Модель «резиновая трубка

   Пояснить процесс массоэнергетического обмена, происходящего в дереве в течение сезона) может помочь другой  вариант модели колебательной системы – представление дерева в качестве эластичной (упругой, например, резиновой) трубки, наполненной жидкостью (соков, циркулирующих в системе «дерево» в течение сезона по вертикали).

   Сначала для простоты представим, что, во-первых, колебательный процесс стационарный, что соответствует отсутствию прироста дерева (что физически невозможно, но при относительно малом приросте в многолетнем дереве  им можно пренебречь в данном рассмотрении). Во-вторых, что в любом сечении по высоте суммарный диаметр (и площадь сечения) «единого» ствола и «единого» корня (т. н. «условного» дерева)  одинаковы (считаем, что все ветки и корешки сложены в один пучок, что все листья вынесены на периферию и что диаметр всех волокон одинаков и постоянен по длине). Полагаем также, что сверху и снизу резиновая трубка упирается в ограничивающие по высоте (или глубине) стенки, что соответствует отсутствию прироста дерева по длине. Тогда весь прилив массы соков пойдет на расширение резиновой трубки.

   Если такую трубку сжать с одной стороны, а затем отпустить, то в ней начнутся незатухающие колебания (потерями пренебрегаем), при этом масса соков будет волнообразно перемещаться вдоль трубки, поочередно отражаясь от верхней и нижней стенок.  При этом диаметр трубки будет пропорционален количеству погонной массы жидкости (массы на единицу длины дельта М/дельтаL) в данном сечении, которая создает также пропорциональное ее величине внутреннее давление d. (Заметим, что это давление измеряется относительно средней величины, равной нормальной величине атмосферного давления d o, при котором диаметр трубки D одинаков во всех сечениях. Поэтому величина давления d, аналог величине напряжения U в электрической модели, может быть как положительной, так и отрицательной. Положительное давление соответствует избыточному давлению на стенках трубки в случае «распирания» ее изнутри приливной волной соков. Отрицательное давление соответствует сжатому состоянию трубки, в которое ее приводит всасывающая сила отливной волны, т. е. сдавливающая сила внешнего атмосферного давления d o на трубку, оказавшуюся без отсосанной жидкости).

  Этот процесс иллюстрируется на рис. 5, где показано распределение внутренних (осмотических) напряжений U, пропорциональных давлению d и пропорциональных погонной массе дельта M/дельта  L   перемещаемых соков с общей массой М о (т. е. переменной - циркулирующей - части сырой массы дерева Мо) вдоль длины дерева (по вертикали, где + Н – высота, а – Н – глубина данного сечения дерева) в различные фазы сезонного вегетативного цикла с периодом Т - с кратностью до 1/8 Т:    

   U пропорционально = d = f (t; дельта M/дельта  L)       (4)

  Данные графики давлений (для  каждой фазы сезона) для  наглядности построены зеркально с двух сторон по отношению к вертикальной оси дерева (слева и справа от нее одновременно, правильный знак у правой кривой), что позволяет визуально представить, как расширяется или сжимается трубка, (имитатор дерева), т. е. как изменяется толщина условного реального дерева. 

   На самом деле, так нарастает не диаметр реального дерева, а толщина его  живой коры (которую будем называть слоем камбия) ствола/корня дерева по его длине, т. е. только его прирост сырой массы( за счет циркулирующей ее части в дереве в течение сезона). Поэтому, переходя к модели реального дерева в качестве резиновой трубки, правильно было бы представить ее охватывающей находящийся внутри твердый стержень меньшего диаметра (чем у трубки), являющийся аналогом древесной части ствола. При этом циркулирующая жидкость в такой модели находится между стенками стержня (внешней его поверхности) и резиновой трубки (внутренней ее поверхности). Пространство между стенками, заполненное жидкостью (соком, раствором, или - в терминах модели -  сырой массой), является аналогом камбиального слоя у реального дерева.

