Есть мнение

ЭВОЛЮЦИОННАЯ ТЕОРИЯ АКТИВНОСТИ СИСТЕМ

29 октября 2016

ХХХ Любищевские чтения. Современные проблемы эволюции и экологии.     Ульяновск: УлГПУ, 2016. С. 44–51

Савинов А.Б.

ЭВОЛЮЦИОННАЯ ТЕОРИЯ АКТИВНОСТИ СИСТЕМ

Нижегородский государственный университет, Нижний Новгород

sabcor@mail.ru

Биологическим и социальным системам, в отличие от абиотических, свойственно «преемственное самовоспроизведение организации (в частности и устойчивое самовоспроизведение неравновесности)» (Кремянский, 1969, с. 61). Это преемственное самовоспроизведение организовано и осуществляется в пределах данной среды и во времени как вещественно-энергетический вихрь, спиралевидный круговорот. И такими спиралевидными «вихрями» являются не только отдельные живые организмы, но и надорганизменные биосистемы, «сама жизнь на Земле» (Ляхова, 1979, с. 101, 114).

В свете сказанного понятно, что спиралевидные вещественно-информационные круговороты-квазициклы осуществляются на организменном уровне в системе «генотип – фенотип» (на основе прямых и обратных связей между ними) (Савинов, 2006). При этом генотип (ДНК) как управляющая подсистема задает совокупность потребностей организма, а эти потребности реализуются путем активности всех структурно-функциональных элементов фенотипа как исполнительной подсистемы (путем вовлечения в процесс реализации активности всех фенотипических свойств – биохимических, физиологических, морфолого-анатомических, этологических) при непрерывном потоке энергии через данную организменную систему.

В свою очередь организованность биологических систем сопряжена с разнообразием их элементов, а оно – со сложностью биосистем: увеличение разнообразия элементов биосистем ведет к повышению их сложности и организованности (Емельянов, 1994). Разнообразие (неоднородность) элементов системы адекватно количеству заключенной в ней информации (Камшилов, 1970), а количество этой информации является мерой организованности системы (Винер, 1958; Камшилов, 1970; Емельянов, 1994): выше организованные системы содержат больше информации и наоборот. Статистическое количество информации, содержащееся в системах, в том числе в биосистемах организменного и надорганизменного уровней,  принято выражать известной формулой Шеннона (Емельянов, 1994; Алимов и др., 2013). Поэтому активность была определена автором как степень и характер взаимодействия систем в единицу времени, что по существу отражает скорость восприятия и генерирования информации адаптирующейся системой (Савинов, 2015а): 

А = Н / t                      (1),

где Н – количество информации (бит), экзогенно полученное или эндогенно созданное биосистемой (ее структурно-функциональным матриксом) за единицу времени t (например, в секунду).

Величина Н в уравнении (1) определяется формулой Шеннона:

   Н = -∑ pi log2 pi                 (2)

В формуле (2) pi есть частота какого-либо события, например, частота проявления в популяции (демоценозе – Савинов, 2012, 2014): а) фенотипических признаков (фенов), б) частота посещения разных видов энтомофильных растений насекомыми-опылителями в) частота встречаемости жертв того или иного вида в рационе консумента, г) экстенсивность паразитарной инвазии хозяина (частота встречаемости паразита в теле хозяина) и т.п.

При этом следует отметить, что рядом авторов (Камшилов, 1970; Чайковский, 2006, 2008; Зусмановский, 2007) активность была признана главным фактором эволюции систем. В этой связи можно полагать, что мутации – это в основном следствия реализации интегральной активности живых систем, но никак не главная причина их филогенеза.   Кроме этого важно учитывать критерии биологического прогресса (регресса), установленные А.Н. Северцовым (1939). Опираясь на эти методологические основания, автор (Савинов, 2015а) предположил наличие взаимосвязи активности природных и антропогенных адаптирующихся систем (биологических, социальных, социально-экономических, робототехнических) и их жизнеспособности, уровней организованности, направлений эволюции (рис. 1).

