- •Электронное оглавление
- •Капсулы (вставки)
- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •Часть I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА
- •Глава 1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ
- •Владимир Иванович Вернадский
- •1.1. Этапы развития и становления естествознания
- •1.1.1. Программа Платона
- •1.1.2. Представления Аристотеля
- •1.1.3. Модель Демокрита
- •1.2. Проблемы естествознания на пути познания мира
- •1.2.1. Физический рационализм
- •1.2.2. Методы познания
- •Эрнест Резерфорд
- •1.2.3. Целостное восприятие мира
- •1.2.4. Физика и восточный мистицизм
- •1.2.5. Взаимосвязь естественных и гуманитарных наук
- •Вернер Гейзенберг
- •1.2.6. Синергетическая парадигма
- •1.2.7. Универсальный принцип естествознания — принцип дополнительности Бора
- •Нильс Бор
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Глава 2. МЕХАНИКА ДИСКРЕТНЫХ ОБЪЕКТОВ
- •2.1. Трехмерность пространства
- •2.2. Пространство и время
- •Исаак Ньютон
- •Рис. 2.1. Изображение мировой линии в пространственно-временной системе отсчета
- •2.3. Особенности механики Ньютона
- •2.4. Движение в механике
- •2.5. Законы Ньютона — Галилея
- •2.6. Законы сохранения
- •2.7. Принципы оптимальности
- •2.8. Механическая картина мира
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Глава 3. ФИЗИКА ПОЛЕЙ
- •3.1. Определение понятия поля
- •Рис. 3.1. Модель силовых линий поля.
- •3.2. Законы Фарадея — Максвелла для электромагнетизма
- •3.3. Электромагнитное поле
- •3.4. Гравитационное поле
- •3.5. Электромагнитная картина мира
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Глава 4. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА — МОСТ МЕЖДУ МЕХАНИКОЙ И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМОМ
- •4.1. Физические начала специальной теории относительности (СТО)
- •А. Эйнштейн
- •4.1.1. Постулаты А. Эйнштейна в СТО
- •4.1.2. Принцип относительности Г. Галилея
- •Рис. 4.2. Преобразование Галилея х'= х— vt связывает положение тела Ρ в системах отсчета К и К'.
- •Рис. 4.3. Изменение электромагнитных сил в неподвижной К и подвижной К' системах отсчета.
- •4.1.3. Теория относительности и инвариантность времени
- •4.1.4. Постоянство скорости света
- •Рис. 4.5. «Поезд Эйнштейна»
- •4.1.5. Преобразования Г. Лоренца
- •4.1.6. Изменение длины и длительности времени в СТО
- •Рис. 4.6. Сокращение длины отрезка в направлении перемещения для системы, движущейся со скоростью ν ≈ с.
- •4.1.7. «Парадокс близнецов»
- •4.1.8. Изменение массы в СТО
- •4.2. Общая теория относительности (ОТО)
- •4.2.1. Постулаты ОТО
- •4.2.2. Экспериментальная проверка ОТО
- •Рис. 4.7. Отклонение световых лучей от звезды S при прохождении около Солнца от прямолинейной траектории.
- •4.2.3. Гравитация и искривление пространства
- •Рис. 4.8. Движение субъектов А и В с экватора точно на север по параллельным траекториям.
- •4.2.4. Основные итоги основ теории относительности
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Глава 5. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ И КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
- •5.1. Описание процессов в микромире
- •Первое.
- •Второе.
- •5.2. Необходимость введения квантовой механики
- •Эрвин Шрёдингер
- •абсолютно черное тело
- •корпускулярно-волновой дуализм
- •Луи де Бройль
- •5.3. Гипотеза Планка
- •Макс Планк
- •5.4. Измерения в квантовой механике
- •5.5. Волновая функция и принцип неопределенности В. Гейзенберга
- •Вольфганг Паули
- •5.6. Квантовая механика и обратимость времени
- •5.7. Квантовая электродинамика
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Глава 6. ФИЗИКА ВСЕЛЕННОЙ
- •6.1. Космологическая модель А. Эйнштейна — A.A. Фридмана
- •6.2. Другие модели происхождения Вселенной
- •6.2.1. Модель Большого Взрыва
- •Георгий Антонович Гамов
- •6.2.2. Реликтовое излучение
- •6.2.3. Расширяется или сжимается Вселенная?
