Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
КСЕ / Горбачев_КСЕ 2003.pdf
Скачиваний:
329
Добавлен:
13.02.2015
Размер:
8.23 Mб
Скачать

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.

Соседние файлы в папке КСЕ