одно явление анализируется многими специалистами. Американский биолог К. Гробстайн приводит пример с зайцем, который ел кустарник и которого схватила рысь. В обсуждении происшедшего биологического события принимают участие специалисты разных направлений: эколог, физиолог, цитолог, электронный микроскопист, биохимик, биофизик. Каждый излагает свою частную концепцию, которая связана с определенным уровнем организации вещества. Эколог изучает систему в целом. Он наблюдает в данном случае участок цепи питания экосистемы: с помощью листвы, съеденной зайцем, а затем зайца, в свою очередь переваренного в желудке рыси, солнечная энергия, накопленная зелеными растениями, распределилась по всей экосистеме, Электрофизиолог берет электронную установку, прикладывает к телу электроды и изучает электрические импульсы, образующиеся в нервной системе.

Именно исследования на уровне нервной системы позволяют изучать поведение животного. Электрофизиолог наблюдает, как от чувствительных нервов идет серия импульсов в тот момент, когда заяц прислушался и повернул голову или рысь пригнулась перед прыжком. Эта серия импульсов и достигает коры головного мозга. На экране осциллографа видно, что появляются сформировавшиеся в коре управляющие импульсы, которые распространяются затем к двигательным мышцам и передают им команду о сокращении, после чего заяц прыгает в сторону.

Цитолог, изучающий непосредственно уровень клетки, поясняет, что импульсы следуют по нервным волокнам, которые, в свою очередь, являются отростками клеток. Распространение импульса тесно связано с обменом веществ и энергии в местах соединения отдельных клеток — своеобразных клеточных контактах. Если понять этот механизм, то будут ясны приемы управления нервным импульсом. Биохимик перейдет на другой уровень организации и скажет, что нельзя будет понять, как функционируют клеточные поверхности, равно как и другие части — органеллы клетки, пока не будет ясен их молекулярный состав.

Для каждого уровня организации вещества в пределах биосферы характерны какие-то свои способы взаимодействия составляющих данный уровень элементов. Взаимодействие осуществляется путем обмена веществ, посредством соприкосновения поверхностей, электромагнитным полем и т. д. Элементы организмов связаны друг с другом с помощью сложной нервной системы, иными словами, усложнение структуры элементов можно наблюдать с усложнением системы их взаимодействия. Поэтому иерархия структуры элементов обусловлена иерархией системы взаимодействия частей целого — более сложные элементы имеют более сложную систему взаимодействия. Нервная система является настолько сложной системой связей, что с ее помощью возможно осуществлять функциональный контроль элементов. У биологов подчеркивается, что иерархия структуры соответствует иерархии функционального контроля.

Но уровни организации известны и в неживой природе. Примерно так же, как и биологи, рассуждают специалисты из различных областей геологии. Предположим, что мы исследуем рудное месторождение. Специалист по тектонике говорит, что знание тектоники позволит точно понять происхождение и время образования рудного тела. К тому же тектонические структурные конструкции контролируют рудные тела. Геоморфолог видит ландшафты, он будет искать связь форм рельефа с тем или иным типом руд. Геофизик-электроразведчик возьмет электроды и электронные приборы и выяснит, как распределяются удельные электрические сопротивления при пропускании через землю электрического тока, а также зафиксирует естественные электрические процессы. Гидрогеолог расскажет все о воде, о водном режиме месторождения и его нарушениях при вскрытии месторождения. Минералог изучит, из чего состоит рудное тело: он увидит отдельные минералы и их взаимоотношения, сможет сделать вывод об условиях мннералообразования, о механических воздействиях, которые испытали минералы, после того как выросли. Данные по газово-жидким включениям подскажут состав рудоносных растворов и температурный режим образования минералов. Возникнет необходимость в обобщении сведений.

Специалист по электронным вычислительным машинам скажет, что он математическим путем вычислил корреляционные коэффициенты, в которых учтены многочисленные показатели, связанные с наличием рудного тела в Земле: изрезанность рельефа, сведения об электрических свойствах, наличие аномалий магнитного поля, данные по содержанию металла в почве, различных элементов в горных породах, гидрогеологическому режиму. Но и в рудном теле идут процессы по своим законам, и мы видим пока лишь частные стороны этих проявлений, не всегда укладывающиеся в наши концепции. Почему? Да потому, что месторождение на всех этапах развития представляет собой сложную систему, имеющую связи с окружающей средой, где действует очень много факторов, причем изменение одного явления влечет за собой изменения других. Мы пока только начинаем представлять этот механизм в целом.