- •6.2.4. Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва
- •Рис. 6.1. Схема физической истории Вселенной.
- •6.2.5. Модель раздувающейся Вселенной
- •6.3. Современные представления об элементарных частицах как первооснове строения материи Вселенной
- •Поль Дирак
- •6.3.1. Классификация элементарных частиц
- •Рис. 6.2. Схема классификации элементарных частиц.
- •6.3.2. Кварковая модель
- •Таблица 6.1
- •Таблица 6.2
- •Таблица 6.3
- •6.4. Фундаментальные взаимодействия и мировые константы
- •6.4.1. Мировые константы
- •6.4.2. Фундаментальные взаимодействия и их роль в природе
- •6.4.3. Из чего же состоит вещество Вселенной?
- •Рис. 6.3. Возможные формы стабильной материи во Вселенной
- •6.4.4. Черные дыры
- •6.5. Модель единого физического поля и многомерность пространства—времени
- •6.5.1. Возможность многомерности пространства
- •Рис. 6.4. Модель трехмерного частотного пространства (ОД — оптический диапазон, видимая часть спектра, УФ — ультрафиолетовая, ИК — инфракрасная).
- •6.6. Устойчивость Вселенной и антропный принцип
- •6.6.1. Множественность миров
- •Рис. 6.5. Схематическое изображение областей, соответствующих устойчивым областям Вселенной.
- •6.6.2. Иерархичность структуры Вселенной
- •Рис. 6.6. Масштабы Вселенной
- •Рис. 6.7. Масштабы микромира
- •6.7. Антивещество во Вселенной и антигалактики
- •6.8. Механизм образования и эволюции звезд
- •Рис. 6.8. Схематическое изображение протон-протонной цепочки.
- •6.8.2. Углеродо-азотный цикл
- •6.8.3. Эволюция звезд
- •Рис. 6.10. Диаграмма эволюции звезд населения I.
- •6.8.4. Пульсары
- •Рис. 6.11. Модель пульсара, предложенная Голдом.
- •6.8.5. Квазары
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Глава 7. ПРОБЛЕМА «ПОРЯДОК—БЕСПОРЯДОК» В ПРИРОДЕ И ОБЩЕСТВЕ. СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
- •7.1. Неравновесная термодинамика и синергетика
- •7.2. Динамика хаоса и порядка
- •7.3. Модель Э. Лоренца
- •7.4. Диссипативные структуры
- •7.6. Реакции Белоусова — Жаботинского
- •7.7. Динамический хаос
- •7.8. Фазовое пространство
- •7.9. Аттракторы
- •Рис. 7.1. Изображение аттракторов на фазовых диаграммах.
- •Рис. 7.2. Бифуркационная диаграмма (А — характеристика системы, λ — управляющий параметр).
- •7.10. Режим с обострением
- •7.11. Модель Пуанкаре описания изменения состояния системы
- •7.12. Динамические неустойчивости
- •7.13. Изменение энергии при эволюции системы
- •7.14. Гармония хаоса и порядка и «золотое сечение»
- •Леонардо да Винчи
- •7.15. Открытые системы
- •7.16. Принцип производства минимума энтропии
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Глава 8. СИММЕТРИЯ И АСИММЕТРИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЯВЛЕНИЯХ
- •8.1. Симметрия и законы сохранения
- •8.2. Симметрия—асимметрия
- •8.3. Закон сохранения электрического заряда
- •8.4. Зеркальная симметрия
- •8.5. Другие виды симметрии
- •8.6. Хиральность живой и неживой природы
- •Рис. 8.1. Зеркальная симметрия молекул воды (а) и бутилового спирта (б).
- •8.7. Симметрия и энтропия
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Глава 9. СОВРЕМЕННАЯ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА С ПОЗИЦИИ ФИЗИКИ
- •9.1. Классификация механик
- •Рис. 9.1. Куб фундаментальных физических теорий.
