Симметрия в природе

При рассмотрении целостного объекта картина меняется. Симметричные системы, например кристаллы, характеризуются  состоянием равновесия и упорядоченности. Но асимметричные системы, которыми являются живые тела, также характеризуются  равновесием и упорядоченностью с тем только различием, что в  последнем случае имеем дело с  динамической системой. Таким образом, устойчивое термодинамическое равновесие (или асимметрия) статической системы  есть другая форма выражения устойчивого  динамического равновесия, высокой  упорядоченности и структурности  организма на всех его уровнях. Такие  системы называются асимметричными динамическими системами. Здесь  нужно только указать, что структурность носит динамический характер.

Теперь уместно связать  симметрию с энтропией живых  организмов. Известно, что переход  вещества на более высокую степень  организации, упорядоченности снижает  энтропию как меру хаотичности. Но наибольшей симметрией обладает как раз равновесное  хаотическое состояние. Значит, уменьшение энтропии неизбежно приводит к уменьшению симметрии, т.е. увеличению асимметрии живых организмов. Чем выше уровень  организации материи, тем меньше энтропия и симметрия. Для снижения энтропии живых организмов как открытых систем, обменивающихся энергией и  материей (пища и отправления) с окружающей средой, необходима энергия, причем значительная, которая вырабатывается в соответствующих  частях клеток (митохондриях) живых  организмов за счет пищи, т.е. поглощения энергии внешней среды (Солнца и  биосферы). Образно выражаясь, мы забираем от природы более организованную структурированную материю, обладающую меньшей энтропией, а отдаем ей неструктурированную  материю, обладающую большей энтропией. "Питаемся", с энергетической физической точки зрения, отрицательной энтропией, а отдаем положительную энтропию. И когда в естественных условиях этот баланс нарушается, то наступает  некоторое динамическое равновесие – обмен энтропией между человеком  и окружающей средой стабилизируется, энтропия системы человек – окружающая среда возрастает, и живой организм гибнет (энтропия его возросла). Поэтому  биологическая смерть живого организма  – это рост энтропии до ее уровня в окружающей среде. Повышение же энергетического потенциала в живом  организме при "нормальном" обмене энтропией с окружающей средой увеличивает химическую активность клеток и дает возможность самовоспроизведения и развития.

По мере упорядочения живых  организмов, их усложнения в ходе развития жизни асимметрия все больше и  больше превалирует над симметрией, вытесняя ее из биохимических и физиологических  процессов. Однако и здесь имеет  место динамический процесс: симметрия  и асимметрия в функционировании живых организмов тесно связаны. Внешне человек и животные симметричны, однако их внутреннее строение существенно асимметрично. Если у низших биологических объектов, например низших растений, размножение идет симметрично, то у высших имеет место явная асимметрия, например разделение полов, где каждый пол вносит в процесс самовоспроизведения свойственную только ему генетическую информацию. Так, устойчивое сохранение наследственности есть проявление в известном смысле симметрии, а в изменчивости проявляется асимметрия. В целом же глубокая внутренняя связь симметрии и асимметрии в живой природе обусловливает ее возникновение, существование и развитие.

Вселенная есть асимметричное  целое, и жизнь в таком виде, в каком она представляется, должна быть функцией асимметрии вселенной и вытекающих отсюда следствий. В отличие от молекул неживой природы молекулы органических веществ имеют ярко выраженный асимметричный характер (хиральность). Придавая большое значение асимметрии живого вещества, Пастер считал ее именно той единственной, четко разграничивающей линией, которую в настоящее время можно провести между живой и неживой природой, т.е. тем, что отличает живое вещество от неживого. Современная наука доказала, что в живых организмах, как и в кристаллах, изменениям в строении отвечают изменения свойств.

