Самоорганизация процессов в геологии биологии и экологии

    • синергетика — наука о неустойчивых состояниях, предшествующих катастрофе, и их дальнейшем развитии (теория катастроф);

    • синергетика — наука об универсальных  законах эволюции в природе и  обществе.

    Исходными понятиями в синергетике являются понятия точек бифуркаций и аттракторов.

    Под точкой бифуркаций понимается состояние рассматриваемой системы, после которого возможно некоторое множество вариантов ее дальнейшего развития. Примерами бифуркаций являются: состояние выбора человеком варианта поступления в высшее учебное заведение, состояние популяции при выборе под влиянием внешней среды варианта дальнейшего развития в борьбе за существование, точки ветвления на генеалогическом (родословном) дереве, точки перехода к разным вариантам продолжения диалога «студент — компьютер» в процессе тестирования знаний студента с использованием закрытых тестов (когда предлагается выбрать правильный и полный ответ из серии предложенных); состояние борьбы двух фронтов в атмосфере с возможными вариантами изменения погодных условий. Наглядно-образное представление о точке бифуркаций дает картина В. М. Васнецова «Рыцарь на распутье».

    В самом общем случае точка бифуркаций может быть представлена графически так, как показано на рис. 
 
 
 
 

    Рис. 
 
 
 
 

    Здесь она обозначена буквой В. До момента  времени, соответствующего состоянию  В, система развивалась по траектории АВ. При этом вполне возможны были некоторые флуктуации, то есть небольшие отклонения (они показаны пунктиром), но в главных чертах система развивалась по траектории АВ.

    После момента времени, соответствующего точке бифуркаций, система имеет  возможность развиваться по нескольким вариантам: ВС₁ ,ВС₂ ,…, ВС_i ,..., ВС_n. Та траектория или то некоторое множество траекторий, по которым возможно развитие системы после точки бифуркаций и которые отличаются от других относительной устойчивостью, то есть являются наиболее реальными, называются аттракторами.

    Другими словами, аттрактор —это относительно устойчивое состояние системы, которое  как бы притягивает к себе все  множество траекторий развития, возможных  после точки бифуркаций.

    Примерами аттракторов являются группа экономических вузов и специальностей для абитуриента, имеющего склонность посвятить себя экономике; популяция морозоустойчивых особей в случае наступления глобального похолодания; актерская стезя для потомка актерских семей; совокупности правильных ответов для студента - «отличника»; погода, соответствующая времени года.

    В синергетике изучаются свойства точек бифуркаций и аттракторов  и устанавливаются закономерности развития самоорганизующихся открытых систем, их переходы от хаоса к порядку  и, наоборот, от порядка к хаосу}

    В синергетике достаточно строго показывается, что никакими внешними воздействиями  нельзя «навязать» системе нужное кому-либо поведение: можно только выбрать  наиболее подходящий из потенциально заложенных в ней путей. К сожалению, в реальной жизни этот принцип очень часто нарушается, и это приводит иногда к тяжелым последствиям в политике, экономике, личной жизни и т. п.

    Синергетика по-новому осветила воззрения мыслителей разных эпох. Она вобрала в себя представления Платона об эйдосах- формах и Аристотеля о внутренней цели развития (энтелехии); Р. Декарта о космических вихрях; Г. Лейбница о монадах, потенциально заложенном; Ф. Шеллинга о самоорганизации в природе как аналогии творчества человеческого духа; Ф.Ницше о вечном возвращении, цикличности; А. Бергсона о необратимости эволюции, жизненном порыве. Синергетический подход позволяет осмыслить по-новому работы Е. С. Федорова, А. А. Любищева, Н. А. Бернштейна, малоизвестные рукописи К. Э. Циолковского, книги и поэзию А. Л. Чижевского. Постоянно напоминая о целостности мира, об ускользающих от нашего внимания взаимосвязях в нем, рекомендуя чаще мыслить «нелинейно», синергетика направляет человека на то, чтобы он был не только умнее, но и мудрее.              
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Происхождение жизни на Земле

  3.1. Образование мантии  и ядра Земли.

    Образование Земли связано с аккумуляцией вещества, представленного преимущественно  высокотемпературными конденсатами  солнечного газа. Однако относительно способа аккумуляции существуют различные мнения. В процессе формирования Земли можно допустить три варианта аккумуляции.