Рис. 1. Гипотетическая взаимосвязь жизнеспособности, уровней    организованности (направлений эволюции) и активности адаптирующихся систем. Обозначения: СП – зона специализации (телогенеза), АЛ – зона  аллогенеза, АР – зона арогенеза (на оси Х им соответствуют величины активности в пределах 0М, МК и КН).

Активность является интегральной характеристикой не только живых систем организменного (аутоценотического) и популяционного (демоценотического) ранга, но и систем биоценотического, биомного и биосферного уровней.  В частности, показано, что основная, или первичная продуктивность экосистемы, биоценоза – это скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами-продуцентами в процессе фотосинтеза или хемосинтеза и преобразуется в органическое вещество (Одум, 1975). Чистая продуктивность сообщества – это скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами за учетный период (за вегетационный период или за год). Вторичная продуктивность – это скорость накопления энергии (вещества) на уровнях консументов. В связи с этим полагаю, что первичную и вторичную продуктивности можно рассматривать как энергетические эквиваленты активности биоценозов, экосистем и биосферы в целом.

Что касается оценки активности социальных и социально-экономических систем, то, представляется, что она может быть выражена скоростью генерирования или потребления информации, энергии, вещества такими системами (в количественном и качественном аспектах). В частности, активность национальных научных сообществ можно, очевидно, оценивать по скорости генерирования и восприятия научной информации в количественном и качественном выражениях (используя, например, годовое количество публикаций, патентов, индексы цитирования и другие показатели).

Таким образом, активность систем является не только основным фактором их развития, но и важнейшей интегральной характеристикой. Некоторые предложенные автором формализации такой характеристики были, в частности, использованы для оценки активности представителей некоторых групп живых организмов в эволюционном аспекте.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ АКТИВНОСТИ БИОСИСТЕМ

Для оценки активности разных групп растений по формуле (1) были использованы: а) литературные данные о долевом соотношении аккумулированных металлов (Cu, Zn, Mn, Fe, Ni, Cr) в листьях Pleurozium schreberi, Lycopodium clavatum, Cladonia clavatum, Dryopteris filix-mas, Pteridium aquilinum, Convalaria maialisVaccinium myrtillus (Kozanecka et al., 2002), Polygonum aviculаre, Plantаgo mаjor (Великанова и др., 2012), Populus balsamifera, Ulmus pumila, Malus baccata (Копылова, 2011), в хвое Pinus sylvestris (Кулагина, 2009; Шубина, Юрьев, 2009), в процессе вегетации (до сбора растительного материала); б) данные автора (Савинов, 2003) о частотах встречаемости фенов листьев в нескольких ценопопуляциях Chelidоnium mаjus.

Результаты расчетов приведены в таблице 1 в сравнении со средними размерами геномов и числом видов в основных группах наземных растений. А ранее было отмечено (Савинов, 2015б), что активность живых организмов, в том числе растений, в основном «задаётся» их управляющими подсистемами, прежде всего – генетической. Ее структурно-функциональные особенности, в том числе размер генома, во многом определяют интенсивность и характер метаболизма растений, позволяя им адаптироваться к условиям среды обитания и совершать экспансию в новые биотопы. При этом уровень биологического прогресса разных групп растений выражается в размерах их ареалов, численности и количестве видов. Как видно из таблицы 1, самой высокой средней активностью обладают покрытосеменные растения, достигшие наивысшего видового разнообразия, наименьшая средняя активность обнаруживается у хвойных, обладающих самыми большими геномами, уступающими по числу видов на порядки почти всем другим группам растений.