- •9.2. Современная физическая картина мира
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Часть II. ФИЗИКА ЖИВОГО И ЭВОЛЮЦИЯ ПРИРОДЫ И ОБЩЕСТВА
- •Глава 10. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ ЖИВОГО
- •Глава 11. ОТ ФИЗИКИ СУЩЕСТВУЮЩЕГО К ФИЗИКЕ ВОЗНИКАЮЩЕГО
- •11.1. Термодинамические особенности развития живых систем
- •11.1.1. Роль энтропии для живых организмов
- •11.1.2. Неустойчивость как фактор развития живого
- •11.2. Энергетический подход к описанию живого
- •11.2.1. Устойчивое неравновесие
- •11.3. Уровни организации живых систем и системный подход к эволюции живого
- •11.3.1. Иерархия уровней организации живого
- •11.3.2. Метод Фибоначчи как фактор гармонической самоорганизации
- •11.3.3. Физический и биологический методы изучения природы живого
- •11.3.4. Антропный принцип в физике живого
- •11.3.5. Физическая эволюция Л. Больцмана и биологическая эволюция Ч. Дарвина
- •11.4. Физическая интерпретация биологических законов
- •11.4.1. Физические модели в биологии
- •11.4.2. Физические факторы развития живого
- •11.5. Пространство и время для живых организмов
- •11.5.1. Связь пространства и энергии для живого
- •11.5.2. Биологическое время живой системы
- •11.5.3. Психологическое время живых организмов
- •11.6. Энтропия и информация в живых системах
- •11.6.1. Ценность информации
- •11.6.2. Кибернетический подход к описанию живого
- •11.6.3. Роль физических законов в понимании живого
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА:
- •Глава 12. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ПРИНЦИПЫ БИОЛОГИИ
- •12.1. От атомов к протожизни
- •12.1.1. Гипотезы происхождения жизни
- •12.1.2. Необходимые факторы возникновения жизни
- •12.1.3. Теория абиогенного происхождения жизни А.И. Опарина
- •12.1.4. Гетеротрофы и автотрофы
- •12.2. Химические процессы и молекулярная самоорганизация
- •12.2.1. Химические понятия и определения
- •Рис. 12.1. Схема изменения свободной энергии и химической связи в молекулах живых организмов.
- •12.2.2. Аминокислоты
- •12.2.3. Теория химической эволюции в биогенезе
- •12.2.4. Теория молекулярной самоорганизации М. Эйгена
- •12.2.5. Циклическая организация химических реакций и гиперциклы
- •12.3. Биохимические составляющие живого вещества
- •12.3.1. Молекулы живой природы
- •12.3.2. Мономеры и макромолекулы
- •12.3.3. Белки
- •Рис. 12.2. Структура белка-миоглобина.
- •Рис. 12.3. Структуры 20 аминокислот, встречающихся в белках.
- •12.3.4. Нуклеиновые кислоты
- •Рис. 12.4. Строение нуклеотида — мономера нуклеиновых кислот.
- •Рис. 12.5. Двойная спираль молекулы ДНК.
- •Рис. 12.6. Построение нуклеиновой кислоты из нуклеотидов.
- •12.3.5. Углеводы
- •Рис. 12.7. Структура АТФ.
- •Рис. 12.8. Схема получения свободной энергии с участием АТФ.
- •Рис. 12.9. Схема образования молекулы АТФ.
- •Рис. 12.10. Схема цикла Липмана по участию молекул фосфора в энергетических процессах живого организма.
- •12.3.6. Липиды
- •Рис. 12.11. Структура ненасыщенных (а) и насыщенных (б) жирных кислот.
- •Рис. 12.12. Растворение ионного конца жирной кислоты в воде.
- •Рис. 12.13. Растворение углеводородных цепей мыла в масле.
- •12.3.7. Роль воды для живых организмов
- •12.4. Клетка как элементарная частица молекулярной биологии
- •12.4.1. Строение клетки
- •Рис. 12.14. Строение клетки.
- •12.4.2. Процессы в клетке
- •12.4.3. Клеточные мембраны
- •12.4.4. Фотосинтез
- •12.4.5. Деление клеток и образование организма
- •Рис. 12.15. Клеточный цикл.
