Остается единственный путь - математическое моделирование при обязательном синтезе всех достижений науки. И вот в момент пика актуальности процесса синтеза появляется удачное слово - синергетика. Разумеется, его смысл быстро выходит за рамки первоначального узкого применения и требует периодической корректировки. Можно сказать, что синергетика -начало многовекового процесса синтеза различных направлений науки.

Необходимо отметить, что процесс синтеза развивался и до появления термина "синергетика". Удачной попыткой являются оценки ближайших перспектив человечества, проведенные группой ученых под руководством Денниса Медоуза с помощью глобальной компьютерной модели "МИР-З". Синтез наук осуществлялся на основе эмпирических данных о динамике пяти основных систем, взаимодействующих на нашей планете. Разработанная модель мировой системы была соответствующим образом тестирована. Исходя из данных за 1900 г. были получены результаты для 1970 г., хорошо совпадающие с фактическими данными. Выводы корректно сформулированы с важной (но иногда опускаемой недоброжелателями) оговоркой - "если существующие тенденции в пяти рассмотренных системах сохранятся". А сохраняются ли они или нет - лучший ответ дает время, прошедшее с момента публикации работы "Пределы роста" в 1972 г.

Обладает ли недостатками модель МИР-3? Да. В ней нет военного сектора, гражданских беспорядков, забастовок, коррупции, наводнений, землетрясении, Чернобылей эпидемий СПИДа и т. д. Поэтому модель чересчур оптимистична, её прогнозы могут отражать наиболее благоприятные пути развития реального мира.

Эмпирический подход может обладать и существенным недостатком, не позволяя иногда в случае очень сложных систем выяснить глубинную сущность явления. Помочь могут старые добрые "аналитические" науки. Например, глобальный кризис компьютерная модель предсказывает, а причину - нет.

Актуальнейшим вопросом современности является состояние биосферы. Мощное антропогенное воздействие на биосферу происходит в условиях, когда никто не может сказать, насколько близко её состояние к точке бифуркации. Есть серьёзная опасность, что мы можем пройти эту точку "явочным порядком". Рассматривая биосферу как открытую систему в рамках неравновесной термодинамики отметим, что в течение миллионов лет её энтропия непрерывно понижалась за счет потока солнечной энергии. Естественно, это приводило к усложнению структур и повышению организованности биосферы. Однако недавно (исторически совсем недавно) человек выступил как активный катализатор механизма бурного роста энтропии биосферы, сжигая накопленное за миллионы лет реализации процесса фотосинтеза органическое топливо. В результате деятельности человека энтропия биосферы начала возрастать. Граничные условия, обусловленные конечностью потока солнечной энергии, игнорировать невозможно. Решение глобальных проблем немыслимо без учета законов термодинамики (Г.А.Кузнецов, В.В.Суриков). Необходимо вернуть биосферу в состояние с постоянно уменьшающейся энтропией.

Разработка любых концепций устойчивого глобального развития должна обязательно учитывать максимально возможное значение энергии на душу населения, обусловленное конечностью нашей планеты.

Литература

1. Синергетика. Труды семинара. Выпуск 1. М. Изд. МГУ. 1998.

2. Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рандерс И., Беренс В.В. Пределы роста. М. 1991.

3. Кузнецов Г.А., Суриков В.В. Концепция глобального развития: термодинамические аспекты. Вопросы философии. 1981, №12, с. 95-102.

Синергетика и биология

М.И. ШТЕРЕНБЕРГ

В "Вопросах философии" (1997, № 3) опубликована подборка статей, посвященная синергетике, применимости ее понятийного аппарата к решению проблем различных наук. Пожалуй, не будет сильным преувеличением, если скажем, что общий смысл статей - оптимизм по поводу возможностей синергетики, в частности перспективы на ее основе построить теорию эволюции, справедливую для всех "эмпирических наук" (Э. Ласло). Нас будет интересовать именно последний тезис в контексте того, что дает использование таких понятий, как "хаос", "бифуркация", "порядок" и др. для понимания феномена эволюции. В рамках такого анализа с неизбежностью придется обращаться и к понятиям термодинамики, поскольку корни синергетики находятся в термодинамике открытых систем. В статье аргументируется точка зрения, что область применения синергетики в принципе ограничена некоторыми чисто физическими процессами.

Хаос и порядок

Из статистического выражения второго закона термодинамики следует, что с ростом энтропии расположение частиц (частей) системы становится все более и более хаотичным. Это положение произвело на общество такое впечатление, что стало философским и культурным достоянием. "Энтропия и беспорядок не только похожи, а есть одно и то же", - утверждает Р.Е. Пайерлс [I]. Э. Шредингер иллюстрирует это на примере расплавления кристалла, в результате чего "изящные и устойчивые расположения атомов или молекул в кристаллической решетке превращаются в непрерывно меняющиеся случайные распределения" т.е. в жидкость [2]. Как известно, наиболее наглядно свойства энтропии проявляются в изолированных системах, где она монотонно возрастает. Однако множество примеров противоречит приведенным утверждениям. Вот одно из них. Возьмем хаотическую смесь льда и воды и изолируем ее. Если вода холодная и лед достаточно охлажден, то эта хаотическая смесь превратится в упорядоченный ледовый кристалл. Этот пример обладает достаточной общностью, ибо он может быть реализован на всех смесях типа твердая - жидкая фаза. Естественно, возникает предположение, что рост энтропии может сопровождаться упорядочением, а это противоречит выводам, непосредственно вытекающим из статистического выражения второго закона термодинамики.

