«ЖИЗНЕННАЯ» ЦИКЛИЧНОСТЬ БИОСТЕМ

   Помимо сезонной (и суточной), существует также и явно выраженная цикличность развития биосистем на протяжении его естественной жизни, которую назовем условно «жизненной». Естественную биологическую жизнь условно можно разбить на четыре основные фазы.

   Первая четверть жизни – период усиливающегося роста, достигающего максимума по интенсивности в конце этой фазе, в момент ¼ Т, (где Т – продолжительность жизни). Это – весна жизни. (Например, конкретного для человека, у которого нормальная продолжительность жизни 80 лет, этот счастливый период длится до 20 лет, пора детства и юности).

   Вторая четверть – ослабление интенсивности ростовых процессов до нуля (в фазе ½ Т) и начало подготовки к созреванию. Это – жаркое лето жизни. (На примере того же человека это период активной молодости – от 20 до 40 лет).

    Третья фаза – от ½ Т до ¼ Т – период нарастающей интенсивности созревания организма, заканчивающий пиком его зрелости, когда его отдача для внешнего мира достигает максимума – это возраст от 40 до 60 лет для нашего «нормального» (т. е. среднего) человека. В этот период «созревания» происходит качественная (т. е. внутренняя) переработка биосистемой всех накопленных на первой фазе его количественного развития (правильнее – роста) материальных ресурсов из внешней среды, «сырья» («сырого материала, массы). /Для человека это период максимальной отдачи обществу за счет всего, что оно в него вложило – как просто пищи, одежды, ухода и пр., до знаний, воспитания, «культуры»/. Это период золотой осени человека, плодового дерева (они, кстати, довольно близки по сроку биологической жизни).

   И четвертая, заключительная фаза развития биосистемы – период постепенного угасания. Это – холодный конец осени с переходом на начало зимы.  Для человека – это период 60-80 лет, в начале которого он еще находится на пике своей полезности обществу, а в конце – только обуза для него.

   У старого же дерева может наступить и пятая фаза – возрождения, когда из усохших веток начинают вновь пробиваться молодые побеги – волчки, и оно начинает как бы новый цикл роста. Такое дерево уже не сможет восстановиться (хотя при помощи квалифицированной помощи от человека и правильной сильной обрезки оно еще способно некоторое время пожить и даже сохранить потомство для передачи сорта в виде семечка плода или черенка). Однако само возникновение новой волны роста подтверждает волновой (циклический) характер развития биосистем.

  На первый взгляд, говорить о сильно выраженных колебательных свойствах в «жизненной» цикличности нельзя, поскольку в системе с одним периодом колебаний невозможно получить большую добротность, характеризующую степень «колебательности» системы. Однако, это неверно, и здесь следует под биосистемой понимать уже систему более высокого  уровня – все общество (или вид растений) на протяжении его существования, складывающемся из продолжительности жизней многих поколений. Так задумано природой, что из этих разорванных во времени элементов точно также складывается жизнь всей биосистемы (вида растений или общества), как из материальных элементов одного времени сложная конструкция.

   Каким образом генетически передается временной код для синхронизации процессов отдельных элементов (общества или вида), связывающих их в систему – для меня загадка, но, по-видимому, это происходит подобно тому, как это делается природой для муравейника, где отдельные муравьи не знают общих целей системы, но выполняют необходимые функции для ее существования, предписанные им природой.

   Ясно только одно, что из жизненных циклов отдельных особей складывается и жизненный цикл системы в целом, например, того же общества. Отсюда и периодичность его развития (между революциями, войнами, демографическими взрывами и спадами, фазами подъемов и спадов наций, периодами героическими и национальных апатий), конфликты отцов и детей (как в отдельных семьях, так и в поколениях) и т. п. И вполне очевидно, что эти циклы тоже можно рассчитывать, что я и делаю в своих политических и исторических прогнозах).

КРАТКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.          На базе известных закономерностей циклического сезонного массоэнергетического обмена в дереве предложена физическая модель в виде колебательной системы (в основном электрического контура), имитирующая эти процессы с помощью параметров-аналогов (например, заряд эквивалентен массе, ток в контуре - потоку соков, напряжение на емкости – осмотическому давлению в клетках и т. п.). Эта модель условно названа «временной», поскольку описывает временные процессы в дереве (по аналогии с названной «пространственной» другой моделью, предложенной ранее, которая позволяет установить влияние параметров кроны на продуктивность дерева /2/). Использование хорошо известной физической модели позволяет наглядно (синхронно во времени) отобразить различные процессы массо- и энергообмена реального изучаемого биообъекта (дерева) с помощью графиков, что облегчает усвоение материала учащимися.

2.          Сезонный цикл удобно представить состоянием дерева в 8-ми характерных точках периода колебаний, соответствующих определенным фенологическим фазам сезонного развития: 0Т; 1/8Т; 2/8Т; 3/8Т …….7/8Т; 8/8Т. В зоне Подмосковья было принято считать, что эти временные точки сезона соответствуют следующим дням календаря: 20 апреля (пробуждение деревьев после зимней «спячки», начало сезонного цикла); 13 мая; 5 июня (первая четверть сезона), 28 июня; 20 июля  (середина сезона); 12августа; 5 сентября (третья четверть сезона); 27сентября; 20 октября (конец сезона, начало зимней «спячки»). Период зимнего «сна» деревьев - практически ровно полгода для этой зоны - из годового цикла исключается («выкусывается»).

3.          С помощью графиков на рис. 1а, б, в, г; рис. 3а, б, в; рис. 4а,б; рис.5, рис.6 и рис. 7а, б показаны следующие сезонные зависимости.

Изменение сырой массы кроны и корней в течение сезона в абсолютных величинах (рис. 1а, кривые 3 и 4).

          Изменение интенсивности прироста сухой (древесной) массы кроны и     корневой системы в абсолютных величинах (рис.1а, кривые 1 и 2).

Изменение сырой массы кроны и корней в течение сезона (в абсолютных величинах) относительно поверхности земли, т. е. потока соков, или «кривая сокодвижения» (рис. 1а, кривая 1 и рис. 1б, кривая 1).

          Изменение давления на вертикальных концах дерева (вершине ствола и   нижних концах корней) – кривые 2 и 3 на рис. 1б.

         Изменение относительных величин сырой массы кроны и корней, т. е. переменной в течение сезона части общей сырой массы - в кроне и корнях - (по отношению к средней ее величине за сезон). Кривые 2 и 3 на рис. 1б.

       Изменение интенсивности ростовых (обменных) процессов в дереве в течение сезона (рис. 1б, кривая 4).

       Нарастающий интегральный прирост сухой массы дерева в течение сезона, состоящий из прироста сухой массы кроны (в первой половине сезона) и корней (во второй половине сезона), кривая 1 на рис. 1в.

       Нарастающий интегральный прирост энергии (в основном в химическом виде) в дереве в течение сезона, состоящий из прироста энергии в корневой части (в первой половине сезона) и в кроне (во второй половине сезонного цикла), кривая 2 на рис. 1в.    

       Изменение толщины дерева (в сечении у его основания) в течение сезона (рис. 1в, кривая 3).

       Изменение потенциальной и кинетической («динамической») энергии в колебательной модели, соответствующие в реальном объекте (дереве) интенсивности процессов накопления энергии и вещества (сухой массы) соответственно (кривые1 и 2 на рис.1г).

       Распределение потенциальной и кинетической энергии (соответствующее генеративным и вегетативным процессам) вдоль ствола дерева в течение сезона, для трех возрастов дерева – саженец, молодое дерево и старое дерево (соответственно на рис. 3 а, б и в).

      Распределение величины потоков соков и давлений (токов и напряжений в модели соответственно) вдоль ствола дерева (от нижних концов корней до верхних концов ветвей) в течении сезона для деревьев двух возрастов: саженца и взрослого дерева (рис. 4 а, б – где красная линия  обозначает ток, зеленая – давление в элементах кроны, синяя – давление в корнях).

     Изменение величины давления, выраженное графически как толщина слоя камбия, вдоль длины дерева (по вертикали) в течение сезона (относительно средней величины, приростом абсолютной величины этого слоя в сезоне пренебрегаем). Рис.5.

