Возможные биологические основы «Глобального кризиса» В.Л. Воейков Биологический факультет МГУ

Биологические основы «Глобального кризиса»

Science 4 November 1960: Vol no. 3436, pp Судный день: пятница, 13 ноября, К этой дате численность человечества станет бесконечной, если темпы его роста будут такими же, как за последние 2 тысячелетия

Система как целое становится крайне нестабильной вблизи критической точки t o соответствующего параметра. Эти сингулярности служат индикаторами того, что следует ожидать нарушения в том или ином виде структуры системы. Von Foester, 1961 Годы от Р.Х. N = C / (2025-T) миллиардов, где T – текущее время, C – константа (186 чел.*лет)

«Наши правнуки погибнут не от голода, а от давки» (шутка von Foester )

Как может идти прирост биомассы Линейный рост: М=kt Экспоненциальный закон: М=ke t Степенной закон: M=kt n Гиперболический закон: M=k/(t max – t)

Модель конкурентной борьбы многих игроков с (почти) нулевой суммой недействительна для системы с взаимосвязями, которые позволяют («игрокам») образовывать коалиции, в которых элементы становятся столь сильно взаимосвязаны, что популяция в целом может рассматриваться, как индивидуум, играющий с единственным противником – природой. H. von Foester … … Coherence? Когерентность?

Нынешний гиперболический закон увеличения народонаселения всего земного шара (который действует по крайней мере несколько сот лет) обусловлен не столько биологическими, сколько социальными факторами. И.С. Шкловский, В силу особенностей развития человека и человечества, его особого пути, не следует переносить примеры из остального животного мира и биоценозов на случай человека, развитие которого подчинено совершенно другим физическим, биологическим и социальным закономерностям. С.П. Капица, 1999 …мы подходим к принципиальному различию между животными и человеком … Животные могут использовать лишь те схемы коллективного поведения, которые заложены в них генетически, на уровне инстинктов, тогда как люди способны вырабатывать новые способы совместных действий по мере роста своей численности. А.В. Подлазов, 2000 Но есть ли в биологии примеры роста по гиперболическому закону?

Время в млн. лет до настоящего времени. А. В. Марков, А. В. Коротаев, Динамика разнообразия фанерозойских морских животных соответствует модели гиперболического роста Журнал Общей Биологии С N t = /(38 t) Число родов.

Рост популяции лейкоцитов в крови онкологических больных после пересадки им аутологичного трансплантанта гематопоэтических стволовых клеток идет по гиперболическому закону

Гиперболические законы скоростей роста компонентов и фаговых частиц Qβ при заражении фагом E. coli Eigen M. PNAS 2002;99: ©2002 by National Academy of Sciences Ордината – скорость синтеза белков фага (красная линия), голубые линии – РНК фага, зеленая линия – полноценные фаговые частицы.

Численность вида животных в зависимости от массы индивидуумов Если человек не выделился бы из всего природного животного мира, то его численность была бы порядка 100 тыс. Чем человек отличается от животных?

Физиологическое отличие людей от всех других животных Константа Рубнера Ru=Z max *q(O 2 ) Z max – Продолжительность жизни (годы), q(O 2 ) – интенсивность потребления кислорода (мВт/г средней массы) ОтрядКонстанта Рубнера Marsupialia (сумчатые)583 Primates (Приматы)2203 Pinnipedia (Ластоногие)1804 Proboscidea (Хоботные)1137 Homo sapiens3742

Изменение числа нервных клеток в ходе эволюции Физиологическое отличие человека от животных: Константа Рубнера (в 5-10 раз больше), Биоэнергетика мозга: Отношение скорости потребления кислорода мозгом человека к скорости потребления кислорода телом в 2,3 раза больше, чем у приматов

Организм человека генерирует больше свободной энергии, чем ему необходимо для выживания как представителю биологического вида Homo Этот избыток энергии может использоваться для реализации активности, направленной на изобретение «жизне-сберегающих технологий». Основная жизне-сберегающая технология овладение огнем – появление возможности преобразовывать потенциальную энергию природных ресурсов в свободную энергию. Появление человека в ходе эволюции – фазовый переход от биологической эволюции – биоэнергетического прогресса, развивавшегося по гиперболическому закону, к АНТРОПО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ПРОГРЕССУ, который можно оценить по увеличению количества и качества энергии, преобразуемой людьми в СВОБОДНУЮ энергию

