Как осуществляется математическое моделирование биологической эволюции

5.         Как осуществляется математическое моделирование биологической эволюции

Математическое моделирование как научное направление еще очень молодо, и, судя по всему, его эволюция в рамках компьютерно-технологических сдвигов продолжается .

Построение моделей представляет собой "применение фундаментальных законов природы, вариационных принципов, аналогий, иерархических цепочек", а процесс построения модели включает в себя следующие этапы:

«Cловесно-смысловое описание объекта или явления" ("формулировка предмодели»);

«Завершение идеализации объекта» и упрощение описания;

Переход «к выбору или формулировке закона (вариационного принципа, аналогии и т.п.)» и его записи в математической форме;

«Завершает формулировку модели ее «оснащение» (задание начального состояния и параметров объекта). Этот этап особенно важен, поскольку:

«И, наконец, формулируется цель исследования модели (найти закон преломления света, достичь понимания закономерностей изменения популяции, определить требования к конструкции ракеты, запускающей спутник, и т.д.)»;

Модель изучается всеми доступными методами (в том числе с применением различных подходов и вычислительных методов);

В результате исследования модели достигается поставленная цель. При этом "должна быть установлена всеми возможными способами (сравнением с практикой, сопоставлением с другими подходами) ее адекватность - соответствие объекту и сформулированным предположениям".

Последовательность этапов моделирования, соответствующая этому разбиению, представлена нами на рис. 1.

Рис.1

Плодотворность методологии математического моделирования при решении разнообразных задач за прошедшие годы была неоднократно подтверждена многочисленными примерами из области механики, термодинамики, биологии, экономики и социальных наук.

Демографическим проблемы, связанным со старением и плохим воспроизводством населения, в последнее время уделяется все больше внимания . Исследования на человеческом материале в силу целого ряда обстоятельств часто не позволяют получить убедительных результатов. Проблема связи старения с генетическими (наследственными) факторами, условиями жизни и окружающей средой относятся к числу таких проблем. Эксперименты на животных с более простой генетической и физиологической организацией и с коротким жизненным циклом позволяют глубже понять общебиологические основы старения и, в принципе, начать разработку мер по продлению жизни и предотвращению преждевременного старения у человека. Стандартные эксперименты чаще всего ставятся на популяциях плодовитых и короткоживущих насекомых (плодовая мушка Drosophila и средиземноморская мушка Ceratitis Capitata). Исследование последней имеет и самостоятельное прикладное значение, поскольку в ряде эта мушка является наиболее распространенным вредителем фруктовых плантаций, и уже около десяти лет выращивается в промышленных масштабах в Мексике в рамках программ биологической защиты урожая.

«Академический» этап моделирования старения представлен классическими популяционно-генетическими моделями Фишера, физиологическими моделями, моделями "теории надежности" и термодинамическими моделями. Переход к активным компьютерным методам исследования связан с переходом к методам Монте-Карло. Следуя давней традиции , физики с энтузиазмом берутся за решение кардинальных вопросов жизни, в данном случае за разработку моделей старения. Наиболее известна изящная bit-string модель бразильского физика Пенны (представляющая геном в виде строки двоичных сигналов). Однако, как и в случае анализа "жизни с точки зрения физика", результаты этой работы оказались интересными в основном для самих физиков и для широкой публики. Разрабатываемые вне связи с экспериментальными исследованиями, эти "модели старения" оказались абсолютно неадекватными с точки зрения биолога.

Но новом этапе цели математического моделирования связаны в первую очередь с желанием усовершенствовать процесс извлечения информации о механизмах старения и защитных механизмах у экспериментальных животных на основе реальных наблюдаемых в эксперименте данных. Математические модели позволяют выдвигать биологически обоснованные и формально корректные гипотезы о таких механизмах и тестировать их. Поэтому не удивительно, что в последнее время практически все ведущие экспериментальные команды в мире, ведущие исследования механизмов старения на популяциях насекомых, включили в свой состав специалистов по моделированию.