Очевидно, что полярным по отношению к понятию "хаос" является понятие "порядок". Но как оно понимается? Произвольное обращение с этим понятием неоднократно встречается в научных работах. Но, как пишет Р. Фейнман, "Порядок в физическом смысле вовсе не должен быть полезным для людей. Это слово просто указывает на существование какой-то определенности" [З]. Представляется, что наибольшая определенность достигается в предложении Дж. фон Неймана считать наиболее упорядоченной ту систему, состояние которой описывается наименьшим количеством информации. Его нужно дополнить условием, чтобы сравнение производилось на одном уровне описания, на чем, собственно, и построено различие между термодинамикой и статистической физикой. Действительно, если, например, на молекулярном уровне равновесное состояние раствора описывается относительно сложными статистическими зависимостями, то на макроуровне оно выразится как постоянство объема, температуры и концентрации. С этой точки зрения примеры, на которые опирается И. Пригожий для своих построений, не представляются убедительными. Он строит свои рассуждения, в частности, на аналогии с течением жидкости, когда от микровоздействия (бифуркации) ламинарный поток переходит в турбулентный, где вихри символизируют возникший порядок. Чувствуя малоубедительность этой аналогии, Пригожин пишет: "Что мы называем порядком? Что мы называем беспорядком? Каждый знает, что определения меняются и выражают чаще всего суждения". Для подтверждения этого в качестве примера он приводит кристалл, считающийся образцом упорядоченности, но опровергает это утверждение тем фактом, что в узлах кристаллической решетки молекулы хаотически колеблются [4]. На макроуровне состояние ламинарного потока в круглой трубе описывается сравнительно простой зависимостью.

В то же время, несмотря на тысячи работ, посвященных проблемам турбулентности, выражения для описания состояния турбулентного потока не найдено. Если же считать вихрь упорядоченным состоянием, то тогда нужно сказать о том, что этот быстро изменяющийся, по сравнению с ламипарностью, локальный порядок возникает за счет перехода в хаотическое состояние массы всего, прежде упорядоченного, потока. В таком случае утверждение, что переход от ламинарности к турбулентности есть возникновение порядка из хаоса, представляется более чем сомнительным. Аналогично на макроуровне, на котором возникают турбулентные вихри, кристалл представляется как строго упорядоченная система, описываемая простым?! математическими выражениями.

Рассмотрим теперь второй пример из той же работы И. Пригожина о частичном разделении газов при поступлении тепла в их смесь. В этом случае на макроуровне возникает довольно сложный градиент концентраций. Впрочем, и статистическое описание на микроуровне частично разделенной смеси газов оказывается более сложным, чем статистическое описание на микроуровне однородной смеси газов. Утверждение о том, что при поступлении тепла в смесь возникает упорядочение из хаоса, с принятых выше позиций представляется сомнительным. Здесь невольно вспоминается уже приведенное высказывание Р. Фейнмана. Действительно, разделенная смесь интуитивно представляется нам упорядоченной, ибо это является целью многих технологических процессов, например, при отделении металла от шлака. Но если необходимо разделить по объему металла легирующую добавку, то порядком представляется равномерное распределение молекул добавки между молекулами металла.

Таким образом, оказывается, что здание синергетики построено на шатком основании аналогий, анализ которых показывает их несостоятельность. В то же время причины, по которым эти аналогии некритически воспринимаются широкой аудиторией, находятся уже не на поверхности: они связаны с физическим смыслом действительно непростой функции - энтропии и его трактовкой. Поэтому начнем свой анализ с попытки вникнуть именно в ее смысл. О том, что представляет собой в физическом отношении энтропия, совершенно определенно высказался Дж. фон Нейман: "Никто не знает, что же такое энтропия" [5]. Это утверждение до сих пор не потеряло своей силы. Обратимся к истории этого понятия. Оно возникло в термодинамике в результате стремления унифицировать элементарные выражения тепла и работы. Как известно, элементарная работа есть произведение потенциала - интенсивного фактора (силы, давления, химического потенциала и т.п.) на приращение координаты экстенсивного фактора (пути, объема, массы и т.п.) . Иными словами, как потенциал, так и координата в выражении работы имеют вполне определенный физический смысл. Что же касается выражения теплоты , где Q - тепло, получаемое системой, Т - абсолютная температура, S - энтропия, то здесь определенный физический смысл имеют только приращение тепла и абсолютная температура.