    1. Гомогенная аккумуляция, нашедшая наиболее полную разработку в гипотезе О. Ю. Шмидта и его сторонников. Она привела к образованию квазиоднородной первичной Земли. Модель первоначально гомогенной по составу и строению Земли пользовалась наиболее широким признанием. Согласно этой модели, современное зональное строение Земли возникло лишь в ходе эволюции, что выразилось в разогревании, частичном плавлении и дифференциации земного вещества под воздействием радиоактивных источников тепла.

    2. Гетерогенная аккумуляция, определившая с самого начала главные черты строения земного шара — наличие в первичной Земле металлического ядра и мантии. При аккумуляции металлических частиц сначала возникло ядро, затем на него осели более поздние конденсаты в виде силикатов, образовав мощную мантию первичной планеты.

    Идею  о том, что Земля начала аккумулироваться первоначально из металлических частиц, высказали В. Латимер, Э. В. Соботович, П. Гаррис и Д. Тозер, а позднее Э. Орован. В дальнейшем она была поддержана К. Таркяном и С. Кларком, Дж. Джекобсом, А. П. Виноградовым. По К. Таркяну и С. Кларку, первичная Земля аккумулировалась в той последовательности, в которой происходила конденсация веществ из первичной солнечной туманности. Крайний вариант гетерогенной аккумуляции Земли был недавно предложен Д. Л. Андерсоном и Т. Ханксом, которые полагают, что внутреннее ядро Земли приобрело свой состав за счет самых ранних дометаллических конденсатов, внешнее ядро возникло из металлической фракции и серы, а мантия—за счет аккумуляции силикатной фракции. На заключительных стадиях аккумуляции произошло осаждение материала типа углистых хондритов, включая гидратированные силикаты, летучие и органические соединения.

    3. Частично гетерогенная аккумуляция без резких перерывов в составе материалов, строящих земной шар. В этом случае наиболее резкая разница в составе имела место лишь между центральными частями Земли и поверхностными слоями первичной мантии. При таком способе аккумуляции первоначально не было pезких границ между ядром и мантией, подобно современному состоянию. Границы эти установились позже в ходе дальнейшей химической дифференциации, связанной с нагревом. Ядро Земли возникло в результате комбинации процессов гетерогенной аккреции и последующей химической дифференциации. Выплавление железо-сернистых масс и удаление их из разных горизонтов первичной Земли путем стекания в центральные области было процессом, протекавшим асимметрично и в дальнейшем определившим асимметрический характер коры и верхней мантии.

    В настоящее время нам довольно обоснованной представляется идея о  том, что происхождение земного  ядра связано с происхождением (способом формирования) самой Земли и Солнечной системы. Химическая эволюция протопланетной туманности, рассмотренная нами выше, при остывании газа солнечного состава определила то обстоятельство, что в районе аккумуляции вещества Земли возникли химические соединения, которые определили химический состав нашей планеты в целом. Начало формирования Земли по всей вероятности, было связано с первичной аккумуляцией  именно металлических частиц. В пользу этого мы можем привести следующую аргументацию.

    В процессе аккумуляции планет железоникелевые  частицы имели явное преимущество в отношении объединения перед частицами другого состава. Если аккумуляция первоначально происходила при высоких температурах, то капли железа при соприкосновении друг с другом легко сливались в тела компактной массы, образуя зародыши планет. Если агломерация имела место при низких температурах, то металлические частицы ввиду своей пластичности и хорошей теплопроводности объединялись при столкновении. В этом случае происходило поглощение кинетической энергии. Таким образом могли происходить процессы как “горячей сварки”, так и “холодной сварки” в зависимости от температуры частиц. Заметим, что в некоторых железных метеоритах обнаружены признаки объединения металла в результате соударений.