   Это поясняется графически на рис. 6, с единственной оговоркой, что приросты колеблющейся сырой массы в сечении дерева (для основных фаз сезонной вегетации) здесь показаны не относительно неизменного в диаметре древесного стержня, (т. е.как у нерастущего дерева, что условно принято для упрощения на рис. 5), а относительно нарастающей толщины древесной части ствола реального растущего дерева. Однако на этом рисунке, для большей наглядности, дан «крен» уже в другую сторону от истины: здесь условно считается, что весь прирост сырой массы переходит в прирост древесины (и т. о. толщины ствола и/или корня), хотя реально в древесину переходит в основном лишь сухой остаток от прошедшей волны соков (растворов), который количественно имеет на два – три порядка меньшую величину. Но такие малые величины просто невозможно отобразить графически, а для пояснения сути рассматриваемого явления такая «масштабная» ошибка (вернее - «приписка») не имеет принципиального значения.

/Если бы приросты массы – сырой или тем более сухой – отражались на рисунке в натуральной пропорции, то их относительная величина на превышала бы относительной толщины годовых колец реального дерева/.

Пояснения к нарастанию толщины, массы и энергии реального дерева в течение сезона

   На рис. 6 и 7 показаны процессы нарастания сырой и сухой массы вдоль ствола/корня молодого деревца – саженца однолетки, в вертикальном и горизонтальном сечениях соответственно, также для 8-ми основных вегетативных фаз сезона. Сырая масса показана на рис. 6 заштрихованной зеленой областью, что соответствует толщине камбиального слоя, а древесная масса отображена незаштрихованной центральной областью (единого условного ствола или корня). Видно, что толщина камбиального слоя соответствует приведенным на рис. 5 графикам для толщины слоя прироста сырой массы (соков).

   На рис. 7 показаны внешний и внутренний диаметры камбиального слоя (в принятом понимании, см. выше) для двух крайних сечений по длине условного дерева – для вершины и для корня, в разных фазах вегетативного сезонного цикла. Видно, что нарастание толщины условного дерева происходит волнообразно в течение сезона и асимметрично для надземной и подземной его частей. В первой половине сезона вместе с приливом в крону соков восходящего потока нарастает внешний диаметр условного ствола за счет увеличения толщины камбиального слоя, (содержащего сырую массу); а во второй половине сезона внешний диаметр не растет, но зато к нему прирастает внутренний диаметр камбиального слоя (его догоняет, как хвост растянувшейся гусеницы «оторвавшуюся» голову). При этом увеличивается (внешний) диаметр древесной части ствола дерева, которая прирастает за счет вызревающих и отдающих влагу внутренних частей камбиального слоя.

   В реальном дереве – в отличие от рассмотренного условного – происходят гораздо более сложные процессы (которые и сам автор знает весьма поверхностно, поэтому в трактовке модели он может допускать ошибки, хотя общие физические принципы колебательной модели остаются незыблемы). В частности, например, расширение камбиального слоя «сырой массы» на вершине ствола условного дерева можно трактовать как увеличение сырой массы листьев и новых приросших веток в кроне реального дерева, а не только как набухание (утолщение коры) старых веток, входящих в состав единого ствола «условного» дерева, как принято в модели. (Аналогична ситуация и с корневой системой реального дерева, где в моменты прилива соков происходит максимальное набухание как корневых окончаний – новых, приросших в этом сезоне - так и слоя камбия у старых. Заметим попутно, что набухание корневых всасывающих волосков приводит к увеличению их поверхности соприкосновения с почвой, что способствует увеличению интенсивности усвоения ими питательных веществ из земли и т. о. скорости накопления потенциальной энергии корневой системой.)