Общая цель этих работ, хотя и слабо формализованная, состоит в кардинальном изменении роли моделирования в экспериментальном исследовании живых систем. Вместо традиционного анализа "общих тенденций" и воспроизведения в модели средне-абстрактного объекта (организма или популяции), практика моделирования биосистем неуклонно движется к он-лайновому включению модели в сам процесс экспериментальных исследований. Результаты модельного исследования i-го эксперимента должны стать исходными позициями для постановки (i+1)-го. Можно даже сказать, рискуя вызвать справедливый гнев биологов-экспериментаторов, что сами экспериментальные исследования становятся средством верификация математической модели. Трудно ожидать, что в ближайшее время этот процесс завершится. Но сама цель становится все более очевидной.

Характерным примером такого взаимодействия могло бы стать наше "компьютерное повторение" классических экспериментов Майнарда Смита , не будь оно проведено сорок лет спустя после самих экспериментов. Мы смогли в рамках единой модели (гомеостатическая модель старения) объединить две ранних теории старения, Теорию темпа жизни и Пороговую теорию.

6.         Какие факторы определяют изменения климата планет? Что доказывает единовременное происхождение тел Солнечной системы

Изменение климата — колебания климата Земли в целом или отдельных её регионов с течением времени. Его изучением занимается наука палеоклиматология. Причиной изменения климата являются динамические процессы на Земле, внешние воздействия, такие как колебания интенсивности солнечного излучения, и, с недавних пор, деятельность человека. В последнее время термин «изменение климата» используется как правило (особенно в контексте экологической политики) для обозначения изменения в современном климате .

Изменения климата обусловлены переменами в земной атмосфере, процессами, происходящими в других частях Земли, таких как океаны, ледники, а также эффектами, сопутствующими деятельности человека. Внешние процессы, формирующие климат, — это изменения солнечной радиации и орбиты Земли.

изменение размеров и взаимного расположения материков и океанов,

изменение светимости солнца,

изменения параметров орбиты Земли,

изменение прозрачности атмосферы и ее состава в результате изменений вулканической активности Земли,

изменение концентрации парниковых газов (СО2 и CH4) в атмосфере,

изменение отражательной способности поверхности Земли (альбедо),

изменение количества тепла, имеющегося в глубинах океана.

Галактика М 82 в созвездии Большой Медведицы. Около 3 млн лет назад из нее было выброшено вещество объемом в 6 млн солнечных масс, и часть его получила скорости, близкие к световым, т.е. произошел взрыв с выбросом энергии в 1065 Дж, эквивалентный одновременной вспышке 10 млн Сверхновых. Для взрыва объекта Лебедь А выброс энергии оценивается в 10 тысяч раз больше. Такие огромные значения энергии, превышающие в несколько раз гравитационную энергию связи всех звезд в радиогалактике, имеют своим источником область галактического ядра, где генерируются релятивистские электроны.

 Планеты смещаются по отношению к Солнцу в одной фазе, т.е. одновременно, пропорционально массам получив запас кинетической энергии и скорость, они примерно одновременно достигают максимального удаления, затем почти одновременно начинают движение вспять.

7.         Обоснуйте на основе эволюционных представлений о развитии структурных уровней организации материи становления ноосферы. В чем состоит суть концепции ноосферы по Вернадцкому? Существует ли ноосфера сейчас

Вернадский говорил, что «биосфера перейдет однажды в сферу разума ноосферу. Произойдет великое объединение, в результате которого развитие планеты сделается направленным силой Разума». Сам термин «ноосфера» возник на семинаре, где выступал Вернадский со своей концепцией биосферы. Его широко использовали Э.Ле Руа и П.Тейяр де Шарден, но понимали его как «оболочку мысли» на планете. По мнению Тейяра де Шардена, возникновение мысли — явление, которое знаменует собой «трансформацию, затрагивающую состояние всей планеты».

