Природные системы и их взаимосвязь

1. Природные системы и их взаимосвязь

www.ecology-mgou.ru

2. Развитие науки нового времени

Время
Этап
Дисциплины, лежащие
в основе научного
мировоззрения
17-18 в
н.э.
Классический
(изучение закрытых
систем)
Механика
Оптика
Теплота
Простота, линейность,
исключение
неопределенности
Теория относительности.
Квантовая механика.
Статистическая физика
Вероятностный стиль
мышления
Эволюционизм
Синергетика
Системность,
нелинейность
Конец
19 в.
Конец
20 в.
Неклассический
(изучение открытых
систем)
Постнеклассический
(совместное изучение
открытых систем и
окружающей среды)
Идеалы научного
знания

3. СИСТЕМНОЕ ПОЗНАНИЕ И ПРЕОБРАЗОВАНИЕ МИРА

и ее роли
••Определение
Рассмотрениефункции
объектасистемы
деятельности
как
среди
других
системы,
т.е.систем.
как ограниченного множества
взаимодействующих
элементов. и функции
•Анализ
диалектики структуры
•системы.
Определение
состава,
структуры
и
организации закономерностей
элементов и частей
системы,
•Обнаружение
и тенденций
обнаружение
главных связей между ними.
развития
системы.
• Выявление внешних связей системы,
выделение из них главных.

4. ПРИРОДНАЯ СИСТЕМА

Природная
система
–
естественное
природное образование, возникшее в
результате самоорганизации, устойчиво
функционирующее
на
основе
саморегуляции
и
находящееся
в
непрерывном эволюционном развитии

5. КОНЦЕПЦИЯ СТРУКТУРНЫХ УРОВНЕЙ

Все природные системы, имея различные
уровни
организованности
и
функциональной активности, находятся в
иерархической соподчиненности, образуя
систему структурных уровней, в которой
каждый предыдущий уровень входит в
последующий,
что
обеспечивает
органическую целостность всей системы.
(Р. Селларс, 1920 )

6. ПРИРОДНЫЕ СИСТЕМЫ И ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ВЕЩЕСТВА
Микротела
Макротела
Мегатела
Системы мегател
Частицы,
античастицы
Газообразные
Земля –
геосфера
Галактики
Атомные ядра,
атомы, молекулы
Жидкие
Планеты
Метагалактика
Плазма
Твердые
Звезды
Биологические системы
Социальные системы
Белковые тела, нуклеиновые
кислоты
Люди, человеческое общество,
социосфера
Микроорганизмы
(вирусы, бактерии)
Вещные средства преобразования
природы обществом. Техносфера
Клетки
Искусственная среда, созданная
обществом. Ноосфера
Одноклеточные, многоклеточные
организмы, растения, животные
Органические виды, биоценозы,
биогеоценозы, биосфера

7. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ

ПРИНЦИП ИЕРАРХИИ:
• Каждая система в иерархическом ряду
включает в свой состав системы низшего
уровня и одновременно сама является
подсистемой для системы более высокого
уровня

8. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ

ПРИНЦИП ЭМЕРДЖЕНТНОСТИ:
•биологические
Каждая система
в иерархическом
ряду
свойства
популяции,
совпадающие
со свойствамисвойств
живых входящих
обладает совокупностью
организмов:
рост, дифференциация,
в
нее
подсистем
и одновременно проявляет
поддержание гомеостаза;
собственные системные
- своисистемные
свойства свойства.
популяции
(статистические
характеристики):
плотность,
рождаемость,
смертность,
возрастная структура и др.)

9. КОНЦЕПЦИИ МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКОГО УРОВНЯ

КОНЦЕПЦИИ МОЛЕКУЛЯРНОГЕНЕТИЧЕСКОГО
УРОВНЯ
• БЕЛКОВАЯ ПРИРОДА ЖИЗНИ
• ПРИНЦИП МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭКОНОМИИ
• БИОХИМИЧЕСКОЕ ЕДИНСТВО:
- единство элементного состава;
- универсальная роль АТФ;
- универсальность генетического кода;
- единая природа и механизм действия
биокатализаторов;
- единые механизмы хранения, воспроизводства и
реализации генетической информации.