Радиально-лучевой симметрией обладают цветы, грибы, деревья. Здесь  можно отметить, что на не сорванных  цветах и грибах, растущих деревьях плоскости симметрии ориентированы  всегда вертикально. Определяя пространственную организацию живых организмов, прямой угол организует жизнь силами гравитации. Биосфера ортогональна вертикальной линии  земного тяготения. Вертикальные стебли растений, стволы деревьев, горизонтальные поверхности водных пространств  и в целом земная кора составляют прямой угол. Прямой гол является объективной  реальностью зрительного восприятия: выделение прямого угла осуществляют структуры сетчатки в цепи нейронных  связей. Зрение чутко реагирует на кривизну прямых линий, отклонения от вертикальности и горизонтальности. Прямой угол, лежащий в основе треугольника, правит пространством симметрии подобий, а подобие, как уже говорилось, – есть цель жизни. И сама природа, и первородная часть человека находятся во власти геометрии, подчинены симметрии и как сущности, и как символы. Как бы ни были выстроены объекты природы, каждый имеет свой основной признак, который отображен формой, будь то яблоко, зерно ржи или человек.

На основании этого  можно сформулировать в несколько  упрощенном и схематизированном виде общий закон симметрии, ярко и повсеместно проявляющийся в природе:

1. Все, что растет или движется по вертикали, т.е. вверх или вниз относительно земной поверхности, подчиняется радиально-лучевой симметрии в виде веера пересекающихся плоскостей симметрии. Листья и цветы многих растений обнаруживают радиальную симметрию. Это такая симметрия, при которой лист или цветок, поворачиваясь вокруг оси симметрии, переходит в себя. На поперечных сечениях тканей, образующих корень или стебель растения, отчетливо бывает видна радиальная симметрия. Соцветия многих цветков также обладают радиальной симметрией.

 

2. Все то, что растет и движется горизонтально или наклонно по отношению к земной поверхности, подчиняется билатеральной симметрии, симметрии листка.

 

Этому всеобщему закону из двух постулатов подчиняются не только цветы, животные, легкоподвижные жидкости и газы, но и твердые, неподатливые камни. Этот закон влияет на изменчивые формы облаков. В безветренный день они имеют куполовидную форму  с более или менее ясно выраженной радиально-лучевой симметрией. Влияние  универсального закона симметрии является по сути дела чисто внешним, грубым, налагающим свою печать только на наружную форму природных тел. Внутреннее их строение и детали ускользают из-под его власти.

Основой эволюции живой материи  является симметрия подобия. Рассмотрим игрушечную матрешку, цветок розы или  кочан капусты. Важную роль в геометрии  всех этих природных тел играет подобие  их сходных частей. Такие части, конечно, связаны между собой каким-то общим, еще не известным нам геометрическим законом, позволяющим выводить их друг из друга. Симметрия подобия, осуществляющаяся в пространстве и во времени, повсеместно проявляется в природе на всем, что растет. А ведь именно к растущим формам относятся бесчисленные фигуры растений, животных и кристаллов. Форма древесного ствола – коническая, сильно вытянутая. Ветви обычно располагаются вокруг ствола по винтовой линии. Это не простая винтовая линия: она постепенно сужается к вершине. Да и сами ветви уменьшаются по мере приближения к вершине дерева. Следовательно, здесь мы имеем дело с винтовой осью симметрии подобия.

Живая природа в любых  ее проявлениях обнаруживает одну и  ту же цель, один и тот же смысл  жизни: всякий живой предмет повторяет  себя в себе подобном. Главной задачей  жизни является жизнь, а доступная  форма бытия заключается в  существовании отдельных целостных  организмов. И не только примитивные  организации, но и сложные космические  системы, такие как человек, демонстрируют  поразительную способность буквально  повторять из поколения в поколение  одни и те же формы, одни и те же скульптуры, черты характера, те же жесты, манеры.

Природа обнаруживает подобие  как свою глобальную генетическую программу. Ключ в изменении тоже заключается  в подобии. Подобие правит живой  природой в целом. Геометрическое подобие  – общий принцип пространственной организации живых структур. Лист клена подобен листу клена, березы – листу березы. Геометрическое подобие пронизывает все ветви  древа жизни. Какие бы метаморфозы  ни претерпевала в процессе роста  в дальнейшем живая клетка, принадлежащая  целостному организму и выполняющая  функцию его воспроизведения  в новый, особенный, единичный объект бытия, она является точкой "начала", которая в итоге деления окажется преобразована в объект, подобный первоначальному. Этим объединяются все виды живых структур, по этой причине и существуют стереотипы жизни: человек, кошка, стрекоза, дождевой червь. Они бесконечно интерпретируются и варьируются механизмами деления, но остаются теми же стереотипами организации, формы и поведения.