   Таким образом, графики и эпюры, изображенные на рис. 6, помимо простого изменения количества соков в камбиальном слое старых веток или корней, отражают также изменение структуры тканей дерева и состава его элементов в зависимости от его расположения по высоте: ближе к его концам – верхнему и нижнему. На периферии кроны и корневой системы – увеличивается (и достигает максимума в фазах ½Т  для кроны и фазах 0 и 1 Т для корней) содержание новых «зеленых» элементов с высоким содержанием воды (соков, растворов): для кроны это листья, молодые ветки и завязи плодов, а для корневой системы – молодые корни, всасывающие волоски. При этом в те фазы, когда количество молодых («зеленых», вегетативных) тканей в надземной части достигает максимума (1/2 Т), их количество в подземной системе становится равным нулю;  и наоборот, в фазах 0 и 1Т, где максимума достигает количество сырой массы (в основном соков) в корнях, в кроне ее содержание минимально.

   В фазах сезонного цикла ¼ и ¾  Т баланс молодых тканей в обеих частях дерева, симметричных (приблизительно) относительно поверхности земли, одинаков, с той лишь разницей, что в корнях их количество в это время нарастает, а в кроне – падает, (т. е. первая производная от функций их изменения имеет разные знаки). В эти фазы скорость нарастания сухой массы в ветках кроны и корнях, т. е. величина прироста сухой массы, (характеризующая интенсивность обменных процессов), достигает максимума, тогда как прирост энергии в тканях дерева становится равным нулю (см. кривые 1 и 2 на рис. 1в и рис. 1г).

   С другой стороны, прирост энергии в тканях дерева достигает максимальной величины в фазах «статического» состояния дерева (0, ½ и 1Т), когда на верхнем и нижнем концах дерева имеет место максимальный наплыв или отток соков, что соответствует максимальному или минимальному давлению (относительно атмосферного). Фазе 1/2Т соответствует максимальная скорость роста (т. е. прирост) энергии в вегетативных тканях кроны и в древесных тканях корней, а в фазах 0 и 1Т имеет место наиболее быстрый прирост энергии в вегетативных (новых) тканях корневой системы и в древесных тканях кроны (где сахара и крахмал переходят в жиры).

О РАЗЛИЧИИ ПРИРОСТОВ СЫРОЙ И СУХОЙ МАССЫ

   Следует еще раз вернуться к рассмотрению принципиальной разницы между приростом сырой массы дерева (и его надземной и подземной частей), определяемой перемещением циркулирующей массы соков (кривые 2 и 3 на рис.1б), и приростами сухой (древесной) массы (зеленая кривая 1 на рис. 1в).

  Изменение количества сырой массы в элементах дерева определяется, главным образом, сезонным притоком соков в них и наибольшей амплитуды достигает в концевых элементах дерева (кроны и корня), а именно в его листовом и в «корневсасывающем» аппаратах. Это изменение (т. е. прирост сырой массы) характеризуется величиной потока соков дельта М/дельта t, имеет колебательный характер и происходит оно противофазно в кроне и корневой системе, достигая максимальной скорости в фазах ¼ и ¾ Т. Период Т такого колебательного процесса равен году (сезону). Само количество «сырой» массы в тканях над- и подземной частей дерева (в кроне и корневой системе) достигает максимального значения в фазы (сезонного цикла) 1/2Т для кроны и 0 и 1Т - для корня. (Кривые 2 и 3 на рис. 1 б). 

   А изменение приростов «сухой» массы происходит в два раза чаще (с периодичностью 1/2Т) и главным образом в центральных частях дерева. По вертикальной оси, или по длине дерева, этот прирост сосредоточен в области корневой шейки,  т. е. в первую очередь в штамбе. А в горизонтальной плоскости он группируется ближе к центру - по радиусу - в сечении скелетных  его частей, надземных либо подземных, (т. е.  ветвей и штамба кроны и скелетных корней), накапливаясь прежде всего в срединных, «сердцевинных» областях в виде особо «калорийных» веществ, содержащих наиболее высокое количество химической энергии. (Кривая 4 на рис. 1б; кривые 1 и 2 на рис. 1в).

