1.4. Відкритість і стаціонарність системи

Відкритість системи. Будь-які перетворення системи потребу­ють від неї витрат енергії. Тим більш неминучі енергетичні ви­трати при трансформаціях так званого прогресивного типу (тоб­то від простого до складного, від нижчого до вищого і т.д.). Таким чином, розвиток також може трактуватися як процес накопичення і перетворення енергії.

Отже, для забезпечення свого розвитку будь-яка система має «вирішити» дві принципові проблеми. По-перше, вона повинна десь отримувати енергію. По-друге, вона має бути певним чи­ном внутрішньо структурована (організована). Ця організація має поряд з іншими забезпечити здатність накопичувати, закрі­плювати і перетворювати енергію. Усе це потрібно, у кінцевому рахунку, для здійснення тих самих незворотних, спрямованих і закономірних змін. Шлях вирішення першої проблеми очевидний. Система має бути відкритою, тобто мати обмін із зовнішнім середовищем. Тільки за такої умови система може забезпечити приплив енергії. Відкритість системи - це її здатність здійснювати обмін (мета­болізм) із зовнішнім середовищем.

Метаболізм (від грец. metabole - зміна, перетворення) - це обмін речовиною, енергією та інформацією системи з зовнішнім середовищем, а також окремих частин системи між собою. За­вдяки метаболізму система вилучає із зовнішнього середовища енергію чи енергонасичені речовини і скидає туди відходи своєї діяльності (у тому числі енергію та енергетично збіднені речо­вини). Крім того, завдяки тому ж метаболізму, але вже всере­дині самої системи (обмін між субсистемними утвореннями) від­бувається перетворення речовини і трансформація одних ви­дів енергії в інші. Метаболізм безпосередньо пов'язаний із процесами перетворення енергії: потенційна енергія хімічних зв'язків складних органічних молекул у резуль­таті хімічних перетворень переходить в інші види енергії, яка використовуєть­ся на синтез нових сполук, для підтримання структури і функцій клітин, тем­ператури тіла, здійснення роботи і т. ін. Для кожного біологічного виду хара­ктерний особливий, генетично закріплений метаболізм, визначений умовами його існування (Биологический, 1989). Таким чином, відкритість системи та її метаболізм форму­ють енергетичний базис процесів розвитку. Відкритість системи - основа її енергетичного забезпечення. Значний час енергетична функція вважалася єдиною функцією обміну. Мало хто замислювався про мету існування самої системи і про глибинний зміст процесів її розвитку.

Стаціонарність і гомеостаз. Іншу проблему, пов'язану з внутрішньою структуризацією системи та її самоорганізацією, природа вирішила на основі стаціонарності системи.

Стаціонарним станом у фізиці називають стан системи, при якому деякі істотні для характеристики системи величини не змінюються з плином часу. Для розглянутих систем, що самоорганізуються, такою істотною характеристикою є рівень го­меостазу. Тільки при ньому система може існувати, залишаю­чись тим, чим вона є. Стаціонарний стан також називається динамічною рівнова­гою, чи квазірівноважним станом. Префікс «квазі-» (від лат. quasi - нібито, начебто) - частина складних слів, що означає «удаваний», «несправжній», «такий, що нагадує». Стаціонарний стан, дійсно, лише зовні схожий на рівноважний. При остан­ньому, згадаємо, частки знаходяться у відносному спокої, і їх характеристи­ки тривалий час залишаються незмінними. У стаціонарному стані, хоча і до­сягається зовнішня подібність стійкого (незмінного) стану параметрів систе­ми, проте забезпечується це впорядкованим рухом, який ні на мить не при­пиняється. Саме він підтримує стійку різницю потенціалів: по-перше, між системою і середовищем; по-друге між окремими частинами самої систе­ми. Основна ж відмінність рівноважного і стаціонарного (квазірівноважного) стану системи полягає ось у чому. У рівноважній системі врівноважені між собою (за характеристиками параметрів) усі компоненти системи. У стаціо­нарній же системі всі компоненти знаходяться в стані стійкої нерівноваги по відношенню один до одного. Що ж тоді в системі урівноважене? Урівнова­жені сили впливу на кожний компонент системи (напр., підведення і відведен­ня тепла, підвищення і падіння тиску, ін.). Рівновага - але динамічна. Тому стаціонарний стан називають також стійкою нерівноважністю.

Стан стаціонарності системам вдається забезпечити завдяки підтриманню гомеостазу,

Гомеостаз (від грец. homoios - подібний, однаковий і statis - нерухомість, стан) - динамічна відносна сталість складу і вла­стивостей системи. Гомеостаз необхідний системі з двох причин. По-перше, окремі складові ланки системи (її підсистеми) можуть функціо­нувати лише у відносно вузькому інтервалі своїх параметрів. По-друге (що безпосередньо пов'язано з першою причиною), для такого функціонування потрібне підтримання у відносно вузь­ких інтервалах різниці потенціалів як між системою і зовніш­нім середовищем, так і між окремими частинами системи.

Гомеостаз є феноменальним винаходом і витвором природи. Саме завдяки гомеостазу вдається забезпечити передумови не­зворотності та спрямованості перебігу фізико-хімічних процесів. Роль стаціонарності та гомеостазу в процесах існування і розвит­ку систем стає добре зрозумілою на прикладі живих організмів. Власне, гомеостаз - це те, що робить будь-яке ціле, складене з частин (а саме такий первісний зміст терміна «система»), си­стемою, що самоорганізується. Стаціонарність і гомеостаз системи забезпечують її стій­кість і самобутність.

Термін «гомеостаз(ис)» запропонував У. Кеннон у 1929 році для характеристики станів і процесів, що забезпечують стій­кість організму. Однак ідея про існування фізіологічних меха­нізмів, спрямованих на підтримання сталості внутрішнього се­редовища організму, була висловлена ще в другій половині XIX ст. К. Бернаром. Він розглядав стабільність фізико-хімічних умов у внутрішньому середовищі як основу свободи і неза­лежності живих організмів у зовнішньому середовищі, яке за­знає постійних змін.

Виникнення життя на Землі, поява одноклітинних організ­мів були пов'язані з формуванням і безупинною підтримкою в клітині протягом усього життя специфічних фізико-хімічних умов, які відрізняються від умов навколишнього середовища. У багатоклітинних організмів з'являється внутрішнє середовище, у якому перебувають клітини різних органів і тканин, відбува­ється розвиток і удосконалення механізмів гомеостазу. У ході еволюції формуються спеціалізовані органи кровообігу, дихан­ня, травлення, виділення й ін., що беруть участь у підтриманні гомеостазу. Виникнення на Землі живих організмів, які досконало опа­нували техніку управління гомеостазом, стало колосальним по­штовхом у розвитку природи планети, який різко прискорив темпи еволюційних процесів.