Таким образом, стремление навязать природе удобную для математических операций форму (унифицировать форму выражения тепла с формой выражения работы) обернулось появлением функции с непонятным физическим смыслом. Она оказалась удобной для доказательства необратимости процессов, но неэффективной в практических приложениях. Для того чтобы разобраться в сложившейся ситуации обратимся к энциклопедическому курсу термодинамики К.А. Путилова. Вот что говорится в нем по этому поводу: "Теплота и работа являются неравноценными формами передачи энергии... Работа может быть непосредственно направлена на пополнение запаса любого вида энергии... Теплота же непосредственно, т.е. без промежуточного преобразования в работу, может быть направлена на пополнение запаса только внутренней энергии тел". И далее: "Внутренняя энергия тела является единственной энергией тела, имеющей статистическую основу..." |6]. Отсюда следует, что энтропия, как и внутренняя энергия, являются непосредственно объектами изучения статистической физики. Но обе эти функции для реальных объектов непосредственно в рамках статистической физики вычислены быть не могут. Не могут быть определены они и в эксперименте. В силу этого энтропия вычисляется в термодинамике через измеряемые величины - температуру и количество тепла. Но на этом трудности не кончаются, ибо в термодинамике энтропия выступает в "двусмысленной" роли. С одной стороны (что следует из выражения , она растет при равновесном нагреве и убывает при равновесном остывании тела, сопутствуя изменению его внутренней энергии. Не случайно, поэтому она - единственная термодинамическая функция, имеющая одинаковую размерность с другой - теплоемкостью. В этих случаях изменения значения энтропии не связаны с изменением равновесия в системе - условия, характеризующего ее потенциальную работоспособность.

Но обычно большой интерес, и в том числе и в биологии, энтропия вызывает в своем втором значении - как мера неравновесия. В этой роли она являет себя как характеристика потенциальной работоспособности - той части энергии, которая при наличии преобразующего механизма может произвести работу. Именно в этом смысле она интересует как теплотехников, так и биологов, так как характеризует возможность системы осуществить работу, обеспечить за счет такой работы жизнедеятельность. Именно эта роль энтропии как характеристики состояния системы и положила, начиная со знаменитой речи Л. Больцмана, произнесенной им в 1886 г., начало поискам определения жизни как явления, способного уменьшать свою энтропию [7].

Именно эти две ипостаси энтропии и обусловливают ту двусмысленность, о которой говорилось выше: по изменению значения энтропии, не зная состояния частей системы, нельзя сказать, связано ли это изменение с изменением только внутренней энергии системы или еще и с изменением ее потенциальной работоспособности.

Но и как характеристика неравновесия энтропия определяет однозначно способность системы осуществить работу. Наличие двусмысленностей вносит путаницу в попытки использовать энтропию в конкретных приложениях в различных областях знания, в том числе и в биологии.

Реальные организмы хорошо справляются с этими двусмысленностями. В случае необходимости поддержания температурного гомеостаза многие из них, особенно высшие, обладают механизмами для повышения температуры (сопровождаемой соответственно ростом энтропии) и понижения ее (сопровождаемой убылью энтропии). Однако и действия, способствующие повышению потенциальной работоспособности (сопровождающейся понижением энтропии, характеризующей в этом случае меру неравновесия), ограничены известными пределами. Так, накопление жира, обеспечивающего потенциальную работоспособность животного, при превышении определенного запаса может привести его к гибели, как вследствие снижения подвижности, так и вследствие внутренней патологии. Таким образом, организмы поддерживают оптимальное значение энтропии подобно тому, как они это делают с сотнями различных веществ с целью сохранения гомеостаза. Таким образом, энтропийные характеристики и в случаях, указывающих на неравновесность, не являются ни определяющими, ни специфическими для организмов.

До сих пор рассматривался физический смысл энтропии в ее классическом термодинамическом выражении. Рассмотрим теперь смысл этого понятия в статистической трактовке второго закона термодинамики. Наиболее наглядно этот смысл проявляется в фазовых переходах первого рода, например, плавления. В этом процессе тепло, полученное системой при постоянной температуре фазового перехода, связано с энтропией простейшей зависимостью .Поскольку кинетическая энергия молекул, находящаяся в прямой зависимости от Т, практически не изменяется, то, очевидно, что поступающее тепло расходуется на ослабление связей между частицами, образующими кристаллическую решетку, т.е. на увеличение потенциальной энергии связи молекул. Этот случай позволяет увидеть в чистом виде одну из составляющих физического смысла энтропии, обычно маскируемую одновременным изменением кинетической и потенциальной энергий, и выявить, что энтропия - это функция, отражающая и величину потенциальной энергии связей микрочастиц. Ее монотонный рост в прямой зависимости от температуры нарушается фазовыми переходами, когда потенциальная энергия связей изменяется скачком. Особенно большим этот скачок может быть при переходе п газовую фазу, когда фактически происходит разрыв связей между молекулами вещества. При этом расстояние между ними может увеличиваться на несколько порядков (у воды объем при переходе в пар возрастает примерно в 1700 раз) и дальнейший рост потенциальной энергии частиц становится незначительным. И лишь тогда приложение статистического выражения второго закона становится практически адекватным.

Существование организмов определяется, в первую очередь, сохранением их структуры, которая, в свою очередь, зависит от прочности связей слагающих ее частей, характеризуемой их потенциальной энергией. Отсюда очевидно, что статистическое выражение второго закона термодинамики в общем случае непригодно для выражения энтропии и. в частности, для исследования специфики жизни. Это связано с тем, что оно выведено на основании идеальной модели, в которой все взаимодействия частиц сводятся к упругим соударениям друг с другом и со стенками сосуда, а все остальные взаимодействия игнорируются.