 /Заметим, что в горизонтальной плоскости сечения ветвей и корней находятся только для условного  дерева, которое для упрощения мы рассматриваем, в реальном дереве ветви и корни могут иметь любое расположение, вплоть до отрицательных углов, так что сечения ветвей и корней могут располагаться в пространстве как угодно – например, вертикально для горизонтальных ветвей и корней. Это не меняет сути – главное, что приросты сухой массы направлены по радиусу: наружу при приросте сухой части массы - элементов дерева - в составе  вегетативной (зеленой, ростовой) массы ветвей (максимальном в фазе ¼ т); и во внутрь при «сухом» приросте древесной части ветвей (максимальном в фазе 3/4Т), происходящем за счет преобразования выросшей за сезон вегетативной массы./

   Наиболее мощный прирост сухой массы наблюдается у основания дерева (в районе корневой шейки), что особенно сильно выражено у молодых деревьев, имеющих листовой аппарат по всей высоте дерева (так он должен быть выражен и у колонновидных деревьев, с которыми автор не работал), как это показано на рис. 3а. Это объясняется большим сосредоточием токов в центральных сечениях дерева, находящихся у его основания, где больше волокон «минисистем» «лист – волокно – всасывающий корневой волосок». /По-видимому,  именно это объяснение лежит в основе подмеченного известным ученым биологом Анзиным явления сильного прироста ствола дерева у корневой шейки, которое сигнализирует о хорошем состоянии дерева. К тому же это явление усиливается, по-видимому, «сопротивлением» сокодвижению в месте прививки и плохого сращивания подвоя и привоя. Подобно тому, как это происходит в последовательной электрической цепи, где выделяемая мощность на отдельных ее участках пропорциональна величинам их сопротивлений, в месте корневой шейки локально выделяется  значительная «ростовая мощность»/.

   Процессы сезонного прироста сухой массы и энергии в дереве во времени показаны на рис. 1 в и г; а в пространстве (по длине условного дерева) их характеризуют эпюры, представленные на рис. 3 а, б и в соответственно для юных, молодых и старых деревьев. Здесь приросты сухой массы дерева по его длине пропорциональны распределению вдоль длины колебательной модели (аналога условному дереву) кинетической энергии системы, а приросты химической энергии в тканях дерева пропорциональны  распределению потенциальной энергии.

ОБЩАЯ ЧАСТЬ

ГИМН КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ

   Колебательная система является «кирпичом мироздания», поскольку объединяет основные физические субстанции – массу и энергию в разных ее видах, статических (потенциальных) и «динамических» (кинетических) – в пространстве и времени. Например, электрический контур способен содержать в конденсаторе энергию в статическом, потенциальном виде (электростатического поля), а в индуктивности она содержится в «электродинамическом» виде (переменного магнитного поля). Причем при переходе электрической энергии в магнитную и обратно образуется электромагнитное поле - излучаемое в открытой колебательной системе - которое способно распространяться на большие расстояния (практически без потерь в свободном пространстве) со скоростью света. (Примером являются солнечные лучи). В этом явлении содержится связь энергии, массы, пространства и времени в соответствии с формулой Энштейна E=mC (квадрат).

   /Заметим, что статические поля, присущие «апериодическим» «линейным» материальным объектам не способны к далекому распространению, т. к. быстро затухают при увеличении расстояния/.

    Колебательная система, как уже говорилось во введении, является «элементом сложности» материального мира, природы и, на высшей фазе ее развития – жизни. В ней (колебательной системе) содержится диалектическое начало жизни, описываемое философскими законами «единства и борьбы противоположностей», «отрицания отрицания», «перехода количества в качество», «спиралеобразного развития».

