БИОФИЗИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ БИОНООСФЕРЫ

1

• Авторы
• Файлы

Кутимская М.А. Бузунова М.Ю. Статья в формате PDF 164 KB

Биофизику следует рассматривать как физику явлений жизни, изучаемых на микро, макро и мегауровнях: от молекул (в частности ДНК), человека и бионоосферы в целом. Термин «бионоосфера» был введен нами в работе [1]. Под ним подразумевается существование биосферно-ноосферного комплекса. Применим к изучению этой сложной метасистемы теорию, описывающую диссипативные системы. В этих открытых, неравновесных системах возникают процессы самоорганизации.

Как мы знаем, современное научное мировоззрение формируется на основе процесса интеграции знаний [2]. Большую роль здесь сыграло математическое моделирование процессов с использованием нелинейных систем, позволяющих одинаково хорошо описывать явления самоорганизации и хаоса в любых природных и социальных системах. Согласно сказанному, будем считать информационную реальность, связанную с мыслительным и вычислительным экспериментами, одной из составляющих ноосферы.

В системе «бионоосфера» идет процесс непрерывного развития. Общим языком, описывающим процесс развития материи как единого целого, на наш взгляд, является синергетика, тесно связанная с информацией, мышлением. Сфера Разума - ноосфера является естественным этапом развития жизни на Земле
[3-6]. Мышление, особенно математическая манера мышления, дает возможность связать в единое целое результаты отдельных исследований, реализовать принцип системности, утвердить в междисциплинарных исследованиях единый язык, используемый, например, в информационно-синергетических моделях.

Подобная модель имеет вид [7]:

                                               (1)

где N_i - число носителей информации i-того типа, например, зайцев в модели Лотки-Вольтерра «хищник-жертва».

Модель описывает численность носителей N_i за счет источника (зайцы поедают траву и размножаются); внутривидовые взаимодействия αN_i² (заяц-зайчиха); межвидовые взаимодействия - (заяц-рысь) и ΔN_i - дивергенция (расхождение), где Δ - оператор Лапласа, например побег одного из носителей информации (зайца) в другой лес по x, y или z координатам. Анализ показывает, что система (1) эволюционирует, и в процессе эволюции самопроизвольно повышается ценность информации. Данная модель является примером продуктивности синтеза термодинамического (синергетического) и информационного подходов, поскольку динамическая теория информации является одной из ветвей термодинамики неравновесных открытых систем, а члeн  уравнения (1) описывает поведение синергетической системы.

Модель (1) представляет собой поризм [8]. Она применяется для решения самых разных задач, таких как возникновение ценной биологической информации, формировании языка, эволюции Вселенной и т.д.

Модели типа (1) решались нами намного раньше [9].

Вычислительный эксперимент при этом играет особую роль, т.к. помогает решить многокомпонентные, многовариантные задачи. Для описания среды обитания, в частности, атмосферы, озонового слоя, ионосферы и т.д., нами используются нелинейные дифференциальные уравнения вида:

где q - скорость ионообразования, N_i, N_j - концентрации частиц, div(N_jv) - диффузионный члeн, v - скорость вертикального дрейфа частиц.

Для построения информационно-синергетической модели среды, например, ионосферы, мы выбрали следующие выражения, основанные на уравнениях Навье-Стокса.

  (2)

(3)

 (4)

(5)

где u - меридиональная скорость нейтрального ветра, х - зональная скорость нейтрального ветра, направленная на восток.

Коэффициенты ионно-молекулярных реакций g (см³сек^-1) и диссоциативной реакции a (см³сек^-4) представлены в наших работах [10-11].

Дополним эти уравнения выражениями для температуры ионов

               (6)

 (7)

где T_n - температура нейтральных частиц, и для ионов магния.

        (8)

где V_D1 - соответствует теории сдвига.

Для определения концентрации озона использовались два варианта. Один из них:

,           (9)

где  - шкала высот нейтральной атмосферы.

Несмотря на то, что озон (трехатомный газообразный кислород) составляет 4·10^-7 от общего объема атмосферы, его называют щитом, пpeдoxpaняющим все живое - растения, животных, человека от ультрафиолетовой радиации Солнца с длиной волны 308 нм, которая разрушает ДНК живых клеток. В атмосфере Земли находится ~ 3,27∙10⁹ т озона. Толщина слоя в среднем составляет 0,279 см.