- •12.5. Роль асимметрии в возникновении живого
- •12.5.1. Оптическая активность вещества и хиральность
- •12.5.2. Гомохиральность и самоорганизация в живых организмах
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Глава 13. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ВОСПРОИЗВОДСТВА И РАЗВИТИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ
- •13.1. Информационные молекулы наследственности
- •13.1.1. Генетический код
- •13.1.2. Гены и квантовый мир
- •Иерархия и сопоставление элементов в физическом и генетическом атомизме
- •13.2. Воспроизводство и наследование признаков
- •13.2.1. Генотип и фенотип
- •Геном
- •Генофонд
- •13.2.2. Законы генетики Г. Менделя
- •13.2.3. Хромосомная теория наследственности
- •13.3. Процессы мутагенеза и передача наследственной информации
- •13.3.1. Мутации и радиационный мутагенез
- •Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский
- •13.3.2. Мутации и развитие организма
- •13.4. Матричный принцип синтеза информационных макромолекул и молекулярная генетика
- •13.4.1. Передача наследственной информации через репликации
- •Рис. 13.1. Репликация ДНК.
- •13.4.2. Матричный синтез путем конвариантной редупликации
- •13.4.3. Транскрипция
- •13.4.4. Трансляция
- •Рис. 13.2. Схема биосинтеза белков.
- •Рис. 13.3. Основные этапы процесса передачи генетической информации.
- •13.4.5. Отличия белков и нуклеиновых кислот
- •13.4.6. Новый механизм передачи наследственной информации и прионные болезни
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Глава 14. ФИЗИЧЕСКОЕ ПОНИМАНИЕ ЭВОЛЮЦИОННОГО И ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ
- •14.1. Онтогенез и филогенез. Онтогенетический и популяционный уровни организации жизни
- •14.1.1. Закон Геккеля для онтогенеза и филогенеза
- •14.1.2. Онтогенетический уровень жизни
- •14.1.3. Популяции и популяционно-видовой уровень живого
- •14.2. Физическое представление эволюции
- •14.2.1. Синтетическая теория эволюции
- •14.2.2. Эволюция популяций
- •14.2.3. Элементарные факторы эволюции
- •14.2.4. Живой организм в индивидуальном и историческом развитии
- •14.2.5. Геологическая эволюция и общая схема эволюции Земли по H.H. Моисееву
- •14.3. Аксиомы биологии
- •14.3.1. Первая аксиома
- •14.3.2. Вторая аксиома
- •14.3.3. Третья аксиома
- •14.3.4. Четвертая аксиома
- •14.3.5. Физические представления аксиом биологии
- •14.4. Признаки живого и определения жизни
- •14.4.1. Совокупность признаков живого
- •14.4.2. Определения жизни
- •14.5. Физическая модель демографического развития СП. Капицы
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Глава 15. ФИЗИЧЕСКИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПОЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР
- •15.1. Физические поля и излучения функционирующего организма человека
- •Рис. 15.1. Схема физических полей в организме человека
- •15.1.1. Электромагнитные поля и излучения живого организма
- •Рис. 15.2. Распределение вокруг человека электрического поля, образующегося в результате биоэлектрической активности его сердца.
- •15.1.2. Тепловое и другие виды излучений
- •15.2. Механизм взаимодействия излучений человека с окружающей средой
- •15.2.1. Электромагнитное и ионизирующее излучения
- •15.2.2. Возможности медицинской диагностики и лечения на основе излучений из организма человека
- •15.3. Устройство памяти. Воспроизводство и передача информации в организме
- •15.3.1. Физические процессы передачи информационного сигнала в живом организме
- •Рис. 15.3. Строение нейрона.
- •Рис. 15.4. Электрический потенциал действия нервного импульса.
- •15.3.2. Физическая основа памяти
- •15.3.3. Человеческий мозг и компьютер
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Глава 16ю ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОСФЕРЫ И ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ
- •16.1. Структурная организованность биосферы
- •16.1.1. Биоценозы
- •16.1.2. Геоценозы и биогеоценозы. Экосистемы
- •16.1.3. Понятие биосферы
- •16.1.4. Биологический круговорот веществ в природе
- •16.1.5. Роль энергии в эволюции
- •Рис. 16.1. Распределение солнечной энергии, поступающей на Землю.