Рассмотрим теперь в ином свете классическое положение о росте энтропии в изолированной системе. Предположим, обмениваются теплом две ее части: 1 и 2,имеющие температуру и . Пусть от части 1 к части 2 перейдет тепла. При этом изменится как кинетическая - ,так и потенциальная - компоненты внутренней энергии обеих частей .

Это значит, что потенциальная энергия, т.е. энергия связей частиц в изолированной системе в итоге возросла за счет убыли кинетической.

Из изложенного следует, что элементарный прирост энтропии здесь слагается из трех компонент: за счет уменьшения кинетической энергии, сужающей фазовое пространство и соответственно изменяющей статистическое слагаемое: за счет прироста потенциальной энергии; за счет перехода распределения скоростей молекул к наиболее вероятному .

Из этих трех слагаемых Л. Больцман рассматривает лишь третью составляющую. Отсюда и "парадоксы" типа тех, которые возникают при росте упорядоченности с ростом энтропии в изолированной системе.

Таким образом, физический смысл энтропии раскрывается как довольно сложная система факторов, требующих кропотливого исследования, которое оказывается весьма затруднительным, после того как были объединены в общих выражениях разнородные понятия работы и тепла, и тем более после математических операций над ними.

В то же время потенциал - температура, входящая в выражение энтропии, с одной стороны, является измеримой величиной, с другой - может рассматриваться как одна из основных причин необратимости процессов. С этой точки зрения представляется возможной еще одна формулировка второго закона, исключающая понятие энтропии. Другими словами, этот закон может быть сформулирован как закон возникновения тепла в любом неравновесном процессе и самопроизвольном необратимом выравнивании теплового потенциала.

Синергетика в биологии

Выше были рассмотрены основные понятия термодинамики и синергетики, наиболее часто используемые в анализе феномена жизни. Рассмотрим теперь еще одно из основных понятий синергетики - "бифуркация". Как известно, под бифуркацией у И. Пригожина и других авторов понимается слабое воздействие, радикально изменяющее ход процесса. В то же время, насколько нам известно, классификации бифуркаций не существует. Однако между различными классами бифуркаций, как представляется, есть фундаментальные различия.

К первому классу бифуркаций могут быть отнесены воздействия на тот вид систем, которые представлены потоками. Таковы, например, реки, русла которых практически без затрат энергии поворачивают потоки воды к тому или иному водоему (аттрактору) или зеркала, поворачивающие световой луч на тот или иной объект.

Что же касается воздействия на стабильные (метастабильные) объекты, то прежде, чем коснуться их, нам придется рассмотреть некоторые общие принципы образования таких систем.

Известно, что частицы обладают свойствами, обусловливающими их способности к различным взаимодействиям: электромагнитным, сильным, слабым, гравитационным, взаимодействия с (р-полем, которые имеют место па разных расстояниях - от бесконечно большого (электромагнитные, гравитационные) до расстояний, измеряемых ангстремами (сильные, слабые). Отметим три обстоятельства.

1. Слабые связи могут препятствовать возникновению более сильных. Так, электрическое отталкивание атомных ядер может препятствовать их слиянию, при котором возникает более сильная связь.

2. Сложение слабых сил может привести к их превосходству над более сильными и определить характер связей. Например, сила гравитации в массивных звездах может превышать силу других видов взаимодействий.

3. Из 1 и 2 следует, что картина мира зависит от истории взаимодействий частиц.

В силу перечисленных обстоятельств, очевидно, что при разрыве прежних связей первоначально возникает хаос. Затем, за счет сил, изначально присущих частицам, возникают новые структуры. Существенно же важным явлением, которому обязано все разнообразие существующих систем, являются потенциальные барьеры.

Действительно, термоядерный синтез более тяжелых элементов из более легких идет с выделением энергии точно так же, как распад тяжелых. Следовательно, оба эти процесса термодинамически вероятны, так как обеспечивают реализацию второго закона термодинамики. И, тем не менее, устойчивые изотопы существуют миллиарды лет, не изменяясь в земных условиях ни качественно, ни количественно.

Образно говоря, в энергетическом плане периодическая таблица химических элементов может быть представлена как ряд спускающихся с обоих ее концов каскадов энергетических "озер", отделенных друг от друга "плотинами" потенциальных барьеров, сходящихся к атому железа, переход от которого в любую сторону требует лишь "подъема" - поглощения энергии.

Разнообразием элементов, а также наличием потенциальных барьеров химического происхождения обусловлено и разнообразие химических соединений, не только самых устойчивых. Второй закон термодинамики в статической формулировке не рассматривает свойства структур. Термодинамика ничего не говорит и об общих причинах того, что по мере остывания Вселенной процессы в ней не замирали в метастабильных состояниях материи в виде энергетических "озер" за "плотинами" потенциальных барьеров. Она говорит лишь о вероятности возникновения процесса, если он направлен в сторону деградации энергии. Во многих случаях вероятность процесса выравнивания вызвана тем, что малое воздействие высвобождает большую энергию из-за потенциального барьера. В свою очередь, эта выделившаяся энергия частично идет на освобождение большей, чем первая часть потенциальной энергии и т.д. Процесс, таким образом, развивается с положительной обратной связью, т.е. превращается в цепной. Назовем бифуркации, инициирующие такой процесс, бифуркациями второго рода. Именно в области изучения этих процессов в синергетике в основном и достигаются реальные результаты.