Ноосфера — это высшая ступень интеграции всех форм существования материи, когда любая преобразующая деятельность человека будет основываться на научном понимании естественных и социальных процессов и органически согласовываться с общими законами развития природы. Это высший этап эволюции системы «природа — общество», который только формируется и должен быть, если человечество хочет жить без глобальных потрясений. Такой тип отношений «природа — общество» соответствует коэволюции. В структуре ноосферы можно выделить человечество, совокупность научных знаний, сумму техники и технологий в единстве с биосферой.

Солнечная энергия запустила геохимические циклы круговорота химических элементов, в которые втягиваются все новые массы вещества. Образовавшиеся толщи осадочных пород запасли энергию биомассы (в форме газа, угля, нефти). Эти преобразования планетарного масштаба и произвели человека — носителя Разума. Человек зависит от биосферы, он — ее порождение. Чтобы подчинить своему развитию среду обитания, он должен овладеть биосферными процессами, иначе будет обречен как биологический вид. Но обеспечение коэволюции человека, природы и общества требуют введения некоторых ограничений деятельности. Поэтому переход в ноосферу означает обязанность человека взять ответственность за дальнейшую эволюцию биосферы в целом, т.е. и за себя, действуя по принципу «не навреди». В учении о ноосфере Вернадский впервые осознал и попытался осуществить синтез естественных и общественных наук в исследовании глобальной деятельности человечества. Живое вещество преобразует верхнюю оболочку Земли, постепенно человек становится силой геологического масштаба, поэтому и несет ответственность за эволюцию планеты. Сам он использовал это понятие в разных смыслах: как состояние планеты, когда человек становится преобразующей геологической силой; как область активного проявления научной мысли; как основной фактор перестройки и изменения всей биосферы.

Ноосферный этап (этап допустимого развития) состоит в том, что экономические и экологические проблемы взаимоотношений с биосферой определяются не выживанием человечества, а сохранением экосферы в гармонии живой и неживой материи, сохранением гармонии природы с сохранением ресурса животного и растительного миров, сосуществующих в биоценозах и экосистемах.

Отношения в системе «человек—природа» строились по-разному в разных культурных традициях. В классической западноевропейской культуре: природа — пассивный материал для проявления творческих возможностей человека; в восточной культуре она — источник благоговейного почитания до полного растворения в ней человеческого начала; в российской — сложилась самоценность природы, она — активный материал, соразмерный статусу человека и мироздания. Вернадский наметил для достижения этапа ноосферы серию мероприятий: решить проблему разумной плотности народонаселения и оптимальной численности жителей Земли; ликвидировать бедность; расширить границы биосферы и выйти в космос; открыть новые источники энергии; оценить допустимость и достаточность экономического развития в рамкахсбалансированного самовосстановления биосферы; исключить войны из жизни общества; поднять культуру человека на всех уровнях организации общества.

8.         Чем занимается нейрофизиология? Опишите процессы торможения и возбуждения. Поясните понятия «условный и безусловный рефлекс». Чем отличаются инстинкты от рефлексов? Какая связь между учением Павлова о рефлексах и кодированием информации. Как изучают мозг с помощью электродов. Что такое разум и речь? Каково соотношение интеллекта и инстинкта

Нейрофизиология — раздел физиологии животных и человека, изучающий функции нервной системы и ее основных структурных единиц — нейронов. Она тесно связана с нейробиологией, психологией, неврологией, клинической нейрофизиологией, электрофизиологией, этологией, нейроанатомией и другими науками, занимающимися изучением мозга[

Способность опознавать образ — одно из фундаментальных свойств мозга. Реализуемая так информация — содержательная основа мышления. Окружающий мир отражается в сознании человека во всем многообразии. Сведения о нем поступают через органы чувств, затем передаются в мозг единственным способом — модуляцией нервных импульсов. Импульсы идут по разным волокнам в разные участки мозга. Пространственное и временное суммирование импульсов, связанная с ним мозаика процессов возбуждения и торможения в коре головного мозга — это физиологическая основа человеческого мышления. Но еще необходимо отфильтровать шумы и выделить структурный инвариант, лежащий в основе формирования образа.