Модели, предлагаемые нами, носят хаpaктер информационно-синергетических, так как, во-первых, они человекомерны; мы выбираем параметры модели, благодаря которым результат становится более приближенным к эксперименту; придаем семантический смысл символам, употрeбляемым в ней и создаем определенный порядок, при этом решение само устанавливается до периодичности, т.е. происходит самоорганизация. Система делает выбор, она проходит точку бифуркации и информационно может давать результат, описывающий новое состояние системы.

В работе [1] мы рассматривали степенные функции Б. Maндельброта, необходимые для пошагового выращивания фpaкталов и автоволновые модели типа «хищник-жертва», показывающее становление численности популяций в заданном регионе, а также методику построения моделей с использованием системы уравнений типа (2 - 9), с учетом нашей модели магнитного поля Земли [12-14]. В этом случае представится возможность учитывать процессы влияния озонового слоя на живое, влияние геомагнитного поля на биосферу в целом и на круговорот веществ в ней, включая вещество биогенного происхождения.

Из сказанного следует, что информационно-синергетические модели описывают разные формы самодвижения материи - физическую и информационную, принадлежащие Единой реальности всей Вселенной и биосферно-ноосферному комплексу в частности.

В настоящее время, в связи с антропогенными нагрузками на биосферу, становится очевидной необходимость планируемого развития, опирающегося на глубокие знания взаимодействия человеческой деятельности и изменения природных факторов. Возникновение жизни, возникновение разума, познающего себя, возникновение ноосферы, когда настоящее и дальнейшее развитие планеты определяется действием разума - звенья единого эволюционного процесса. На данном этапе сферы Разума, человек берет на себя ответственность за последующий ход эволюции Земли и человечества. Этот процесс управляем, целенаправлен, представляет собой коэволюцию биосферы и человека, как естественный процесс совместного развития.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кутимская М.А., Волянюк Е.Н. Бионоосфера: учеб. пособие. - Иркутск: Иркут. ун-т., 2005. - 212 с.
2. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Синергетика как новое мировидение: диалог с И. Пригожиным. // Вопр. философии, 1992. - №12. - 4 с.
3. Моисеев Н.Н. Человек, среда, общество. - М.: Наука, 1980.
4. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. - М., 1989.
5. Вернадский В.И. Научная мысль как планетарное явление. - М.: Наука, 1991.
6. Волянюк Е.Н., Кутимская М.А. Социальная экология и учение Вернадского о биосфере и ноосфере // Человек и биосфера на рубеже веков: пути развития цивилизации. - Иркутск: ИрГСХА, 1988. - С. 25-28.
7. Chernavskay N.V., Chernavski D.S. Some Theoretical Aspects of the Problem of Life Origin. Theor. Biol., 1975. - T. 8. - N 53. - P. 13-20.
8. Мелик-Гайказян И.В., Мелик-Гайказян М.В., Тарасенко В.Ф. Методология моделирования нелинейной динамики сложных систем. - М.: Физмалит, 2001. - 272 с.
9. Кутимская М.А., Поляков В.М., Климов Н.Н., Кузнецова Г.М. Динамическая модель ионосферно-протоносферных взаимодействий с учетом температурных изменений. - Иркутск: ИГУ, 1969. - 15 с.
10. Кутимская М.А., Поляков В.М., Климов Н.Н. и др. Динамическая модель взаимодействия области F ионосферы и плазмосферы. // Геомагнетизм и аэрономия. - М., 1973. - Т. 13. - № 1. - С. 41-47.
11. Кутимская М.А., Волянюк Е.Н., Убрятова Л.В. Информационно-синергетическое моделирование объектов биосферно-ноосферного комплекса. / 8-я международная НПК (Сибресурс - 8 - 2002). - Томск: Томск. ун-т, 2002. - С. 137-140.
12. Кутимская М.А., Кузьмин В.Н. Расчет силовых линий магнитного поля Земли. / Геомагнетизм и аэрономия. - М.: Наука, 1969. - Т. 9. - № 3. - С. 575.
13. Кутимская М.А., Кузьмин В.Н. Модель замкнутой магнитосферы. / Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. - М.: Наука, 1971. - № 13. - 300 с.
14. Кутимская М.А., Кузнецова П.М. Моделирование магнитного поля Земли. / Актуальные вопросы экологии и рационального природопользования. - Иркутск: ИГСХА, 1996. - С. 6.

---