   Так, например, «закон единства и борьбы противоположностей» - применительно к колебательной биосистеме «дерево» - проявляется в поочередном развитии одного за счет другого двух (противоположных относительно поверхности земли) частей дерева, над- и подземной, т. е. кроны и корневой системы. Или, другими словами, в постоянном обмене элементов дерева массой и энергией, причем энергия также переходит из одного вида в другой и обратно.

   Закон «перехода количества в качество», применительно к колебательной системе «дерево», отражает переход количества «ростовой» зеленой массы, накопленной деревом на первых фазах вегетативного сезонного цикла, в химический концентрат «энергозаряженной» массы (древесины и содержащихся в ней запасов высококалорийных и биоактивных веществ) – происходящий во второй половине сезонного цикла.

   Закон «отрицания отрицания» проявляется в противофазных – по знаку давления - состояниях клеток дерева на разных концах дерева (верхнем и нижнем) или его элементах – корнях и кроне; притом что они постоянно изменяются и меняются местами.

   Закон «спиралеобразного развития» напрямую отражает периодический   (т. е. колебательный, волнообразный) нарастающий характер развития молодого растущего дерева.

     Т.о. колебательная система есть основной элемент жизни, поскольку в динамике объединяет два противоположных свойства (возможных полярных состояния) в одном элементе, (что увеличивает ее адаптационные возможности по самосохранению в изменяющихся условиях окружающей среды), а именно: способности к максимальной концентрации сил и энергии в ее динамической форме, соответствующей активной фазе жизни в определенных - благоприятных – условиях; и способности к максимальной степени «расслабления», (полного покоя) или, наоборот, максимального  статического напряжения в фазах жизни, соответствующих неблагоприятным условиям или враждебному окружению, когда ее вся энергия переходит в потенциальную форму, а сама система в статическое  (пассивное) состояние.

   (В более сложных системах, состоящих из нескольких колебательных систем, эти два противоположные состояния в одном объекте могут присутствовать одновременно в разных его элементах – частях. Такое имеет место, например,  в биосистеме «дерево», состоящей из двух связанных колебательных систем, для подземной и надземной частей. В этой системе у противоположных – относительно земной поверхности – элементов, верхушки кроны и концов корней – в фазах покоя, зимой и в середине лета - имеют место два полярных состояния: на одном конце - полного «расслабления», а на другом – максимального напряжения. Через половину периода сезонного цикла эти два состояния меняются местами.).

   Колебательная система является простейшим элементом материального мира, находящимся в состоянии динамического равновесия. Это дает ей огромное  преимущество в устойчивости при воздействии внешних сил перед статическими и линейными апериодическими (т. е. не колебательными) системами или объектами материального мира (подобно тому, как движущийся велосипедист благодаря инерции и возможному колебанию руля имеет гораздо большую устойчивость, чем стоящий на месте велосипедист). Колебательная система способна накапливать и содержать в себе компактно в пространстве значительную энергию - в статическом и/или динамическом виде, переходящую из одного вида в другой – которая при необходимости может выделяться концентрированно во времени (и пространстве) и т. о. быть использована для преодоления встечающихся помеховых воздействий.

  С другой стороны, благодаря своим избирательным (резонансным) свойствам такая колебательная система позволяет выделять полезные (положительные) воздействия (окружающей среды), используя их для саморазвития и повышения запасов внутренней энергии, и «режектировать» (т. е. «отражать», подавлять) вредные, «помеховые» (отрицательные) воздействия среды. Это ценнейшее свойство колебательных систем (конкретно, электрических контуров, на базе которых построена вся радиотехника) называется «фильтрацией», а сам  контур является простейшим «фильтром». Такие фильтры бывают как «пропускающие» (обычные, усиливающие нужные электромагнитные «сигналы», т. е. воздействия, в широком смысле), так и «режекторные», или «заградительные», которые специально настраиваются на частоты вредных сигналов (воздействий). Совместное объединение таких «положительных» и «отрицательных» фильтров позволяет создать очень сложные («высокоадаптивные») системы, т. н. сложные фильтры, или фильтры, приспособленные для приема, выделения среди шумов и помех, а также обработки «сложных сигналов». (Теории фильтрации, спектрального анализа и обработки сложных сигналов лежат в основе всей современной радиотехники и теории информации).