Таблица 1

Соотношение активности растений, размеров их генетических систем

и уровней биологической прогрессивности

Группа растений

Активность,

10-7  бит/сек

Количество видов

Средний размер генома

(Савинов, 2015б)

Мхи

0,61

15.000

479

Папоротники

0,28 – 0,60  (0,44)

12.000

6309

Плауны

0,38

500

  7264

Хвощи

30

  11687

Хвойные

0,08 – 0,14  (0,11)

600

 21570

   Покрытосеменные

 0,11 – 0,81  (0,77)

  >269.200

  4077

Примечание: в скобках даны средние значения.

Полученные данные позволили выделить гипотетические пределы величин активности растений, адекватные уровням их организованности, характеру (направлениям) эволюции (аллогенез, телогенез, арогенез) и жизнеспособности (рис. 2).

Рис. 2. Гипотетическая взаимосвязь жизнеспособности, уровней    организованности (направлений эволюции) и величин активности растений.

Обозначения зон направлений эволюции как на рис 1.

Определение активности животных разных групп (табл. 2) было также проведено с помощью формулы (1). Активность разных видов насекомых определена на основе данных о посещении ими видов цветковых растений (Сорокина, 2003), по частотам встречаемости насекомых на растениях. По данным встречаемости жертв в рационах позвоночных животных (Дробенков, 1995; Вершинин, Иванова, 2006; Толмачева и др., 2006) была рассчитана активность этих консументов (табл. 2).

Таблица 2

Величины активности представителей разных групп животных

Таксоны

Активность,

10-5  бит/сек

Источники исходных данных

Insecta, Diptera

- Cheilosia illustrate

- Cheilosia lasiopa

- Myathropa florea

- Sphaerophora scripta

- Helophilus hybridus

0,33

0,88

3,60

6,30

8,70

Сорокина, 2003

Pisces

- Paracottus knerii

1,70

Толмачева и др., 2006

Amphibia

- Rana ridibunda

1,30

Вершинин, Иванова, 2006

Reptilia

- Coronella austriaca

- Natrix natrix

- Vipera berus

0,59

0,75

1,20

Дробенков, 1995

Результаты расчетов показали, например, что активность 3 видов змей (медянки, обыкновенного ужа, обыкновенной гадюки) соответствует размерам их ареалов и количеству видов в родах, к которым указанные виды змей принадлежат: медянка (с активностью 0,59·10-5 бит/сек) имеет наименьший ареал, являясь одним из двух видов рода медянок; обыкновенная гадюка (с активностью 1,20·10-5 бит/сек) занимает наибольший ареал, а род гадюк составляют 10 видов; обыкновенный уж (с активностью 0,75·10-5 бит/сек, 3 вида в роде) занимает промежуточное положение среди указанных видов змей.

Таким образом, проведенные исследования показали, что активность животных на два порядка превышает активность растений, что соответствует роли продуцентов и консументов в функционировании и развитии экосистем и биосферы в целом.

Литература

Алимов А.Ф., Богатов В.В., Голубков С.М. Продукционная гидробиология. СПб.: Наука, 2013. 343 с.

Великанова Н.А., Гапонов С.П., Сливкин А.И. Оценка экологического состояния почв и лекарственного сырья (травы горца птичьего и листьев подорожника большого) по содержанию тяжелых металлов в городе Воронеже и его окрестностях // Вестник ВГУ. Сер. Химия. Биология. Фармация. 2012. № 2. С. 238–244.

Вершинин В.Л., Иванова Н.Л. Специфика трофических связей вида-вселенца – Rana ridibunda Pall. в зависимости от условий местообитаний // Поволж. экол. журн. 2006. № 2/3. С. 119–128.

Винер Н. Кибернетика, или управление и связь в животном и машине. М.: Советское радио, 1958. 215 с.

Двинская К.Е. Единство активности и реактивности как выражение противоречивости живых систем // Проблемы диалектики. Вып. 3. Л.: Изд-во ЛГУ, 1973. С. 78–83.

Дробенков С. М. Сравнительный анализ питания симпатрических змей Vipera berus (L.), Natrix natrix (L.), Coronella austriaca (Laur.) // Экология. 1995. № 3. С. 222–226.