Принято разделять мышление образами (конкретное) и понятиями (абстрактное), причем правое полушарие головного мозга специализируется на образах реальных объектов и эмоциональных реакциях, а левое — формирует абстрактное мышление. Из-за асимметрии мозга обычно одна из его частей доминирует, поэтому считают, что «право-полушарное мышление» настраивает на более успешные занятия гуманитарными науками или искусством, а обладатели «левополушарного мышления» должны выбирать научно-технические области деятельности. Но исследования нейрофизиологов показали, что правое полушарие распознает текст целиком, а левое — поэлементно. Поэтому и функции их можно считать синтетической и аналитической соответственно, и обе они должны находиться в гармонии для адекватного познания действительности как отдельным человеком, так и наукой в целом.

В притягательную для любого человека область явлений психики впервые проник И.М.Сеченов. Он первым высказал положение о наличии связи жизненной деятельности клетки с внешней средой. Сеченов доказал, что психическая жизнь человека и, в частности, его сознание являются результатом деятельности мозговых клеток (1863). Он утверждал, что все акты сознательной и бессознательной жизни человека по способу прохождения — только рефлексы, причем источником рефлексов могут быть как внутренние, так и внешние раздражители. У человека в качестве таких источников могут быть нравственные регуляторы. Демонстрируя в опытах на себе скорость прохождения рефлекса, он силой воли задерживал скорость некоторых из них. Отсюда — особая роль столкновения человека с жизнью, воспитания в широком смысле слова в нравственной регуляции поступков, а значит, и в скорости тех или иных реакций организма. Эти исследования дали основания И. П. Павлову утверждать, что «приближается важный этап человеческой мысли, когда физиологическое и психологическое, объективное и субъективное действительно сольются и... отпадет естественным путем противопоставление моего сознания моему телу». Павлов перешел от изучения связей организма с окружающей средой, осуществляемых нервной системой, к исследованиям функций больших полушарий головного мозга. Он разделил рефлексы на безусловные и условные. В 1925 г. он открыл при своей лаборатории две клиники — нервную и психиатрическую, в которых применял для лечения результаты, полученные в исследованиях высшей нервной деятельности. Таким образом, он показал, что ряд нарушений душевной деятельности (например, шизофрения) связан с подчеркнутым проявлением так называемого охранительного торможения.

РЕФЛЕКС – это ответная реакция различных органов на раздражения. Скажем, глаз, реагирует на цвет тем, что отражает его и передает информацию в мозг. Барабанная перепонка уха воспринимает звук – это ее ответная реакция на раздражение, вся информация от нее идет также в мозг. Мозг реагирует на все рефлексы с целью определения более выгодных или опасных для существования. Скажем, если мы слышим страшный звук, мозг путем анализа и сравнения определяет степень его опасности и предлагает соответствующий стереотип действий. Не следует рассматривать РЕФЛЕКС как реакцию всего организма, как единого целого, потому что организм состоит из множества органов и тканей, которые все реагируют по-разному.

Инсти́нкт (от лат. instinctus — побуждение), целесообразное поведение без осознания цели; ситуация, в которой осуществление одного рефлекса приводит к осуществлению другого. Инстинкт — комплекс двигательных актов или последовательность действий, свойственных организму данного вида, реализация которых зависит от функционального состояния животного (определяемого доминирующей потребностью) и сложившейся в данный момент ситуации. Инстинктивные реакции носят врожденный характер, и их высокая видовая специфичность часто используется как таксономический признак наряду с морфологическими особенностями данного вида животных.

Инстинкт — комплексы генетически закрепленных в мышлении индивида неосознаваемых установок последовательности действий и алгоритмов поведения, которые обеспечивали предшествующим поколениям успех в выживании и появлении данного жизнеспособного индивида. Инстинкт проявляется как реакция на изменения состояний внешней среды, а так же как реакция на прогнозируемые изменения во внешней среде, неосознаваемо оцениваемые как влияющие на выживание индивида.