Для иллюстрации таких процессов выберем наиболее наглядный пример - речную плотину. Чем выше уровень воды, тем больше вероятность того, что вода просочится сквозь плотину и под ней. Если же она найдет выход, то будет стремиться ускорить процесс выравнивания. Тот же принцип реализуется и в разнообразных цепных процессах: механических (камнепад), электрических (пробой изоляции, газовый разряд), химических и ядерных цепных реакциях. В соответствии с этим принципом происходят и процессы образования небесных тел. Притягивая к себе вещество, небесные тела увеличивают свою массу, но чем больше масса, тем более нарастает мощь этих процессов. В итоге возможно образование новых потенциальных барьеров за счет синтеза ядер легких химических элементов. Эти процессы будут препятствовать тепловым расширением процессу сжатия. А. Дюкрок назвал совокупность таких процессов, регулирующих устойчивость небесных тел, "кибернетикой космоса" [8]. Термоядерный процесс, протекающий на Солнце, обеспечивает возникновение химических потенциальных барьеров в соединениях, синтезируемых на Земле зелеными растениями и т.п.

Существуют ситуации, когда потенциальный барьер может быть устранен или восстановлен за счет слабого энергетического воздействия. Если та же плотина имеет заслонку у своего дна, то небольшое приложенное к ней условие обеспечит неограниченный и в то же время легко управляемый переток воды из верхнего бьефа в нижней. Такой же эффект будет достигнут, если, например, слабое механическое воздействие введет катализатор в контакт с соответствующим субстратом или поворотом выключателя будет замкнута электрическая цепь и т.д. Назовем бифуркации подобного вида бифуркациями третьего рода. Именно эти бифуркации и являют собой информацию, т.е. специфическое воздействие на структуры, характерные лишь для живых и автоматических систем [9]. Именно эти процессы отличают системы в качестве организованных. Что же касается синергетики, то она занимается изучением упорядоченных систем, что отнюдь не является специфическим свойством организмов и автоматов.

Характерно, что в синергетике не делается различия между этими принципиально разными видами бифуркаций, но именно здесь проходит водораздел между косной и живой природой.

Попытки использовать термодинамику для выяснения специфики жизни предпринимались задолго до возникновения синергетики. История этого подхода насчитывает уже более сотни лет и начинается с уже упоминавшейся речи Л. Больцмана. Согласно Больцману организмы - это открытые системы, уменьшающие свою энтропию за счет внешнего источника. Эту идею поддержали К.А. Тимирязев, Ф. Аурбах, А.Е. Ферсман, В.И. Вернадский, Э.С. Бауэр, А.И. Опарин и другие ученью. Э. Шредингер сформулировал это положение наиболее коротко: "Отрицательная энтропия - это то, чем питается жизнь" [2. С. 74]. В 1901 г. Н.А. Умов выдвинул положение о том, что организмы содержат нечто вроде демона Максвелла, сообщающего им упорядоченность. И хотя Л. Берталанфи показал, что энтропия реальными открытыми системами может "выбрасываться" в окружающую среду, и из этой же среды может извлекаться отрицательная энтропия, точка зрения Л. Больцмана на специфику жизни как негэптропишюго образования доминирует до сих пор. Наиболее известные современные авторы в этой области И. Пригожин, Ж. Николис, М. Эпген, А.П. Руденко и ряд других ученых, видят специфику жизни в стационарности процессов, протекающих в организме. Феномен жизни относится ими к дисипативным системам с устойчивым неравновесием. Но к таким системам относятся не только организмы, но и любые потоки. В частности, круговорот воды в природе имеет споим энергетическим донором тот же источник, что и биосфера - Солнце. При этом биосфера потребляет лишь ничтожную часть солнечной энергии по сравнению с круговоротом воды. Когда Земля охлаждается, не получая солнечного света, за счет энергии облаков совершается работа, приводящая к выпадению осадков. Отсюда начинается круговорот, обеспечивая поступление солнечной энергии на остывшую земную поверхность. Таким образом, и здесь пополнение энергии и поддержание устойчивого неравновесия осуществляется подобно тому, как это делают организмы, уже непосредственно за счет собственной энергии и собственной деятельности. Новый возникающий при этом цикл испарения обеспечивает не только пополнение энергии, но и температурный гомеостаз земной поверхности, вновь закрывая ее облаками. Таким образом, круговорот воды уподобляется с этих позиций живому. Тем не менее, очевидно, что жизнь имеет принципиальные отличия от круговорота воды. Это специфическое отличие может быть найдено, если мы вспомним, какую роль в физике XX в. сыграло понимание того факта, что свет, представлявшийся непрерывным потоком, на самом деле излучается дискретными квантами, огромное множество которых, а также особенности нашего восприятия, и создавали представление о потоке. Сам автор этого открытия М. Планк, как известно, в течение нескольких лет сомневался в реальности этого, полученного теоретическим путем, результата.