     Изменение величины прироста зеленой массы (толщины слоя камбия) и прироста древесной массы (толщины древесного ствола), а также общее нарастание толщины ствола по всей длине дерева по вертикали (от концов корней до концов верхних ветвей) в абсолютных величинах в течение сезона. Рис. 6.

     Нарастание общей – условной - толщины ствола (суммы ветвей) и толщины условного корня (суммы корней)  на обоих концах дерева, верхнем и нижнем, (т. е. их внешнего диаметра); толщины древесной части ствола и корня (внутреннего диаметра слоя камбия); а также толщины самого слоя камбия (расположенного между внешней поверхностью ствола и древесной его частью (как принято для упрощения) в течение сезона. Рис. 7а, б.

4.          Основные закономерности сезонного массоэнергетического обмена в дереве, поясняемые при помощи физической «временной» модели (см. рис. 1, 3-7).

Масса соков, составляющая основную часть сырой массы дерева, циркулирует (по синусоидальному закону) по вертикальной оси (условного) дерева, в первой половине сезона вверх, от корней в крону, а во второй половине сезона обратно, вниз, из кроны в корни.  

       Интенсивность роста (величина прироста в единицу времени) сухой массы дерева (древесной, конечной – а не сырой, включающей в основном переменную массу соков, циркулирующих в дереве) – имеет два пика в течении сезона – в фазах ¼ Т и ¾  Т. Первый из них соответствует приросту кроны, а второй – приросту корней. Т. е. пики роста корней и кроны сдвинуты по фазе на полпериода. Кривая 4 на рис. 1б.  Интегральный прирост сухой массы дерева в течение сезона показан при кривой 1 на рис. 1в.

       Интенсивность накопительных процессов энергии в дереве сдвинута по фазе на одну четверть периода относительно фаз максимумов ростовых процессов в нем и приходится на фазы сезонного цикла 0Т, ½ Т и 1Т. Причем фаза ½ Т соответствует максимальной скорости (интенсивности) прироста энергии для надземной части дерева (кроны); а фаза 0Т=1Т соответствует максимальной интенсивности прироста энергии подземной части дерева (корней). Интегральный прирост энергии во обоих (надземной и подземной ) частях дерева в течение сезона демонстрируется кривой 2 на рис. 1в.

      Фазы максимального роста и созревания (прироста древесной массы) элементов кроны сдвинуты по фазе на полпериода (аналогично это верно и для корней).

      Прирост толщины дерева в сечении, а соответственно толщины камбиального слоя и древесной части ствола, происходит в течение сезона волнообразно, приливами. Причем фазы этих приливов (и отливов, если считать толщину относительно средней составляющей сезонного прироста), для элементов кроны (ветвей) и корней сдвинуты по фазе на полпериода. (Рис. 6 и 7). Кроме того, прирост массы камбия (вегетативной, «зеленой» массы) – так же как и прирост древесной массы, происходящий со сдвигом по фазе на полпериода – происходит неравномерно по всей длине дерева: он максимален на его концах и минимален в средней части дерева (у его основания); а прирост древесины, наоборот, имеет максимальную величину в области корневой шейки дерева и минимальную – на его верхнем и нижнем концах (кроны и корней). Это отражается в разнице вегетативного и генеративного приростов и их составляющей в общей массе дерева по его длине (т. е. по его высоте, или, по-другому, в зависимости от удаления элемента дерева - ветви или корня – от основания дерева).

   Другими словами – в средней части дерева (штамбе и скелетных ветвях и корнях) происходит основной прирост (сухой) массы дерева, а в концевых частях дерева (на периферии кроны и корневой системы) происходит основной массоэнергетический обмен и прирост потенциальной (химической) энергии и ее носителей – генеративных образований. (Последнее наиболее сильно выражено у старых деревьев, у которых вся листва вынесена на периферию кроны). Рис. 3в.

