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. 

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20