В начале 50-х годов У.Р. Хесс впервые провел эксперименты с введением электродов. Он обнаружил, что при стимуляции определенного участка гипоталамуса у кошки ее поведение становилось агрессивным, как в случаях опасности: она урчала и фыркала, выпускала когти, шерсть у нее поднималась дыбом. Подопытное животное вело себя так, как ведут себя все кошки при столкновении с лающим псом, но это происходило при отсутствии собаки или какого-либо другого внешнего раздражителя. Сама по себе нервная активность, исходящая из гипоталамуса, вызывала эту агрессивную реакцию, связанную со страхом.

В 1953 году Джеймс Олдс и его коллеги вживляли электроды в различные области гипоталамуса крысам. Животные не только научались нажимать на рычаг, чтобы получать раздражение, но, однажды научившись, продолжали делать это с частотой несколько тысяч раз в час в течение десяти часов. Поскольку крыса трудилась с таким упорством, ее поведение означало, что ей «нравится» ощущение, вызываемое такой самостимуляцией. Соответствующие области гипоталамуса стали поэтому называть «центрами удовольствия».

В результате дальнейших исследований был выявлен целый рад участков, которые животные стремились стимулировать. Эти участки в основном совпадали с путями передачи возбуждения от дофаминэргических нейронов черной субстанции и адренэргических нейронов голубого пятна. Поскольку электростимуляция действительно усиливает синтез и секрецию соответствующих медиаторов (дофамина и норадреналина), можно предполагать, что один из них или оба играют существенную роль в возникновении «удовольствия». Однако отсюда еще нельзя заключить, что ощущение удовольствия связано с активацией упомянутых путей.

Электростимуляцию производили также у некоторых больных во время операции на головном мозге. Манипуляции на мозговой ткани не вызывают боли, и это позволяет проводить некоторые из таких операций без общего наркоза. Многие больные сообщали о приятных ощущениях, возникавших при электрической стимуляции участков мозга, которые примерно соответствуют «центрам удовольствия» у крыс.

9.         Что дали человеку решения на ЭВМ глобальных проблем мира? Поясните термины: «ядерная зима», «ядерная осень», «концептуальное устройство развития»

Ядерная зима — гипотетическое глобальное состояние климата Земли в результате широкомасштабной ядерной войны. Предполагается, что в результате выноса в стратосферу большого количества дыма и сажи, вызванного обширными пожарами при взрыве 30 %-40 % накопленных в мире ядерных боезарядов, температура на планете повсеместно снизится до арктической в результате существенного повышения количества отражённых солнечных лучей.

Возможность возникновения ядерной зимы предсказана Карлом Саганом в США и подтверждена в СССР расчётами В. В. Александрова. Эти работы были широко освещены прессой и получили большой общественный резонанс. Впоследствии многие физики оспаривали достоверность полученных результатов, однако убедительного опровержения гипотеза не получила.

Ядерная осень — гипотетическое состояние климата одного из регионов Земли в результате ограниченной ядерной войны. Для моделирования ситуаций ядерной осени, как правило, используется модель конфликта, где суммарная мощность взрывов составляет от 5 до 40 мегатонн (обычно это эквивалентно использованию 300—400 тактических ядерных боезарядов и / или нейтронного оружия). Эксперты полагают, что подобный конфликт может привести к негативным экологическим последствиям для региона — выпадению кислотных осадков, заражению почв и локальным эпидемиям лучевой болезни и гибели нескольких урожаев.

Возможно общее понижение температуры на 1 — 2 градуса С. Вероятно, в регионе произойдет массовая гибель широколиственных лесов. Хвойные леса, возможно, сумеют уцелеть и в перспективе несколько расширят свой ареал. В долгосрочной перспективе в регионе, пережившем эффект «ядерной осени», возможен сдвиг времен года: наступление зимы в середине октября, и весны — в середине апреля.