Подобное "квантование" осуществляется в живом за счет реакций на сигналы и обеспечивается соответствующими структурами, что позволяет организму функционировать гораздо экономичнее, чем в стационарном режиме и главное в соответствии с обстоятельствами, а это и принципе невыводимо из энтропийных характеристик. Различные подсистемы организма - дыхательная, пищеварительная, выделительная и т.н. - включаются на значительную мощность попеременно, но сигналам о потребности. В это время остальные подсистемы работают лишь на поддержание "боеготовности". И лишь суммирование и осреднение по времени и энергозатратам создает впечатление стационарных потоков массы, энергии и энтропии.

Энергетическое превосходство реальной жизнедеятельности заключается в том, что если стационарный режим требует постоянного уровня энергозатрат, то реальные организмы, работая в информационном режиме, могут почти полностью выключать из работы свои подсистемы.

Сигнально - информационный подход к проблеме жизни позволил "проквантовать" организмы и автоматы, выделив их элементарные структуры, на которых определяются единицы информации, знания, смысла и т.п. На основе этих элементарных единиц строятся, подобно молекулам из атомов, более сложные "надмолекулярные" и высшие структуры [9].

И. Пригожий считает, что необратимость определяется отсутствием единого пути возврата системы к исходному состоянию в силу множества возможных бифуркаций и аттракторов, создающих многовариантность траекторий движения нестабильной системы во времени. Как представляется, однако, более углубленное понимание этого феномена следует из понимания этапов эволюции Вселенной. Каждое изменение характеризуется появлением новых закономерностей. Так было после Большого взрыва, когда от единого взаимодействия поочередно отделялись гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное. До возникновения жизни не существовало законов биологии, до появления общества - законов истории и т.п. Лишь неосведомленность о характере этих процессов и накладываемых ими ограничений позволяет нам предполагать неограниченную многовариантность траекторий развития мира в целом и каждой отдельной его системы.

Ограничения многовариантности траекторий движения проявляют себя на всех уровнях материи, начиная от атомных ядер, разнообразие которых ограничено принципом Паули, и кончая организмами, которые должны быть вписаны в геобиоценоз, а для человека еще и в социум. В более же общей формулировке каждый объект должен отражать Космос и его эволюцию, что накладывает сильное ограничение на возможное разнообразие и на кажущееся множество аттракторов [9J. Можно представить себе, каким образом создавались условия для возникновения жизни и ее эволюции к высшим формам - не благодаря антиэнтропийным процессам, а наоборот - благодаря процессам, связанным с ростом энтропии. Начнем с примера, который мы заимствуем у А. Дюкрака [8]. Растянем пружину, закрепленную одним концом. В ней возникнут колебания, которые длились бы вечно, если бы энергия упорядоченного движения пружины не переходила в хаотическое тепловое движение молекул. Именно это свойство обеспечивает возможность упорядоченных процессов на макроуровне. Действительно, без необратимости, отраженной во втором законе термодинамики, мир уподобился бы бесконечно колеблющейся пружине. Эти колебания по разным потенциалам то ослабевали бы, то усиливались. Мир лишился бы устойчивых форм. Как показывает У.Р. Эшбп, адаптация к такому миру была бы невозможна [10] и жизнь не могла бы ни существовать, ни даже возникнуть. Но, очевидно, что для углубленного понимания эволюционных процессов необходимо уяснить пути, по которым происходит реализация второго закона термодинамики. Широкое распространение разнообразных процессов выравнивания, как цепных, так и каталитического типа, позволяет сформулировать принцип максимизации как присущее энергии стремление к выравниванию. Однако процессы выравнивания инициируются не только бифуркациями. Они усиливаются еще и теми свойствами энергии, которые имеют иной характер проявления. В силу их важности для возникновения и эволюции жизни представляется целесообразным зафиксировать их характер в отдельном принципе - дифференциации энергии при наличии сопротивления процессу выравнивания потенциалов. Так, электрический ток, движущийся по проводнику малого сопротивления, порождает лишь небольшое выделение тепловой энергии, если же сопротивление будет возрастать, то к выделению тепла прибавится световое излучение, а затем и химический процесс (горение проводника) и сопровождающий его звуковой импульс. Или болид, двигаясь к Земле, по мере нарастания плотности атмосферы может вызвать вначале разогрев ее и себя, затем свечение, а потом звук и механическое разрушение.

Рассмотрим под углом зрения изложенных выше соображений частный случай проявления жизни в виде земной ее формы с материальной и энергетической точек зрения. Очевидно, с наибольшей вероятностью жизнь должна возникнуть на небесном теле, обладающем максимальным разнообразием потенциальных барьеров. Для реализации такого условия небесное тело должно пройти эволюцию от температур порядка миллиардов градусов до температур, близких к абсолютному нулю. В таком случае оно будет обладать полным набором элементов периодической таблицы, и представлять собой настоящий консервант различных потенциальных барьеров: ядерных, химических, электрических, механических и т.п. С этой точки зрения в масштабах звездных температур Земля как раз и является подобным небесным телом с полным набором химических элементов и температурой ее поверхности, практически не отличающейся от абсолютного нуля.