   Прирост толщины ветвей происходит по наружному диаметру в первой половине сезона, нарастая за счет увеличения толщины слоя камбия; а во второй половине внешний размер ствола и ветвей остается неизменным, но зато начинает увеличиваться толщина (и соответственно диаметр) древесной части ствола (и веток). При этом толщина слоя камбия уменьшается до минимума (так «вызревают» ветви, подготавливаясь к зимним невзгодам). Рис. 7б.

   В сечении корней в то же время происходит обратная картина: в первой половине сезона внутренний диаметр слоя камбия, равный диаметру древесной части корня, «догоняет» внешний диаметр корня, который в этот период остается неизменным. А во второй половине сезона уже «древесный» диаметр остается постоянным, зато начинает быстро нарастать слой камбия и вместе с ним толщина (и наружный диаметр) корня. Рис. 7 а.

   Важные примечания.

1. Вышеприведенные результаты и рассуждения относятся к «условному» дереву, принятому в качестве реального аналога предложенной физической (колебательной) модели, которое имеет ограниченную длину сверху и снизу; и у которого весь прирост зеленой массы идет на увеличение толщины слоя камбия (его «набухание»). В реальном дереве, с неограниченной высотой и глубиной, приросты зеленой вегетативной массы на периферийных элементах дерева будут направлены в первую очередь в длину – в соответствии с апикальным законом развития ветвей, и проявляться  в виде приростов  молодых зеленых образований (веток, листьев, завязей плодов).

2. В условном дереве предполагается также, что вся сырая перемещаемая масса (соков) находится в слое камбия, который расширяется пропорционально количеству содержащихся соков данном сечении. На рис. 6 такой условный слой «камбия» заштрихован зеленым цветом. В реальном дереве сокодвижение происходит во всех волокнах древесной части ствола, а камбий представляет собой всего лишь тонкий слой между живой древесной частью ствола и сухой отмершей корой, в котором происходит прирост дерева в толщину (сначала происходит внешний прирост «зеленых» вегетативных тканей, а затем преобразование их изнутри слоя в древесные) .

   5. Формирование «колебательных» свойств реального моделируемого биообъекта «дерево», (позволивших перейти к его рассмотрению и изучению при помощи колебательной модели-аналога) обусловлено таким природным фактором, как вращение Земли вокруг Солнца при наклонной оси собственного вращения. Именно последнее обстоятельство приводит с циклической смене климата в течение года, от условий, вполне благоприятных для жизнедеятельности растений, до экстремальных, на пределе их адаптационных возможностей по выживанию. В результате многих миллионов лет адаптации дерево смогло выработать собственный механизм приспособления к изменяющимся условиям климата и суровым условиям зимнего периода (и экстремальным «выбросам» летнего), заключающийся в приобретении «колебательных» свойств (описанных выше), обеспечивающих огромные преимущества в борьбе с окружающей стихией (включая биологических конкурентов). В частности, «колебательный» механизм приспособления позволил стать дереву многолетним растением (со всеми его преимуществами).

   А проявляется этот «колебательный» механизм у дерева в том, что оно имеет генетически заложенную способность заранее и постепенно перестраиваться под внешние, «известные» ему изменения климата. Если выражаться техническим языком, оно имеет собственную резонансную частоту, совпадающую с частотой внешнего природного воздействия, что позволяет ему усиливать (накапливая) положительные воздействия внешней среды, и одновременно отфильтровывать негативные воздействия (пропускать зимний удар климата «через себя» с минимальными потерями). В этой замечательной адаптационной способности колебательной системы, как элемента организованной материи, заключающейся в способности кардинально (иногда полярно) изменять свое состояние (от полного напряжения сил и до полного «расслабления», покоя; и/или  от максимально динамической формы существования до статической) и есть ее огромные и бесспорные преимущества перед «линейными» или «апериодическими» элементами материи, позволившие ей стать основой для возникновения жизни.   