Моделирование эффекта «ядерной осени» использовалось экспертами в начале 1980-х годов при анализе возможного ядерного конфликта в Европе на базе евроракет. В 2000-е годы подобный эффект моделируется для гипотетических ограниченных ядерных конфликтов в Индостане и на Корейском полуострове. Эффект «ядерной осени» может возникнуть и в результате поражения ядерных объектов одного из государств (гипотетическая операция США против Ирана и КНДР). с помощью ЭВМ решаются задачи, которые не могли быть решены четверть века назад. Оказалось, что в сложных системах вдали от равновесия могут возникать из хаоса упорядоченные состояния. Хаос стал выступать созидательным началом, конструктивным и обязательным механизмом эволюции. В настоящее время обществу необходимо решать сложные задачи выхода из многочисленных кризисов, причем пути выхода не должны быть катастрофическими, фактически — это задачи балансировки между рисками и безопасностью. Проблемы выбора стратегии связывают с нелинейной динамикой, разработавшей различные пути перехода от хаоса к порядку.

10.      Опишите предмет и цели естествознания. Насколько можно применить естественнонаучные модели к общественным процессам? Оцените роль науки и техники в современном мире и в формировании политических взглядов

Предметом естествознания является “движущаяся материя” или различные формы движения материи в природе. Природа, которая служит предметом естествознания, рассматривается не абстрактно, вне деятельности человека, а конкретно, как находящаяся под воздействием человека, т.к. ее познание достигается в итоге не только теоретической, но практической производственной деятельностью людей. Естествознание, как отражение природы в человеческом сознании, совершенствуется в процессе ее активного преобразования в интересах общества.

Цели естествознания двоякие: 1) находить сущность явлений природы, их законы и на этой основе предвидеть или создавать новые явления; 2) раскрывать возможность исследования на практике познанных законов, сил и веществ природы.

Другими словами:

- познание истины - непосредственная или ближайшая цель естествознания, а содействие практическому использованию ее - конечная цель.

К науке относят особую сферу человеческой деятельности, направленную на выработку, производство и систематизацию объективных знаний об окружающем мире. Наука — это и совокупность самих знаний, отвечающих определенным критериям, и социальный институт, т. е. совокупность организаций, занимающих определенное место в структуре общества и выполняющих общественные функции.

Наука — один из важнейших компонентов духовной культуры, в котором в наибольшей степени представлена познавательная сторона деятельности. В наши дни наука — мощный фактор развития самых различных областей человеческой деятельности. В принятой в 1996 г. «Доктрине развития российской науки» ей была дана следующая оценка: «Российская наука за свою многовековую историю внесла огромный вклад в развитие страны и мирового сообщества. Своим положением великой мировой державы Россия во многом обязана достижениям отечественных ученых». Основополагающая роль науки не может быть подменена организационными и срочными оперативными мероприятиями по обеспечению безопасности страны и человечества. Познание объективных законов мира дает возможность целенаправленного практического освоения и изменения окружающего мира, является неотъемлемым моментом практики материального его преобразования. Познание может быть донаучным, вненаучным и научным. Знания должны отвечать определенным критериям.

Применение методов естественных наук к общественным явлениям может дать ценные результаты. Именно это и пыталась сделать классическая экономическая теория, и во многих ситуациях она достаточно хорошо работала.

Литература

1.  Галимов Э. М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. — М.: Едиториал УРСС, 2001.

2.  Гумилев Л. Н. Этногенез и биосфера Земли. — Л.: Гидрометеоиздат, 1990.

3.  Дубнищева Г. Я. Ретрофизика в зеркале философской рефлексии. —
М.: ИНФРА-М, 1997.

4.  Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 6-е изд., испр. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 608 с.

5.  Дубнищева Т.Я. Современное естествознание / Т.Я. Дубнищева, А.Ю. Пигарев. — Новосибирск: ЮКЭА, 1998. — М.: Маркетинг, 2000.

6.  Липкин А. И. Основания современного естествознания. — М.: Вузовская книга, 2001.

7.  Электронный учебник «концепции современного естествознания»