Сопротивление атмосферы, воды и других химических соединений и веществ потоку солнечных лучей приводит, и соответствии с принципом дифференциации, к трансформации солнечной энергии в различные формы, главной из которых является круговорот воды в природе, и лишь небольшая часть расходуется на химические реакции. Эти, и в первую очередь каталитические, реакции [II], по-видимому, и положили начало жизни. Возникнув, жизнь, благодаря способности к размножению, развивается как цепной процесс в соответствии с принципом максимизации.

Предполагается, что первыми организмами были археобактерии, извлекающие энергию за счет окисления неорганики, в частности железо- и серобактерии. Первоначально между первыми видами организмов не происходило борьбы за источники энергии, имевшейся в избытке. Недостаток энергии не играл никакой роли в биосфере на первых порах ее возникновения и развития, вопреки мнению Больцмана. Но по мере увеличения биомассы конкуренция за источники энергии представляется как сопротивление принципу максимизации, и тогда вновь "включается" принцип дифференциации. Он проявляется на всех этапах развития жизни через образование новых видов и освоения ими различных экологических ниш. Так, в настоящее время почти на каждый элемент периодической таблицы существует вид бактерий, ведущий свое начало от археобактерии, извлекающий энергию за счет его химических преобразований.

Если возникновение и развитие археобактерий можно рассматривать как локальный планетарный процесс, то появление зеленых растений, черпающих энергию от Солнца, носит уже непосредственно космический характер. И здесь срабатывает принцип максимизации, выражающийся к появлении организмов - гетеротрофов, пожирающих зеленые растения, деятельность которых дает выход накопленной в них энергии.

Следующий этап, на котором был реализован принцип максимизации, это появление аэробных организмов, способных окислить глюкозу кислородом воздуха за счет использования энергии метастабильных состоянии, обусловленных химическими связями. Энергия, извлекаемая из глюкозы в этом процессе, в 9 раз превышает анаэробный способ.

С энергетической точки зрения действие принципов максимизации и дифференциации проявилось на этапах повышения организации биологических видов. Каждый новый уровень организации требует новых веществ и условий для своего возникновения и существования - это разные интервалы температур, давлений, концентраций и т.п. Разнообразие веществ, образующих различные организменные структуры, с энергетической точки зрения является следствием принципа дифференциации, позволяющего диссипировать энергию разнообразными путями. Чем из большего количества компонентов состоят организмы, тем уже область их совместного существования. Этим и обусловливается необходимость гомеостаза, который обеспечивает относительную независимость организма от внешней среды. Родоначальник учения о гомеостазе К. Бернар говорил, что он (гомеостаз) есть условие свободы [II]. Для поддержания гомеостаза нужны специальные механизмы, работа которых требует энергозатрат. В итоге даже бактерии тратят на гомеостаз почти половину своей энергии покоя. Что же касается высокоорганизованных, то на него она уходит почти вся. Так, переход на терморегуляцию повышает расход энергии почти на порядок. Но сложные организмы требуют не просто гомеостаза, а полнгомеостаза, т.е. разного гомеостаза для разных своих органов. Например, желудочно-кишечный тракт млекопитающих разбит на ряд отделов, в каждом из которых поддерживается свой гомеостаз. Мозг защищен от ненужных или опасных веществ, которые могут попасть в него из крови, фильтром-гомеостазом, называемым гематоэнцефалическим барьером. В итоге, если кпд простейших при построении новых тканей составляет 70-80%, то кпд высокоорганизованных снижается уже до доли процента [13]. Иными словами, появление высокоорганизованных гетсротрофов - это уже не просто преодоление, а прорыв своеобразного потенциального барьера, созданного растениями на пути реализации принципов максимизации.

Но прорыв этот расширяется еще одним фактором - развитием мозговых структур в сторону все более возрастающей способности не только к управлению насущными потребностями, но ко все более дальнему, широкому и надежному моделированию реальности для постановки своих целей и путей их достижения. Это потребовало их увеличения, усложнения и увеличения энергообеспечения. В итоге, мозг человека, составляющий примерно 2% от всего тела, поглощает примерно 20% его энергетического бюджета в состоянии покоя. Таким образом, с энергетической точки зрения цефализация находится на острие эволюционного процесса как следствие принципа максимизации.

С появлением человека и цивилизации потребление энергии выросло настолько, что если бы все население Земли перешло на уровень потребления индустриальных стран, то экологическая катастрофа последовала бы немедленно. И, наконец, человечество стало разрушать гораздо более мощные потенциальные барьеры - ядерные - и устремилось в поиске новых экологических ниш в космосе.

Время и синергетика

Чрезвычайно жесткое ограничение на огромное разнообразие объектов, допускаемое естественными законами, предусматривает требование соответствия каждого объекта микрокосму. Им является не только человек, как считали древние философы, но и любой камень. Действительно, он должен уравновешивать воздействие на него множества разрушительных воздействий ближнего космоса: силы гравитации, растворяющего действия воды, разрушительных перепадов температуры и химических веществ, содержащихся в воде и воздухе, механических воздействий и т.д. Любой объект возникает тогда, когда эволюция Космоса обусловливает его возникновение, существует - пока является микрокосмом и погибает, когда перестает отражать изменившийся Космос.