Так же, как подобны одно другому целостные живые существа данного вида жизни, встроенные в  ее непрерывно разветвляющуюся цепь, так же подобны одно другому и  отдельные их члены, функционально  специализированные. Можно сказать, что функция зрения в целом, как  и детальная структура органов  зрительного восприятия, подчинена  глобальному принципу организации  жизни – принципу геометрического  подобия. Для живых организмов симметричное расположение частей органов тела помогает сохранять им равновесие при передвижении и функционировании, обеспечивает их жизнестойкость и лучшее приспособление к окружающему миру, что справедливо и в растительном мире. Например, ствол ели или сосны чаще всего прямой и ветви равномерно расположены относительно ствола. Дерево, развиваясь в условиях действия силы тяжести, достигает устойчивого положения. К вершине дерева ветви его становятся меньше в размерах – оно приобретает форму конуса, поскольку на нижние ветви, как и на верхние, должен падать свет. Кроме того, центр тяжести должен быть как можно ниже, от этого зависит устойчивость дерева. Законы естественного отбора и всемирного тяготения способствовали тому, что дерево не только эстетически красиво, но устроено целесообразно. Получается, что симметрия живых организмов связана с симметрией законов природы. На житейском уровне, когда мы видим проявление симметрии в живой и неживой природе, то невольно испытываем чувство удовлетворения тем всеобщим, как нам кажется, порядком, который царит в природе.

В общем смысле мы можем  считать, что возникновение жизни  в целом связано со спонтанным нарушением имевшейся до того в природе  зеркальной симметрии. Предполагают, что  возникшая асимметрия произошла  скачком в результате Большого Биологического Взрыва (по аналогии с Большим Взрывом, в результате которого образовалась Вселенная) под действием радиации, температуры, электромагнитных полей  и т.д. и нашла свое отражение  в генах живых организмов. Этот процесс, по существу, также является процессом самоорганизации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Заключение

Симметрия, проявляясь в  самых различных объектах материального  мира, несомненно, отражает наиболее общие, наиболее фундаментальные его свойства. Поэтому исследование симметрии  разнообразных природных объектов и сопоставление его результатов  является удобным и надежным инструментом познания основных закономерностей  существования материи.

 

Ю.А. Урманцев полагал, что «на основе биологических законов сохранения, разнообразных инвариантов, симметрии законов живой природы относительно тех или иных преобразований рано или поздно удастся глубже проникнуть в сущность живого, объяснить ход эволюции, ее вершины, тупики, предсказать неизвестные сейчас законы, теоретически возможные и действительные числа типов, классов, семейств… организмов».

 

При всем многообразии живых организмов, принцип симметрии действует всегда, устанавливая связь между самыми разными объектами. Дж. Ньюмен говорил: «Симметрия устанавливает забавное и удивительное родство между предметами, явлениями и теориями, внешне, казалось бы, ничем не связанными: земным магнетизмом, женской вуалью, поляризованным светом, естественным отбором, теорией групп, инвариантами и преобразованиями, рабочими привычками пчел в улье, строением пространства, рисунками ваз, квантовой физикой, лепестками цветов, интерференционной картиной рентгеновских лучей, делением клеток морских ежей, равновесными конфигурациями кристаллов, романскими соборами, снежинками, музыкой, теорией относительности...".

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Список  литературы

 

1. Вигнер Э. «Инвариантность и законы сохранения. Этюды о симметрии» 2002г.
2. В.И.Вернадский «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения» 2001г.
3. А.В. Шубников «Симметрия» 1940г.
4. Ю.А Урманцев «Симметрия природы и природа симметрии» 1974г.
5. Словарь  иностранных слов  2007г.