Жанр: Электронное издание
158_86
...пирался на факты, говорящие, по его мнению, о
167
несправедливости применительно к процессу онтогенеза теоремы
Пригожим о минимуме производства энтропии. Тринчеру правильно было
указано, что если даже данная теорема и неприменима к онтогенезу, то
это еще не говорит о крахе всей термодинамики, поскольку живой
организм, вообще говоря, не описывается линейной неравновесной термо
динамикой Онсагера, в рамках которой доказывается указанная 'теорема.
Не говоря уже о том, пишут критики, что калориметрические эксперимен
тальные данные, на которых строятся выводы о несправедливости теоре
мы, здесь недостаточны, поскольку свой вклад в производство энтропии
вносят и трудно учитываемые структурные изменения в организме, не
связанные с выделением или поглощением тепла.
Что же касается критики Тринчером собственно второго начала в его
отношении к живым системам, то здесь наибольшие возражения вызвал
следующий тезис Тринчера, являющийся для него основным: "Производ
ство энтропии в окружающей живую систему среде равно в количествен
ном отношении производству негэнтропии внутри живой системы" [49,
с. 41]. Второе начало не допускает процессы, сводящиеся к уменьшению
энтропии одной части изолированной системы за счет равного увеличения
энтропии в другой ее части, иначе в системе при наличии в ней
необратимых процессов изменение энтропии было бы равно нулю.
Поэтому, выдвигая, свой тезис, Тринчер фактически отменяет второе
начало для изолированной системы "живая система + среда". То есть,
"постулирует нарушение второго начала в живой системе, а не дока
зывает это ответственное утверждение" [18].
Дискуссия, вызванная книгой Тринчера, позволяет сделать вывод, что
экспериментальных доказательств несправедливости второго начала
применительно к живым системам пока не существует. Но это само по
себе еще не зачеркивает всю рассматриваемую концепцию. И.А. Арш
авский [1], например, хорошо знаком с книгой Тринчера и согласен с
критикой в ее адрес. Тем не менее, он также полагает, что второе начало
не действует в живом организме.
Концепция Тринчера и других представляется несостоятельной уже изз
а ее антиэволюционного характера. Последовательное ее проведение
приводит к признанию невозможности возникновения живой материи из
неживой.
Обсуждаемая концепция неверна и из-за проводящегося в ней
противопоставления живой и неживой материи по характеру эволюции.
Неверно, что возрастание структурной организации свойственно только
живой материи, в неживой наблюдаются те же процессы усложнения.
Вдвойне неправ в этой связи У. Байер [60], полагающий, что второе
начало неприложимо к живым системам из-за их открытости, будучи
приложимым лишь к изолированным системам. Во-первых, он неправ
потому, что забывает о локальной формулировке второго начала,
распространяющейся и на открытые системы. По этой же причине
неправы, добавим, 0.Д. Хвольсон [55] и Д.П. Гохштейн [22], отказы
вающиеся распространять второе начало на бесконечную Вселенную:
локальная формулировка второго начала делает его применимым к любой
макроскопической части любой системы, живой или неживой, конечной
или бесконечной. Во-вторых, и это сейчас для нас основное, У. Байер
неправ, пытаясь противопоставить в указанном отношении живые
системы неживым: живые системы всегда открыты, это верно. Но ведь и
среди неживых систем распространены открытые, которые рассматри
ваются, например, синергетикой, о чем речь впереди.
Г.П. Покой [114] ограничивает действие второго начала в живом,
избавляя последнее от тепловой смерти иначе. "Насколько это касается
происхождения жизни, - утверждает он, - термодинамика и "тепловая
смерть" Вселенной к делу не относятся. Мы должны рассматривать
генетическую энтропию, а не термодинамическую". Живое, полагает
Покой, подчиняется второму началу. Но термодинамическая энтропия и
энтропия, фигурирующая в биологии, - это разные и несопостайимые
величины.
йокей, конечно, прав, говоря, что второе начало как закон термодина
мики, если его прилагать к живым системам, характеризует их только как
термодинамические, но никак не собственно биологические системы. И
потому не в состоянии описать их развитие. Но он не прав, сужая область
применения закона возрастания энтропии рамками термодинамики.
С точки зрения изложенной выше обобщенной трактовки второго
начала, спор противников и сторонников его применимости к живым
системам предстает в новом свете. Если говорить о втором начале как
тепловом или - шире - физическом законе, охватывающем только
физические переменные, то тогда правы, очевидно, противники его
распространения на живое: в таком его усеченном виде второе начало
может здесь и нарушаться. Но такая трактовка закона возрастания
энтропии является, как мы видели, искусственной, природа сама по себе
не знает деления переменных на "физические" и "структурные", это
деление вносит человек, ее изучающий. Если же о втором начале
говорить в широком плане, охватывая "все" множество переменных,
физических и структурных, то тогда правы, очевидно, сторонники его
распространения на живые системы.
Резюмируя, мы должны сказать, что попытки как-то ограничить
действие второго начала сегодня постепенно сходят на нет.
Четвертое направление: концепция Шредингера и других
Эта концепция сегодня общепринята. Она также воздвигает барьер
между живым и неживым, но делает это таким образом, чтобы второе
начало не ставилось под сомнение. Э. Шредингер опирается на локальную
формулировку закона возрастания энтропии, считая его "наиболее общим
и всеохватывающим законом" [57, с. 112].