10. КОНЦЕПЦИИ КЛЕТОЧНОГО УРОВНЯ

• КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ
ОРГАНИЗМОВ
• КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ
• КОНЦЕПЦИИ АУТОГЕНЕЗА И
СИМБИОГЕНЕЗА
• ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ
НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

11. КОНЦЕПЦИИ ОНТОГЕНЕТИЧЕСКОГО УРОВНЯ

• ЭМБРИОГЕНЕЗ И ОНТОГЕНЕЗ
• МЕХАНИЗМЫ ГОМЕОСТАЗА
• ЦИКЛИЧНОСТЬ И ПЕРИОДИЧНОСТЬ
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

12. КОНЦЕПЦИИ ПОПУЛЯЦИОННО-БИОЦЕНОТИЧЕСКОГО УРОВНЯ

КОНЦЕПЦИИ
ПОПУЛЯЦИОННОБИОЦЕНОТИЧЕСКОГО УРОВНЯ
• КОНЦЕПЦИЯ ЕДИНСТВА ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ
ПРИРОДЫ
• КОНЦЕПЦИИ ЭВОЛЮЦИИ И КОЭВОЛЮЦИИ
• СИНТЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ
• СТРУКТУРНОЕ ЕДИНСТВО ЭКОСИСТЕМ
• КОНЦЕПЦИИ БИОСФЕРЫ И НООСФЕРЫ
• КОНЦЕПЦИИ АНТРОПОЦЕНТРИЗМА И
БИОЦЕНТРИЗМА

13. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ

ОТКРЫТОСТЬ
НЕЛИНЕЙНОСТЬ
БОЛЬШОЕ ВНУТРЕННЕЕ РАЗНООБРАЗИЕ
НАЛИЧИЕ МЕХАНИЗМОВ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

14. ВНУТРЕННЕЕ РАЗНООБРАЗИЕ НА МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ

Иммуноглобулин
ДНК
Гемоглобин

15. ВНУТРЕННЕЕ РАЗНООБРАЗИЕ НА КЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ

16. ВНУТРЕННЕЕ РАЗНООБРАЗИЕ НА ТКАНЕВОМ УРОВНЕ

17. ВНУТРЕННЕЕ РАЗНООБРАЗИЕ НА ОНТОГЕНЕТИЧЕСКОМ УРОВНЕ

18. ВНУТРЕННЕЕ РАЗНООБРАЗИЕ НА БИОЦЕНОТИЧЕСКОМ УРОВНЕ

• Гидросфера – гидробионты (нектон и
бентос)
• Атмосфера - аэробионты (тропобионты и
альтобионты)
• Геосфера –геобионты
литобионты)
(террабионты
и

19. МЕХАНИЗМ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

прямая связь
U
R
обратная связь
где U – управляющий параметр,
R – ответная реакция

20. ВИДЫ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Изменения Rt
Rt > R s
Rt < R s
Изменения Ut
Отрицательная
Положительная
обратная связь
обратная связь
Ut < Us
Ut > Us
Ut > Us
Ut < Us
где Us и Rs – стандартные значения (норма),
Ut и Rt – текущие значения в момент времени t.

21. ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ НА МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ

РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ
КОНЕЧНЫМ МЕТАБОЛИТОМ
Активность
Концентрация
гена
глюкозы
глюкокиназы
(активатора гена)
в клетке
Прямая связь: при Ut > Us →→ Rt < Rs
Обратная связь: при Rt > Rs →→ Ut > Us

22. ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ НА ОНТОГЕНЕТИЧЕСКОМ УРОВНЕ

ТЕСТОСТЕРОН
подавление
образования
ПИВО
ЖИРОВАЯ ТКАНЬ
стимуляция
образования
ФАСТФУД

23. САМООРГАНИЗАЦИЯ

САМООРГАНИЗАЦИЯ
–
процесс
взаимодействия объектов, в результате
которого возникает, воспроизводится или
совершенствуется порядок или структура в
системе;
самосогласованное
функционирование за счет внутренних
связей и связей с внешней средой

24. БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ САМООРГАНИЗАЦИИ

СИНЕРГЕТИКА (Г.Хакен):
- принципы построения организации;
- возникновение организации;
- развитие и самоусложнение организации.
КИБЕРНЕТИКА (У.Эшби):
- процессы управления;
- процессы обмена информацией.
ТЕОРИЯ ДИССИПАТИВНЫХ СТРУКТУР (И.Р.Пригожин):
- процессы перехода от устойчивого состояния к
неустойчивому (стадия бифуркации);
- изменения энтропии в ходе развития системы.

25. ОБЩАЯ СХЕМА САМООРГАНИЗАЦИИ

ДИССИПАТИВНАЯ СИСТЕМА
изменение внешних условий
Появление новых элементов (признаков)со скоростью vн и
исчезновение старых со скоростью vс
vн ≤ vc
Стационарное состояние
или возврат к исходному
диссипативному состоянию
vн > vc
Бифуркация
Новая диссипативная система

26. САМООРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ

• СИНТЕЗ БИОПОЛИМЕРОВ
• ФОРМИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ
КОНФИГУРАЦИИ БИОМОЛЕКУЛ
• САМОСБОРКА КЛЕТОЧНЫХ СТРУКТУР
• ЭМБРИОГЕНЕЗ И ОНТОГЕНЕЗ
• ФОРМИРОВАНИЕ БИОЦЕНОЗОВ

27. ЭВОЛЮЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ

ЭВОЛЮЦИЯ- необратимое, направленное,
закономерное
изменение материи, в
результате которого возникает
новое
качественное состояние объекта – его
состава и структуры.
Регулятор эволюционного процесса –
внешняя среда, связанная с развивающейся
системой двумя линиями связи: линией
прямой связи и линией обратной связи.