«Сulture evolves as the amount of energy harnessed per captia per year is increased, or as the efficiency of the instrumental means of putting the energy to work is increased" Leslie White ( ) «Культура развивается, когда растет количество энергии, используемой на душу населения в год, или же когда растет эффективность инструментальных способов превращения энергии в работу" Leslie White ( )

Рост населения мира и потребление энергии, гг. (John P. Holdren, "Population and the Energy Problem," Population and Environment, Vol.12, No.3, 1991,. pp ) E~N 2 С 1850 г. относительный рост потребления энергии был в два раза выше, чем относительный рост населения мира С 1850 до 1990 г., мировое производство энергии выросло в 17 раз, а население - - в 4,3 раза.

Зависимость роста свободной энергии, располагаемой человечеством, от числа людей Рост энергетического потенциала человека E~N х е N – число людей е -- энергообеспеченность на душу населения

Мировой демографический переход ( г.) 1 – абсолютный прирост населения, осредненный за декаду, млн. 2 – относительный прирост % в год. По С.П.Капице

Что же нас ждет: ГАРМОНИЯ или ХАОС? АртурАртур Брагинский. Гармония и ХаосБрагинский

Линейный рост: М=kt Экспоненциальный закон: М=ket Степенной (Аллометрический) закон: M=kt n Гиперболический закон: M=k/(t max – t)

ТипКонстанта Рубнера Colenterata (кишечнополостные) Echinodermata (иглокожие)400 Mollusca (Моллюски)10000 Позвоночные(1,8-4,3)*10 5 Homo sapiens~10 6 Для характеристики эволюционного прогресса Э.Бауэр ввел энергетический показатель – константу Рубнера k=t*q(O 2 ) t – продолжительность жизни (дни), q(O 2 ) – интенсивность потребления кислорода (кал/кг массы/день)

Изменение сопоставимого стандартного обмена в процессе биологической эволюции в разных группах животных: 1 - Coelenterata; 2 - Crustacea; 3 - Mollusca; 4 - Teleostei; 5 - Amphibia; 6 - Insecta; 7 - Reptilia; 8 - Mammalia; 9 - Aves; 10 – Passeriformes А.И. Зотин, А.А. Зотин. Направление, скорость и механизмы прогрессивной эволюции, М. «Наука», 1999 Энергетический прогресс в эволюции идет по аллометрическому закону роста y = 16203x -1.5 R 2 = 0.94

Taeniopygia guttata (зяблик), b=1.98, Gallus domesticus (домашняя курица) b=3.25, Anas strepera (gadwall), b=4.47. Robert E. Ricklefs. Embryo development and ageing in birds and mammals. Proc. R. Soc. B (2006) 273, 2077–2082 Рост массы эмбриона соответствует степенной функции W=at b (И.И. Шмальгаузен,1927)

При росте эмбриона (живой системы) по степенному закону W=at b все его части растут пропорционально логарифмам размеров друг друга и логарифму массы всей системы (гармонично) – аллометрический закон роста (J. Huxley, 1927, И. Шмальгаузен, 1927) Краб – скрипач (Fiddler crab)

Росту эмбрионов животных и человека по степенному закону W=at b предшествует «лаг-фаза» (у человека – самая длительная). Во время лаг-фазы идет дробление яйцеклетки без заметного увеличения массы, а затем – стремительный набор массы с выходом на степенной закон роста. микрограмм микрограммы ! Гиперболический закон?

Был ли гиперболический рост человечества лишь первой фазой человеческой истории? Можно ли ожидать перехода на новую стадию роста, подчиняющуюся степенному закону???

Что же нас ждет: ГАРМОНИЯ – смена гиперболического закона роста на степенной закон роста и развития? или ХАОС – деградация человечества? ?