2.10. Самоорганизация в природе

Термодинамика утверждает, что в любой замкнутой системе энтропия не уменьшается, то есть либо возрастает, либо, достигнув максимального значения, остается постоянной. Но энтропия — это мера беспорядка в системе, мера хаоса. Состояние термодинамического равновесия — состояние с максимальной энтропией, можно считать хаосом. Любая замкнутая система стремится к нему. Пример: возьмем кусочек сахара и опустим его в стакан с водой. В начале имеем упорядоченное состояние — сахар в одной области пространства, вода в другой. По прошествии некоторого времени сахар растворится в воде и получится однородный сладкий раствор — неупорядоченное состояние. Процесс растворения сопровождается возрастанием энтропии и он протекает естественным образом в замкнутой системе. Обратный процесс сопровождался бы уменьшением энтропии, поэтому он не наблюдается в полном соответствии со вторым началом термодинамики.

В природе мы встречаем и примеры совершенно иного рода. Представим себе кусок плодородной земли, над ней чистый воздух, солнечный свет. В данной системе имеется достаточно однородная смесь всевозможных химических элементов, то есть начальное состояние близко к хаосу и характеризуется энтропией близкой к максимальной. Теперь в эту почву посадим семя какого-либо растения. Через некоторое время на этом месте появится растение, в котором хаотически разбросанные в почве и окружающем воздухе элементы соберутся, чтобы образовать упорядоченную структуру, обладающую меньшей энтропией, чем первоначальное состояние. Этот пример демонстрирует процесс организации, упорядочения материи. Очевидно противоречие второго начала термодинамики и такого рода процессов организации.

Из создавшейся ситуации можно предположить два выхода: либо к живым организмам неприменимы законы термодинамики, либо мы упускаем из анализа что-то очень важное.

Первый выход, по-видимому, следует отклонить по следующей причине. Все живые организмы состоят из клеток, клетки — из особых, биологических молекул, а последние из тех же атомов, что и вся неживая природа. Отсюда предпосылка: так как все атомы одного сорта совершенно одинаковые, тождественны друг другу, то и законы, управляющие поведением атомов живой и неживой природы, должны быть одни и те же.

Мост между неживой и живой природой удалось перекинуть только благодаря осознанию того факта, что живой организм для своего существования требует определенных условий. Для него первостепенную роль играет взаимодействие с окружающей средой. Организм живет, пока через него проходят потоки вещества и энергии. Другими словами, живой организм является открытой системой, а к открытым системам, как известно, законы термодинамики неприменимы. Для того, чтобы понять законы возникновения жизни и функционирования живых организмов, необходимо изучать законы открытых систем.

В ответ на эти потребности несколько десятилетий назад возник и в настоящее время бурно развивается новый раздел физики — физика открытых систем, который оказался тесно связанным с такими классическими разделами физики как термодинамика необратимых процессов и термодинамика неравновесных систем. Исследования в этом направлении привели к целому ряду интересных открытий. Было установлено, что явления самоорганизации присущи многим открытым физико-химическим системам. Явление самоорганизации проявляется в возникновении, развитии и гибели макроскопических структур в неравновесных открытых системах.

В открытых системах происходит непрерывный обмен энергией и веществом с окружающей средой. В действительности, энтропия открытой системы может даже уменьшаться со временем, благодаря уходу энтропии от системы в окружающую среду. По этой причине существование открытых систем с возрастающей степенью упорядочения (уменьшением энтропии) не представляет собой противоречия с точки зрения термодинамики неравновесных процессов, поскольку при этом энтропия замкнутой системы, включающей и окружающую среду, возрастает в полном соответствии со вторым началом термодинамики.

Результатом развития концепций самоорганизации в открытых системах стало осознание того, что рождение структур не является чертой, присущей только живым организмам, а скорее является широко распространенным феноменом в неживой природе.

Предпосылки для развития физики открытых систем были заложены еще в конце XIX начале XX века. Прежде всего, следует отметить работы Л. Больцмана, в которых было введено кинетическое уравнение для описания необратимых процессов в газах. Это уравнение количественно описывает процесс перехода газа в равновесное состояние. Больцман доказал также, так называемую H-теорему, согласно которой в процессе установления равновесия энтропия нарастает и остается постоянной при его достижении. Тем самым, были созданы основы для разработки теории неравновесных процессов. С другой стороны, усилиями А. Эйнштейна, М. Смолуховского, П. Ланжевена была развита теория броуновского движения. Броуновским движением называют хаотическое движение малых, но макроскопических тел в жидкостях, которое сравнительно легко наблюдается с помощью микроскопа. Причиной этого движения являются толчки со стороны молекул жидкости. То есть, броуновское движение представляет собой проявление теплового движения молекул жидкости. Подчеркнем, что броуновская частица обменивается энергией и импульсом с окружающими ее молекулами, поэтому представляет собой пример открытой системы.