    Наконец при температурах ниже точки Кюри (1043 К для Fe, 598 К для FeS) частицы железа и троилита могли легко намагничиваться в сильном магнитном поле первичного Солнца ив дальнейшем объединялись силами магнитного притяжения. Поскольку силы магнитного притяжения для мелких металлических частиц на много порядков превосходят гравитационные силы, зависящие от масс, аккумуляция частиц никелистого железа из охлаждающейся солнечной туманности могла начаться при температурах ниже 1000 К в виде крупных сгущений и во много раз была более эффективной, чем аккумуляция силикатных частиц при прочих равных условиях. По Ф. Хойлу и Н. Викрамасингу, когда происходило непрерывное сжатие Солнца, напряженность магнитного поля могла достигать высоких значений, на два порядка превышающих современную. В этих условиях аккумуляция ферромагнитных материалов типа железоникелевых частиц и троилита должна протекать наиболее эффективно, образуя зародыши планет земного типа. Поскольку точка Кюри для железа и железоникелевых сплавов находится вблизи 1000 К, магнитные силы как фактор аккумуляции могут вступить во взаимодействие задолго до начала окисления железа. П. Гаррис и Д. Тозер  вычислили поперечное сечение захвата взаимно намагниченных частиц, которое оказалось в 2-10⁴ раз выше их реального поперечного сечения. В то же время они показали, что магнитное взаимодействие зависит от размеров частиц. Оно весьма незначительное для частиц с диаметром менее 10^--5 см, но при размерах частиц 10^-4 см агрегация наступает довольно быстро. При высоких температурах (свыше 1273 К) в газопылевом облаке все частицы могли сосуществовать независимо до падения температуры ниже точки Кюри. Но при падении температуры ниже точки Кюри магнитное взаимодействие железоникелевых частиц становилось решающим фактором аккумуляции в процессе рождения планет.

    Из  сказанного совершенно естественно  вытекает вывод, что при самых  разнообразных условиях в первичной  туманности железоникелевые сплавы должны аккумулироваться первыми. При  достижении достаточно крупных масс зародыши планет в дальнейшем могли захватывать более поздние конденсаты солнечного газа путем непосредственного гравитационного захвата.

    Совершенно  очевидно, что описанные выше процессы вполне относят к нашей планете, для которой гетерогенная аккумуляция  представляется совершенно неизбежной. Эта аккумуляция определила первоначальную химическую неоднородность Земли, ее термодинамическую неустойчивость, которая в дальнейшем предопределила ход развития Земли—дифференциацию ее материала, что привело к четкому обособлению границы между мантией и ядром, между внутренним и внешним ядром...

    В свете изложенного выясняется общая  картина рождения Земли. Рост Земли начался с объединения металлических частиц при температурах ниже точки Кюри. Однако нагрев первоначального металлического тела вследствие ударов частиц при аккумуляции привела повышению температур и, возможно, устранил взаимодействие магнитных сил, которое было основным. Достигнув значительной массы, первичное металлическое ядро—зародыш продолжало гравитационный захват более поздних конденсатов из окружающей среды. На этом этапе аккумуляция стала более гомогенной, и первичная мантия накапливалась как мощная оболочка в виде смеси металлических, силикатных частиц и троилита. При этом весьма вероятно, что в нижних горизонтах первичной мантии содержание металлических частиц было повышенным, а в верхних горизонтах они отсутствовали. Таким образом, первоначальная мантия по радиусу представляла собой неоднородную смесь металлического и силикатного материала.  На поздних стадиях аккумуляции оседали гидратированные силикаты и органические вещества. На завершающих этапах аккумуляции Земля путем прямого гравитационного захвата приобрела также часть (вероятно, небольшую) газов, в том числе Н₂О, СО₂, СО, NН₃, Hg, из первичной туманности в силу собственного притяжения.

    В связи с адиабатическим сжатием, радиоактивным нагревом от ныне сохранившихся и быстро вымерших радиоактивных изотопов (²⁴⁴Pu,  ²⁴⁷Cm и ¹²⁹I) и остаточной тепловой энергии от процесса аккумуляции в ранние эпохи существования Земли происходило повышение температур и материал планеты местами начал плавиться. Максимальная температура была приурочена к центру с последующим ее понижением к периферии. Плавление в результате радиоактивного нагрева и других факторов началось на определенных глубинах, где температура превысила точку плавления наиболее легкоплавких компонентов при данных условиях давления. Если состав первичной мантии представлял собой смесь силикатной,  металлической и сульфидной фаз, то температура плавления эвтектики Fe—FeS была  самой    минимальной (1260 К) и в то же время она в меньшей степени зависела от увеличения давления. Первым и принципиально нового веществ могло происходить в большей части объема первичной мантии. Совершенно очевидно, что жидкая расплавленная фаза металла с примесью серы возникала в глубоких недрах планеты легче, чем жидкие расплавленные силикатные массы.