Емельянов И.Г. Разнообразие и устойчивость биосистем // Успехи соврем. биологии. 1994. Т. 114. Вып. 3. С. 304–318.

Зусмановский А.Г. Эволюция с точки зрения физиолога. Ульяновск: УлГСХА, 2007. 393с.

Камшилов М.М. Организованность и эволюция // Журн. общ. биологии. 1970. Т. 31. № 2. С. 157–178.

Кардашева А.С. Философский анализ проблемы биологической активности // Вопр. философии. 1966. № 8. С. 23–33.

Копылова Л.В. Особенности поглощения некоторых тяжелых металлов древесными растениями в условиях городской среды

Кремянский В.И. К анализу понятия активности материальных систем // Вопр. философии. 1969. № 10. С. 54–63.

Кулагина Л.С. Оценка роли сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в оптимизации техногенной среды Башкирского Зауралья // Современные проблемы контроля качества природной и техногенной сред. Тамбов: Издат. дом ТГУ, 2009. С. 33–38.

Ляхова Л.Н. Отражение и активность материи. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1979. 177с.

Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир, 1975. 740 с.

Савинов А.Б. Фенотипическая индикация ценопопуляций растений в условиях техногенеза // Экологический мониторинг. Ч.5. Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 2003. С.300–323.

Савинов А.Б. Биосистемология (системные основы теории эволюции и экологии). Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 2006. 205 с.

Савинов А.Б. Аутоценоз и демоценоз как симбиотические системы и биологические категории // Журн. общ. биологии. Т. 73. № 4. 2012. С. 284–301.

Савинов А.Б. Симбиогенез как фактор организации и развития экосистем // ХXVIII Любищевские чтения. Современные проблемы эволюции и экологии. Ульяновск: УлГПУ, 2014. С. 42–50.

Савинов А.Б. Активность материальных систем, ее информационно-эволюционная роль, количественная и качественная оценка // ХXIХ Любищевские чтения. Современные проблемы эволюции и экологии. Ульяновск: УлГПУ, 2015а. С. 104–111.

Савинов А.Б. Активность растений как фактор их эволюции в древней и современной биосфере // Палеоботанический временник. Вып. 2. М.: ГЕОС, 2015б. С. 155–160.

Северцов А.Н. Морфологические закономерности эволюции. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1939. 610 с.

Сорокина В.С. Кормовые преференции имаго мух-журчалок (Diptera, Syrphidae) в условиях Южного Зауралья // Евразиатский энтомол. журн. 2003. Т. 2. Вып. 3. С. 197–214.

Толмачева Ю.П., Гаврилова А.В., Дзюба Е.В. Питание каменной широколобки Paracottus knerii (Dyb., 1874) в литорали Южного Байкала // Вопр. ихтиологии. 2006. Т. 46. № 2. С. 262–266.

Чайковский Ю.В. Наука о развитии жизни. Опыт теории эволюции. М.: Т-во научн. изданий КМК, 2006. 712 с.

Чайковский Ю.В. Активный связный мир. Опыт теории эволюции жизни. М.: Т-во науч. изданий КМК, 2008.  726 с.

Шубина Н.В., Юрьев Ю.Л. Влияние выбросов металлургического производства на микроэлементный состав хвои сосны // Химия растит. сырья. 2009. № 3. С. 173–176.

Kozanecka T., Chojnicki J., Kwasowski W. Content of heavy metals in plant from pollution-free regions // Pol. J. Environ. Studies. 2002. V. 11. № 4. Р. 395–399.

Резюме

Предложена и апробирована концепция взаимосвязи активности адаптирующихся систем, их жизнеспособности, уровней организованности, направлений эволюции. Предпринята количественная оценка активности растений и животных.

Summary

Proposed and tested the concept of relationship of the activity of adaptable systems, their viability, levels of organization, directions of evolution. Undertaken a quantitative assessment of the activity levels of plants and animals.

Комментариев пока нет