Кроме того, каждый объект несет в себе историю эволюции Космоса. В микрокосме, представленном камнем, она прочитывается в нуклонах атомных ядер. возникших из кварков в результате расширения и остывания вещества после "Большого взрыва". Во входящих в его состав атомах тяжелее водорода прочитывается история тяжелых звезд, в недрах которых они были синтезированы, в химическом составе и структуре слагающих его минералов - геологическая история Земля.

Исходя из понятия микрокосма, попытаемся понять причину открытого А. Эйнштейном относительного изменения хода времени, а также массы и размера тела, скорость которого изменяется по отношению к некоторому данному телу. Как известно, А. Эйнштейн объясняет, что происходит при изменении скорости тела, но остается открытым вопрос, почему это происходит. Ответ на него, как представляется, может быть следующий: изменение хода времени в объекте, а также изменение его размера и массы при изменении его скорости происходят как результат перестройки его взаимодействия с иными космическими объектами, т.е. изменения его, как микрокосма. Выраженные в известной математической форме, эти изменения наводят на мысль о дополнительном факторе упорядочения Космоса. Космос, что означает по-гречески порядок, объединен в одно упорядоченное изотропное целое силами гравитации, обменом лучистой энергией и корпускулярными потоками. К этим факторам, по-видимому, могут быть отнесены и упомянутые изменения в космических объектах, компенсирующие изменения их относительных скоростей.

Характеризуя синергетическую концепцию И. Пригожина, а также ее предысторию, М.В. Кузьмин пишет: "Понятие энтропийной "стрелы "времени" восходит, как известно, к Больцману, акцентировано Эддингтоном и развивается в виде статического энтропийного ансамбля у Рейхенбаха... подход Пригожина вторит Больцману, Эддингтону и Рейнбаху. Позитивным моментом в подходе Пригожина является то, что... у Пригожина принцип роста энтропии по существу не статистический факт, а универсальный закон природы" [14]. Здесь, по-видимому, имеется в виду акцент на истории системы, прошедшей через ряд бифуркаций, усиливая тем самым необратимость, обусловленную энтропийными процессами.

Очевидно, что наличие стрелы времени в глобальном масштабе обусловлено расширением Космоса как следствием "Большого взрыва". Поскольку каждый существующий объект является микрокосмом, в итоге стрела его внутреннего времени, определяющая направление протекающих в нем процессов, связана с глобальной стрелой. Рассмотрим, как реализуется время во Вселенной. Здесь обращает на себя внимание так называемый антропный принцип. Он был сформулирован после того, как рядом отечественных и зарубежных ученых (Я.Б. Зельдовичем, И.Д. Новиковым и др.) были произведены подсчеты, связанные с вариациями возможных значений мировых констант (скорости света, заряда и массы электрона и т.п.). Оказалось, что при относительно небольших изменениях их величин Космос оказался бы принципиально иным и, по крайней мере, наша форма жизни и соответственно человечество не могли бы возникнуть. Создается впечатление, что эти константы как бы были предварительно кем-то подсчитаны. Обращает на себя внимание и другой факт -совпадение структуры основных законов мироздания. Так, закон всемирного тяготения в формулировке Ньютона, закон Кулона и закон магнитного взаимодействия имеют совершенно одинаковую структуру. Более того, как показано новосибирским физиком Ю.И. Кулаковым, все физические законы имеют в принципе одинаковую структуру. Это позволяет сразу характеризовать вновь открытые законы либо как соответствующие реальности, либо как априори ошибочные.

В настоящее время появляется множество работ, указывающих на необходимость анализа понятия внутреннего времени систем. Это время служит для измерения как периода жизни той или иной системы, так и длительности различных ее этапов. Естественно, что особым классом являются биологические системы. В.И. Вернадский еще до работ И. Пригожина считал, что стрела времени, направление которой определяется ростом энтропии, непригодна для характеристики биологических процессов. Свое мнение он основывал на антиэнтропийном характере жизни. В качестве характеристики он предлагал определение направления стрелы времени сменой поколений организмов [15]. С.В, Мейен в свою очередь предлагал для определения биологической стрелы времени и его исчисления использовать смену таксометрических единиц в эволюционном процессе [16]. В свою очередь Т.А. Детлаф предложила для тех же целей существенно меньшую единицу времени, в качестве которой выступает продолжительность митоза - клеточного деления у зародышей большинства пойкилотермных - холоднокровных - животных [17]. Однако эти циклы иные по длительности как у ряда пойкилотермных, так п у гомойтермных животных, что делает предложенную ею единицу исчисления биологического времени не универсальной. Кроме того, в клетке в секунду происходят миллионы ферментативных актов, определяющих ее жизнедеятельность, каждый из которых являет собой элементарный информационный процесс [9]. Проблема исчисления внутреннего времени организмов осложняется и тем фактом, что ему свойственны вариации в весьма широких пределах относительно внешнего времени. Действительно, например, срок между митозами одноклеточных измеряется минутами или часами. В то же время, если в жизнедеятельность простейших вторгается период анабиоза, то срок этот во внешнем исчислении может растянуться на миллионы лет, в то время как но внутреннем исчислении (число митозов) он остается неизменным.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9