В геологических науках понятие «уровень организации» также давно используется, особенно при рассмотрении принципов историзма и цикличности. Геологические системы рассматривались как особые стадии развития нашей планеты. Для земного шара в целом и для каждой геологической системы характерно наличие, подсистем различного уровня, начиная от слоев земной коры и кончая составляющими ее горными породами и минералами. При этом каждый «уровень организации» геологической системы характеризуется определенным составом вещества и соответствующей структурой. Любой геологический объект представляет собой результат наложения обширного ряда элементарных процессов. «Выделить же ее составные компоненты и интегрирующие их закономерности — задача весьма сложная и трудная».

В наше время геологи исследуют самые различные структурные части планеты — от земных оболочек до минералов и входящих в их состав атомов и ядер, иными словами, они изучают вещество на всех уровнях его организации, что созвучно направлениям работ биологов. И геологи стремятся расположить изучаемые объекты в ряды. При этом отдельные объекты — индивиды группируются в виды, а виды — последовательно в более высокие группы — таксоны. Ряд в геологии выписывается следующим образом: атомы, молекулы, минералы с газово-жидкими включениями, горные породы, формации, оболочки планет, планеты, звездные системы, галактики. По сравнению с биологией здесь неясно, как обстоит дело с функциональным контролем, который должен быть связан с каждой структурой соответствующего уровня организации. Но, тем не менее, в ряду перечислена последовательность геологических «кирпичиков».

Начало геологического ряда такое же, как и у ряда живой природы. В геологии имеются объекты, которые содержат серию других объектов на более низком уровне организации, что напоминает последовательный набор матрешек, полых шаров или кубиков, вложенных друг в друга.

Теперь все чаще употребляется такой термин, как рудный район. Под рудным районом подразумевается геологически и географически обособленная территория с развитыми в ее пределах группами месторождений близкого состава, образовавшихся в сходных геологических и физико-химических условиях. В свою очередь рудные районы содержат рудные поля. Под рудным полем подразумевается совокупность территориально сближенных рудных месторождений, объединяемых общностью происхождения и единством геологической структуры. Рудное месторождение — это скопление полезного ископаемого, являющегося рудой какого-либо металла.

В пределах рудного района имеются рудные поля, содержащие рудные участки — месторождения. Но если взять рудный участок и детально изучить его, то здесь будет выявлена сеть рудных и нерудных жил, которые будут связаны, как правило, с тектоническими нарушениями. И далее, изучая минерал, мы увидим, что он тоже неоднороден, содержит специфические включения, т. е. здесь мы сталкиваемся с последовательной неоднородностью в свойствах, характерных для каждого уровня организации. Минерал был выделен как самостоятельное целое в повседневной практике человека. По данным А. К. Болдырева, уже в начале нашей эры было описано около сотни минералов, которые соответствуют минеральным видам, выделяемым наукой сегодня. Это самородные элементы: медь, железо, золото, серебро, янтарь; сульфиды, окислы, карбонаты, силикаты и др. Мы уже писали о большой важности для людей изучения свойств отдельных минералов. В свою очередь, минерал является составной частью других объектов: горных пород, месторождений, рудных полей и районов, которые также имеют присущие только им свойства. «Минерал — это часть неорганической природы, природное тело, обладающее кристаллическим строением и являющееся естественным продуктом земных физико-химических процессов», — написано в статье «Изучение уровней организации».

Все объекты ряда минерал — месторождение — рудное поле неоднородны, хотя и могут быть охарактеризованы средними параметрами. Неоднородности в физических свойствах и различного рода изменения свойственны всем геологическим объектам и минералу, и рудному полю. Каждый уровень организации вещества связан с определенным присущим ему структурным порядком, который имеет вместе с тем свои включения неоднородностей. Геофизики широко используют физические свойства горных пород. Возьмем такой вид геофизики, как электроразведка, изучающая удельное электрическое сопротивление различных геологических образований. Методами электроразведки изучаются самые разнообразные параметры электрических свойств различных геологических объектов, принадлежащих к различным «уровням организации» — от земного шара в целом до отдельных минералов. Объекты, параметры которых подлежат измерению в методах электроразведки, различаются между собой в первую очередь по размерам, например по площади, а также по значениям электрических свойств, и прежде всего по удельному электрическому сопротивлению. Последний из параметров при этом имеет в своих числовых значениях, как правило, значительный разброс, что затрудняет его использование на практике. Поэтому характеристику геологических объектов по их удельной электропроводности целесообразно проводить, Используя средние значения удельного электрического сопротивления. Они представляют собой, фактически, среднее из числовых значений удельного электрического сопротивления объектов одного уровня организации.