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

   Автор сознает, что данная работа настолько же спорна, насколько и «сыра», если подходить к ней с высокими мерками профессионалов в каждой из упоминающихся областей знаний: биологии и физиологии растений, садоводства, физики и пр., поскольку по профессии он всего лишь инженер, а в садоводстве - самоучка. Тем более, что это всего лишь первый печатный вариант, (хотя черновые рукописи написаны лет 15 назад и автор пользовался пониманием процессов, которые давала эта модель, все эти годы в своей практической работе). Однако, если без ложной скромности, он не сомневается, что здравое зерно в этой работе все же присутствует, также как и в самой идее физического моделирования процессов массоэнергетического обмена в плодовом дереве между его элементами в течение сезонного вегетативного цикла. И его главной целью является привлечение внимания к вопросу моделирования биообъектов специалистов и ученых аграриев.

  Никаких «научных открытий» и даже сложных экспериментов автор не делал, он просто обобщил данные по развитию растений, почерпнутые им из книг по садоводству и биологии в пределах – максимум - вузовских учебников, а затем попытался подобрать соответствующую физическую модель-аналог, позволяющую изучать (и глубже понять) суть происходящих в исследуемом объекте (дереве) обменных процессов - массой и энергией между его  элементами - без трудоемких, дорогих и требующих большого времени практических экспериментов. В частности, исследование функционирования биообъекта «дерево» с использованием нескольких физических моделей (электрическая, механические), основанных на разных физических принципах действия, позволяет выйти на новый уровень обобщения разнообразных явлений природы и подойти к пониманию процессов возникновения жизни в результате развития материи.

   Никаких математических или физических сложностей в изложенной примитивной модели аналоге (в виде электрического контура) на первом предложенном уровне рассмотрения - практически лишь качественного или относительного – нет, поэтому она без проблем может быть принята к работе агрономами или преподавателями. От них  пока требуется лишь общая проверка правильности данной «временной» модели на предмет выявления грубых принципиальных ошибок в «биологической» ее трактовке, поскольку физические принципы функционирования собственно электрической модели (контуров и пр.) - в качестве колебательной системы, иллюстрируемые приведенными графиками, несомненны.

   Хотя в последующем, при более глубоком изучении «временной модели» с целью уже количественных расчетов параметров дерева, (таких как запасы массы и энергии в разные моменты времени в разных элементах дерева; приростов сырой и сухой древесины в разных его сечениях в разные фазы сезонной вегетации; изменения периода собственных колебаний над- или подземной частей дерева в результате сильной обрезки ветвей или корней;  и др.), придется хорошо поработать, чтобы нарастить «мясо» биологических данных на физический остов данной упрощенной модели.

    Например, чтобы выявить, сколько «сухих» веществ содержится в «сырой» («зеленой») массе и в древесине (в разных фазах вегетативного цикла), и какова концентрация растворов соков. Сколько энергии удаляется из дерева при его обрезке в то или иное время сезона, и какова ценность удаляемой массы ветвей – или корней - в их разных частях в зависимости от  удаленности их от концов дерева и от его основания, а также оснащенности листвой, почками или плодовыми образованиями.  Какова энергетическая «емкость», или химическое содержание энергии (калорий) в сухих веществах камбия (зеленой высушенной массы) и древесины в разных сечениях дерева и на разном удалении от сердцевины. Сколько воды участвует в условном (принятом в модели) массо- и энерго- обмене корней и кроны – т. е. в циркуляции вещества и энергии в дереве в течение сезона. Каков к. п. д. процессов фотосинтеза и преобразования массы в энергию и обратно. Как все эти и многие другие параметры деревьев различаются по сортам и видам культур, для деревьев разной силы роста и типов подвоев, в разных климатически зонах и мн. др. Определение этих параметров реального дерева и численного их соответствия с параметрами модели позволит вплотную подойти к количественному моделированию этих процессов и выявлению влияния агротехнических мероприятий - в различных фазах сезонного цикла развития дерева - на его продуктивность.

   Если автору удалось заинтересовать читателя и привлечь внимание специалистов к вопросам моделирования как способу изучения биообъектов типа плодовых деревьев, а также помочь начинающим садоводам и студентам в более быстром усвоении материала по данным вопросам и в практическом его применении – автор будет считать поставленную перед собой задачу выполненной.

Абакумов Александр Петрович.     4 апреля 2006 г.     д. тел.   400 – 58 -44

127572, Москва, ул Череповецкая, д. 5/14,  кв. 139.   т.  8 – 916 – 018 -05-41