- •16.2. Биогеохимические принципы В.И. Вернадского и живое вещество
- •16.2.1. Живое вещество
- •16.2.2. Биогеохимические принципы В.И. Вернадского
- •16.3. Физические представления эволюции биосферы и переход к ноосфере
- •16.3.1. Основные этапы эволюции биосферы
- •16.3.2. Ноосфера
- •16.3.3. Преобразование биосферы в ноосферу
- •16.4. Физические факторы влияния Космоса на земные процессы
- •Рис. 16.2. Общая схема солнечно-земных связей.
- •Рис. 16.3. Взаимодействие заряженных частиц от Солнца с магнитным полем Земли.
- •16.4.1. Связь Космоса с Землей по концепции А.Л. Чижевского
- •Александр Леонидович Чижевский
- •16.5. Физические основы экологии
- •16.5.1. Увеличение антропогенной нагрузки на окружающую среду
- •16.5.2. Физические принципы ухудшения экологии
- •16.6. Принципы устойчивого развития
- •16.6.1. Оценки устойчивости биосферы
- •16.6.2. Концепция устойчивого развития и необходимость экологического образования
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Глава 17. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ САМООРГАНИЗАЦИИ В ЭКОНОМИКЕ
- •17.1. Экономическая модель длинных волн Н. Д. Кондратьева
- •17.2. Обратимость и необратимость процессов в экономике
- •17.3. Синергетические представления устойчивости в экономике
- •17.4. Физическое моделирование рынка
- •17.5. Циклический характер экономических процессов в модели Н.Д. Кондратьева
- •17.6. Модель колебательных процессов в экономике
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Основная
- •Дополнительная
- •ТЕМЫ КУРСОВЫХ РАБОТ, РЕФЕРАТОВ И ДОКЛАДОВ
- •ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ И ЭКЗАМЕНУ
- •СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
- •ЛИТЕРАТУРА
- •СОДЕРЖАНИЕ
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru |
147 |
самоорганизации. Предпринимаются попытки на базе современных физических моделей объяснить возникновение и развитие различных изменений в сложных объектах косной и живой природы, т.е. привнести в описательные науки о природе и живом (географию, геологию и др.) некие физические начала. В этом смысле физику живого можно рассматривать как феномен постнеклассической физики.
Как известно, долгое время прерогатива в решении этих вопросов принадлежала биологии, однако с развитием ее теоретической базы и возникновением молекулярной биологии и молекулярной генетики удалось физико-химическими причинами объ-
242
яснить механизмы организации живого, передачи генетического кода и синтеза клеток, белков, аминокислот и других важных для жизни молекулярных соединений. Это привело к пониманию физических причин биологических процессов на основе классических представлений о строении вещества и его взаимодействии через поля и неравновесных нелинейных процессов самоорганизации в сложных физико-химических системах, какими являются живые организмы.
Такой подход не означает механистическое приложение и использование количественных законов физики в этих описательных компонентах нашего знания о живой природе, а является шагом вперед в понимании эволюции мира и зарождения жизни с позиции физики. Поэтому в физике живого мы можем использовать весь аппарат естественно-научных методов познания и холистического подхода современного естествознания к описанию всего сущего, исключая возможность применить псевдофилософские и теологические построения.
На самом деле осмысление того, что происходит во Вселенной, в самом человеке, осознание своей причастности к Универсуму и своего положения в нем в значительной мере определяются пониманием самой сущности жизни, и физика уже не может игнорировать эти вопросы.
11.1. Термодинамические особенности развития живых систем
Жизнь больше не выглядит как островок сопротивления второму началу термодинамики или как деятельность каких-то демонов Максвелла.
Она возникает теперь как следствие общих законов физики.
И. Пригожин
К знанию ведут три пути:
Первый - размышление - самый благородный, Второй. - подражание - самый лёгкий, Третий - опыт -· самый горкий.
Конфуций
Еще в 1945 г. один из основателей квантовой физики Э. Шрёдингер в своей знаменитой книге «Что такое жизнь с точки зрения физики» [25] попытался дать общие соображения о термодинамике жизненных процессов.
Заметим, что именно эта работа подтолкнула многих физиков заниматься молекулярной биологией, а некоторых привела и к Нобелевской премии.