Последовательный ряд геологических объектов и их характеристики по площадям и средним удельным электрическим сопротивлениям

Имеются попытки охарактеризовать удельное электрическое сопротивление земного шара в целом средними значениями; изучаются средние значения удельного электрического сопротивления по образцам для массивов горных пород.

В таблице выше приводятся основные геологические объекты в широком диапазоне — от земного шара до минерала, расположенные в виде последовательного ряда, отражающего различные уровни организации. Критерии, по которым в данном случае проведена дифференциация объектов таблицы по уровням организации, ограничиваются площадями и средним удельным электрическим сопротивлением. Числовые значения площадей первых двух объектов взяты по справочным данным или с учетом наиболее часто встречающихся в геологической практике цифр. Электрические характеристики приводятся в форме среднего значения удельного электрического сопротивления для каждого типа объектов.

Первый объект таблицы — земной шар — упрощенная модель слоисто-однородного типа. Верхний слой — хорошо проводящие электричество породы осадочного комплекса, а также воды морей и океанов — располагается над слоем кристаллических пород высокого удельного сопротивления. Далее идет проводящая зона мантии с очень большими значениями электропроводности. Поглощение электромагнитных волн внутри проводящей зоны мантии очень велико, и поэтому модель земного шара, состоящая из идеально проводящего ядра и других слоев конечного удельного сопротивления, является более или менее близкой к действительности. Значение удельного электрического сопротивления земного шара в целом имеет порядок 0,01 Ом∙м. Отметим, что удельное электрическое сопротивление для модели земного шара разными авторами оценивается несколько по-разному.

Каждый последующий объект таблицы прежде всего представляет собой составную часть объекта предшествующего уровня. Например, континент (Евразия) рассматривается как составная часть земного шара, а в свою очередь подразделение «рудный район» — как часть континента и т. д. Этот принцип сохраняется в таблице повсеместно как в отношении площади, так и по удельному электрическому сопротивлению.

Для Евразии среднее значение удельного электрического сопротивления по данным, полученным в разных частях континента, на глубинах порядка первых километров определяется ориентировочно в 4500 Ом∙м. За значение удельного электрического сопротивления для рудного региона, как типичного для такого рода объектов, принято среднее для территорий, входящих в состав Читинской области. Для уровня «рудное тело» и «месторождение» также взяты наблюдения на сульфидных месторождениях Забайкалья. Представленный ряд объектов различных уровней организации можно рассматривать как своеобразную диаграмму изменений их характеристик. В частности, с геологической точки зрения конкретно иллюстрируется переход от одного геологического объекта к другому по иерархическому принципу. По данным средних значений отмечается прерывистость в рядах параметров, характеризующих эти объекты.

Последовательная шкала уменьшающихся размеров объектов живой и неживой природы — от микроскопических до макроскопических объектов. Ряд живых объектов приведен в соответствии с К. Гробстайном

На рисунке представлены объекты длиной больше 10^-15 см. Что встретится в области длин, меньших 10^-15 см? Предполагают, что здесь откроются новые закономерности материального мира. Что там будет: раскрытие природы слабых взаимодействий или установление границы известных нам форм материального мира — еще не известно. Уже сегодня физики с помощью теории заглядывают в мир объектов, составляющих 10^-32 см, предполагая, что такие размеры должны иметь предсказанные теоретиками, но пока еще не обнаруженные частицы. В области объектов больших размеров в мире звезд и галактик тоже ведутся непрерывные исследования. Там идут свои организационные процессы.

Наличие уровней организации вещества — общее свойство организации вещества в природе. В практической деятельности человек также широко пользуется системами, состоящими из элементов разного уровня организации. Особенно это характерно для систем, собираемых из электротехнических и радиотехнических устройств. Знание отдельных уровней позволяет правильно изучать сложные системы. В природе мы часто видим отдельные элементы системы, изучаем их, но слить все в целое удается не всегда. Поговорим об отдельных элементах уровней.

Источник: Г.С. Франтов. Геология и живая природа. (Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкостные включения). Изд-во «Недра». Ленинград. 1982