   Сложность системы определяется общим количеством внутренних независимых корреляционных связей между всеми ее элементами, т. е. зависит от количества независимых элементов системы и числа степеней свободы каждого. Для т. н. «простых» систем, состоящих из «апериодических» (не колебательных) элементов, т. е. стационарных либо линейно движущихся, коэффициет сложности К сл п пропорционален количеству элементов n в первой степени.  А для «сложных» систем, строящихся на базе «динамических» колебательных систем в качестве элементарных «кирпичей», коэффициент сложности К сл к будет пропорционален величине n к (квадрат) = К сл к. /Физически это означает, что суммарная пиковая (мгновенная, импульсная) мощность Ри, получаемая при сложении мощностей (предполагаем равных) n а апериодических элементов, в простых системах возрастает просто пропорционально числу элементов: n а (в степени 1); а для сложных систем, в случае синфазного сложения n колебательных элементов n к,  импульсная мощность возрастает пропорционально количеству элементов в системе n к (в степени 2). Т. е. в первом случае - некогерентных элементов простых систем – их усилия складываются по мощности, а во втором случае – колебательных элементов сложных (организованных) систем, их усилия складываются синфазно, или по напряжению /.   

   На пути естественной эволюции материи (земной природы) из состояния хаоса до цивилизационной самоуправляемой ноосферы (по Вернадскому) переход от использования ею простых линейных элементов  - «кирпичей мироздания» - к сложным колебательным элементам был революционным прорывом от простого количественного развития материи (которое правильнее было бы назвать ростом), к сложному качественному (интенсивному, а на определенной фазе и лавинообразному-экспотенциальному), в результате которого только и могла возникнуть жизнь.

   Примечания.

     1.Только что, после написания этой статьи, мне сообщили (в пересказе) об одной новой научной гипотезе, (или даже открытии), согласно которому все материальные объекты состоят из микрострун, т. е. механических колебательных микросистем. Это подтверждает ход моих умозаключений о значении колебательных систем для развития материи, в результате которого возникла жизнь.

     2. Известный советский ученый-философ Р. В. Ильенков, (погибший 25 лет назад), юбилей которого отмечался недавно, разработчик теории «идеального» в историческом процессе,  получил всемирное признание главным образом за открытие «принципа относительности» применительно к категории «идеального»  (т. е. разного его понимание в человеческом обществе на разных этапах его исторического развития, вплоть до полярных представлений). Т. е. он впервые ввел диалектический (относительный, «динамический» в историческом понимании) подход к понятию «идеального» (характеризующего основную цель человечества в общем виде - в его историческом развитии); в отличие от принятого до него с древнегреческих времен абсолютного («статического») понимания философской  категории «идеального» как «возвышенного», «прекраснодушного» и т. п.  Этим он «оживил» статическое материалистическое представление учения «диалектического и исторического материализма»  об общественном  «идеале», основанное на понимании сознания только из физиологических предпосылок в соответствии с павловской теорией рефлексов, показав, что вслед за развивающейся нарастающими волнами (по восходящей спирали) историей меняется и вектор ее развития, т. е. понятие «идеала». (Иногда история временно развивается вспять, «отхлынивает», откатывает, как волна, если опередила свое «среднее значение», положенное на данный исторический период. Так, как это случилось с нашей страной, вставшей на социалистический путь несколько раньше, чем это соответствовало общепланетному, общечеловеческому развитию.)

    По сути, он ввел в категорию «идеального» понятие «колебательности», как основы жизни, во всей ее диалектической противоречивости и волнообразном развитии. Эти мысли также коррелируют с моими рассуждениями в этом разделе о роли колебательной системы, как «кирпича» жизни.