243
Основная идея Шрёдингера заключалась в том, что «живая материя уклоняется от деградации к равновесию». Но равновесие в изолированной, замкнутой системе характеризуется согласно классической термодинамике максимумом энтропии. Значит, если система «уклоняется» от равновесия, то она должна постоянно компенсировать рост энтропии какой-то энергией, с точки зрения физики — свободной энергией. Из термодинамических законов следует, что свободная энергия определяется как
F= U- ST,
где S — энтропия, U — внутренняя энергия системы, ST — связанная энергия. В целом энергия системы состоит из свободной и связанной энергий.
Свободная энергия — та часть внутренней энергии, за счет которой может совершаться работа, а связанная энергия согласно первому началу термодинамики δQ = dU + δА определяется теплотой δQ = SdT и не может быть превращена в полезную работу δА. Связанная энергия, которая рассеивается в окружающее пространство, как раз и характеризуется энтропией S.
Из сказанного следует, что Э. Шрёдингер уже предполагал, хотя и неявно, что живой организм — это открытая система, обменивающаяся с окружающей средой энергией и
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru |
148 |
материей1.
11.1.1. Роль энтропии для живых организмов
Из физики существующего (первая часть курса) нам известно, что все превращения энергии описываются термодинамическими законами, которые при правильно сформулированных физических ограничениях и адекватных физических моделях применимы и для жизненных процессов. Как следует из приведенного определения свободной энергии, уменьшение энтропии (возникновение отрицательной энтропии, негэнтропии, по Шрёдингеру) в живом организме при взаимодействии его с окружающей средой приводит к росту свободной энергии. А из термодинамики известно («властная тетка!» из гл. 7), что увеличение свободной энергии происходит с упорядочением системы, ее усложнением и отклонением от равновесия.
Э. Шрёдингер считал, что живые организмы «извлекают упорядоченность из окружающей среды», питаются структурирован-
1См. также: Горбачев В.В. Термодинамические особенности живых систем // Физика
имеханика на пороге XXI века. № 2. — М.: МГУП, 1999.
244
ной, упорядоченной пищей, а отдают природе менее структурированные «отходы» «производства» своей жизнедеятельности. Это общее положение биологи развивают как возникновение специфической упорядоченности для разных видов животных («волчья» и «заячья» упорядоченности, по Медникову [14]). Поступающая пища сначала расщепляется до низкомолекулярных веществ, аминокислот, углеводов, Сахаров и т.д., общих для всей живой природы, а затем за счет поглощения энергии извне из «элементарных кирпичиков» жизни организмы строят присущие лишь им белки. Поэтому каждый организм характерен неповторимой, именно ему присущей комбинацией белковых молекул, своей специфичной упорядоченностью.
Таким образом, живая природа избегает возрастания энтропии и повышает ее в окружающей среде при общении живого организма с ней. Энтропия — «омертвленная» энергия, которую нельзя превратить в работу. Вспомним еще раз, что по законам классической термодинамики в изолированных системах теплота полностью не переходит в работу, она рассеивается, т.е. процесс идет от порядка к хаосу. Для живых организмов как открытых систем с физической точки зрения акт творения живого будет состоять в спонтанной трансформации тепловой энергии необратимых флуктуаций в целенаправленную механическую работу создания высокоорганизованной системы именно за счет свободной энергии. Следовательно, динамическая неравновесность живых систем свидетельствует об их непременной упорядоченности, так как равновесие соответствует беспорядку, хаосу и это равновесие приводит к смерти живого организма, когда его энтропия максимальна.
Энтропия выступает как мера хаоса, неопределенности, усреднения поведения объектов, установления стабильного состояния и даже определенного единообразия. Жизнедеятельность биологических объектов показывает, что они не хотят подчиняться термодинамическому закону для изолированных систем. Одним из биологических законов развития является как раз разнообразие видов биологических организмов, что обязательно должно приводить к уменьшению энтропии в живых системах. Так, например, гипотетическое появление белой вороны в стае черных означает уменьшение энтропии стаи, а увеличение неопределенности в статистических хаотических состояниях с максимальной энтропией вызывает у человека психическую напряженность, дискомфорт, неудовлетворенные потребности, от-
245
рицательные эмоции. Поэтому наш организм и стремится минимизировать именно энтропию.