28. КРЕАТИВНАЯ ТРИАДА

Управляющие сверхмедленные параметры
верхнего мегауровня
Структурообразующие долгоживущие
переменные макроуровня
Короткоживущие параметры низшего
уровня

29. БИОГЕОЦЕНОЗ КАК РЕГУЛЯТОР ЭВОЛЮЦИИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

БИОГЕОЦЕНОЗ
онтогенетический уровеньпередача информации
о фенотипах
ПОПУЛЯЦИЯ
молекулярный уровеньпередача наследственной
информации
ОРГАНИЗМ

30. ЭКОСИСТЕМНАЯ ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

Основные показатели и
процессы
Стабильное состояние
экосистемы
Неустойчивое состояние
экосистемы
Естественный отбор
Преобладающая роль
Ослабление действия
Мутагенез и дрейф генов
Имеют адаптивное значение
Не имеют адаптивного
значения
Дифференциация
Прогрессирующая
дифференциация демов
(возрастание видового
разнообразия)
Возрастание генетического
разнообразия без
соответствующего роста
видового разнообразия
Минимальные размеры
популяции
Сокращаются («плотная
паковка вида»)
Увеличиваются
Сукцессии
Непрерывность протекания
Прерывание
Сложность структуры
экосистемы
Возрастает
Уменьшается

31. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ТЕОРИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ

Смена
некогерентного
хода
эволюции
Информационное
влияние
систем
высшего
Подтверждается
общее
положение
об в ее
начале
наобъясняет
когерентный
объясняетсясимметрии
как
уровня
направленность
эволюции
как цепочке
нарушения
форма проявления диссипативности
и в какой-то
степени
делает
ее
в эволюции
диссипативных
системах,
причем
в
открытых
неравновесных
систем
при
ход предсказуемым
и прогнозируемым.
биологических
системах
наблюдается
возникновении
достаточного
видового
разнообразия,
что обусловило
установление
нарушение
симметрии
и пространства
и
Прогрессивность
эволюции
объясняется
общего
темпа
развития.
снижением
производства энтропии при
времени.
движении по эволюционной лестнице от
простых организмов к сложным.

32. Определение жизни

Жизнь - высшая из природных форм
движения материи, она характеризуется
САМООБНОВЛЕНИЕМ, САМОРЕГУЛЯЦИЕЙ И
САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕМ
разноуровневых
открытых
систем,
вещественную основу которых составляют
белки и нуклеиновые кислоты

33. Признаки жизни

• противостояние энтропийным процессам;
• обмен веществ с окружающей средой;
• воспроизводство на основе генетического
кода;
• молекулярная хиральность.

34.

35. Герман Хакен

Хакен (Haken) Герман (p. 1927)
—
нем.
физик-теоретик,
основатель синергетики. Изучал
физику и математику в ун-тах
Галле (1946—1948) и Эрлангена
(1948–1950), получив степени
доктора философии и доктора
естественных наук.
С 1960 является проф. теоретической физики ун-та
Штутгарта. До ноября 1997 был директором Института
теоретической физики и синергетики ун-та Штутгарта.

36. У.Эшби

Родился 6 сентября 1903 г. в Лондоне,
Англия – умер 15 ноября 1972 г.
Английский
психиатр
и
пионер
в исследовании сложных систем. Окончил
Кембриджский университет. Основные
труды по проблемам исследования мозга,
принципам самоорганизации, адаптивным
процессам.
Эшби
принадлежит
изобретение гомеостата.

37. И.Р.Пригожин

́ ович Приго́жин (фр. Ilya Prigogine; 25 января 1917, Москва,
Илья́ Роман
Российская империя — 28 мая 2003 Остин, Техас, США) —
бельгийский и американский физик и химик российского
происхождения, лауреат Нобелевской премии по химии 1977 года,
первооткрыватель диссипативных структур.
Основные его работы посвящены неравновесной термодинамике и
статистической механике необратимых процессов. В них показано
существование неравновесных термодинамических систем, которые
при определённых условиях, поглощая вещество и энергию из
окружающего пространства, могут совершать качественный скачок к
усложнению (диссипативные структуры). Этот скачок не может быть
предсказан, исходя из классических законов статистики. Такие
системы позже были названы его именем. Расчёт таких систем стал
возможен благодаря его работам, выполненным в 1947 году.
Доказал одну из основных теорем термодинамики неравновесных
процессов — о минимуме производства энтропии в открытой системе.

38. Селлерс Рой Вуд

Селлерс, Селларс (Sellars) Рой Вуд (9.7.1880,
Эгмондвилл, Онтарио, Канада, — 5.9. 1973,
Анн-Арбор, Мичиган, США), американский
философ,
профессор
Мичиганского
университета
(1905—50).
Один
из
основателей критического реализма.