Для материальных объектов неживой природы при небольших отклонениях от равновесия даже для нестационарных процессов в рамках классической термодинамики между потоками вещества и силами, вызывающими движение этих потоков, существуют линейные соотношения Онзагера
Jι = ∑LijXj,
где Ji — поток, Xj — термодинамическая сила, Lij — линейный коэффициент. Оказалось, что для сложных самоорганизующихся объектов живой природы процессы
обмена веществом и энергией с окружающей средой неравновесны макроскопически, идут при наличии условий применения химических веществ, температуры, электрических
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru |
149 |
потенциалов, давления, а не подчиняются соотношениям Онзагера. Коэффициенты Lij становятся нелинейными. Поэтому и самоорганизация живых организмов является
нелинейным процессом.
Как мы обсуждали в гл. 7, уравнения, описывающие такую систему, являются нелинейными и множеству решений нелинейного уравнения соответствует множество путей эволюции живой системы, которые и описываются этими нелинейными уравнениями. Возникновение нелинейности обусловлено усилением флуктуаций процессов, изменением пороговой чувствительности к управляющим параметрам, появлением бифуркаций и непредсказуемостью изменений направлений процессов при дискретности возможных путей эволюций. Представления синергетики полностью вписываются в самоорганизацию сложных систем как неживой, так и живой природы. Заметим, что так же, как и ранее, под самоорганизацией мы понимаем установление в неравновесной диссипативной среде пространственных структур, которые могут развиваться и во времени. Их параметры определяются уже свойствами самой среды и мало зависят от источника неравновесности в виде потоков энергии и вещества, начального состояния среды и условий на границах среды. Согласно К. Денбигу энтропию нельзя однозначно связать только с беспорядком. Так, при спонтанной кристаллизации переохлажденной жидкости в адиабатических условиях энтропия возрастет, но при этом возрастет и порядок. В то же время порядок и организация не являются одним и тем же: обои с геометриче-
246
ским узором более упорядочены, чем картины Сезанна, но последние гораздо более организованны. Аналогично живая клетка значительно более организованна, чем кристалл, хотя кристалл и более упорядочен. Примерами организованности в пространстве являются картины художников, во времени — ноты и знаки в музыкальном воспроизведении; научные теории и математические формулы организованны в логическом пространстве и т.д.
11.1.2. Неустойчивость как фактор развития живого
Неустойчивость состояний самоорганизующихся, в том числе и биологических, систем становится одним из главных факторов их развития. Она началась из хаотического состояния, но законы неравновесной термодинамики привели ее к направленному ходу развития. Становление новых форм происходит тогда, когда система в ходе своих внутренних перестроек и усложнений приобретает признаки неустойчивости. Это приводит к качественным изменениям через точки бифуркации, и характер этого механизма именно нелинейный. При этом под неустойчивостью можно понимать и возникновение режимов сверхбыстрого нарастания развития («режимы с обострением»), процессов с нелинейной положительной связью, а не просто попадание системы в точки бифуркации. Заметим, что понятие бифуркаций (для гуманитариев, по Тютчеву, «минут роковых») вводит в физико-химическую основу биологических явлений представления об истории и памяти, элементы которых прежде относились к социальным и другим гуманитарным наукам.
Понятие биологической изменчивости и приспособляемости живых организмов в рамках теории самоорганизации означает, что те живые системы, которые не смогли охватить диапазон жизненно важных воздействий внешней среды на них, попросту вымерли, не выдержав борьбы за существование. В качестве эпитафии для них можно было бы применить образное выражение А.И. Молчанова: «Они были слишком линейны для этого мира» [22].
С точки зрения энергетических представлений в объяснении феномена живого для устойчивого состояния характерно минимальное производство энтропии, а для неустойчивого стационарного состояния — максимальное ее производство. Как это связать с рассмотренным принципом производства минимума энтропии Гленсдорфа — Пригожина? (см. § 7.16). По-видимому, развитие организма идет через неустойчивости, но в целом он
247
стремится сохранить свою стабильность, упорядоченность на макроскопическом уровне запасенной свободной энергии, «выкинув» ненужный ему избыток энтропии в окружающую среду.
Живой организм — это открытая система, но если ее рассматривать вместе с внешней средой, то они образуют общую закрытую систему, в которой в целом согласно
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.