Костяк концепции Шредингера и других составляют две идеи. Согласно
первой из них, живая система отличается от неживой тем, что является
сугубо неравновесной, избегая перехода в инертное равновесное
состояние. По-видимому, первым эту идею высказал Э.С. Бауэр под
названием принципа устойчивого неравновесия: "Все и только живые
системы, - писал он, - никогда не бывают в равновесии" [3, с. 43].
Шредингер высказывает эту же идею: "Именно в силу того, что организм
избегает быстрого перехода в инертное состояние "равновесия", он и
кажется столь загадочным" [57, с. 101]. Если же, пишет он, изолировать
или поместить в однородные условия неживую систему, то "всякое
движение обычно очень скоро прекращается... После этого система в
целом угасает, превращается в мертвую массу материи" (Там же, с. 100].
Вторая идея, лежащая в основании концепции Шредингера и других:
живая *система сохраняет неравновесность за счет среды, черпая в ней
необходимую упорядоченность, т.е. негэнтропию. Первым эту мысль
высказал Л. Больцман в уже упоминавшемся докладе 1886 г., в котором
говорил следующее: "Всеобщая борьба за существование живых
существ - это борьба... за энтропию (сейчас бы мы сказали - за
негантропию. - С-Х.), которая становится доступной при переходе
энергии от горячего Солнца к холодной Земле" [9].
Шредингер формулирует эту идею, естественно, несколько иначе.
Организм может избегнуть состояния максимальной энтропии, которое
представляет собою смерть, т.е. оставаться живым, пишет он, "только
путем постоянного извлечения из его окружающей среды отрицательной
энтропии... Отрицательная энтропия - вот то, чем организм питается"
[57, с. 102].
Подчеркнем, что краеугольным камнем всей концепции является
понимание энтропии как меры беспорядка. В этой связи Шредингер
констатирует удивительную способность "организма концентрировать на
себе "поток порядка", избегая таким образом перехода к атомному
хаосу, - способность "пить упорядоченность" из подходящей среды" (Там
же, с. 108].
Вполне понятно приписывание в этой схеме способности черпать
порядок в среде только живым системам. В самом деле, если признать
такую же способность и за неживыми системами, то тогда эти неживые
системы должны черпать, в свою очередь, порядок еще откуда-то, из
систем третьего типа. Но такого третьего типа систем не существует.
Но и в этой схеме остается вопрос, откуда же берется порядок в
неживых системах? Сам Шредингер отвечает на него не очень внятно. Он
говорит, что если в живом действует механизм "порядок из порядка",
причем порядок в (живой) системе черпается из порядка в среде, то
неживое обязано возникновением порядка принципу "порядок из
беспорядка", "которому, - говорит Шредингер, - в действительности
следует природа и который один дает объяснение огромному ряду
природных явлений и, в первую очередь, их необратимости ртам же,
с. 113].
Сегодня, когда рассматривают этот вопрос, опираются на "глобаль
ную" формулировку второго начала для замкнутой системы, согласно
которой для живой системы, как говорилось выше, убывает ее свободная
энергия (6), F = Е - TS.
Структура формулы (6), пишет, например, И. Пригожий, "отражает
конкуренцию между энергией Е и энтропией S. При низких температурах
второй член пренебрежимо мал, и минимальное значение S порождает
образования, соответствующие минимуму энергии и обычно малым
значениям энтропии. Однако по мере повышения температуры система
сдвигается в сторону со все более высокими значениями энтропии.
Опыт подтверждает эти соображения, так как при низких
температурах мы имеем твердое тело, для которого характерна
упорядоченная структура с малой энтропией, а при высоких температурах
мы имеем газообразное состояние вещества с высокой энтропией.
Образование определенных типов упорядоченных структур в физике
является следствием начал термодинамики, примененных к замкнутым
системам, находящимся в состоянии теплового равновесия" [37, с. 95].
0 чем здесь идет речь? Уменьшение свободной энергии (6), говорят
нам, может достигаться двумя путями. Во-первых, путем уменьшения
энергии Е и, во-вторых, путем увеличения энтропии S. При малых
значениях температуры Г системе становится выгоднее добиваться умень
шения свободной энергии за счет уменьшения Е, но не за счет увеличения
энтропии S.
Только полной безысходностью ситуации можно объяснить то, что эти
рассуждения кого-то удовлетворяют и сегодня. Как можно забывать о
том, что действует ведь и локальная формулировка второго начала?!
Системе не все равно, как ей минимизировать свободную энергию. Она не
может минимизировать ее с отрицательным производством энтропии'.
Одно из двух. Либо система черпает негэнтропию извне, и тогда мы опять
имеем схему концепции Шредингера и других, либо не черпает, и тогда в
ней, в силу положительности производства энтропии и согласно обычным
воззрениям на энтропию как меру беспорядка имеет место деструктуриров
ание. Третьего не дано.
Впрочем, как показало развитие событий в последние десятилетия,
"дано" как раз третье, ошибочными оказываются указанные воззрения о
связи энтропии с беспорядком. А тогда, после появления в 1944 г. книги
Э. Шредингера, до этого вывода было еще далеко. Хотя ученые, по всей
видимости, и ощущали внутреннюю недостаточность концепции и потреб
ность в дальнейшем ее развитии. Развитие это привело к трем модифика
циям концепции Шредингера и других, которые мы сейчас и рассмотрим.
Первая модификация концепции Шредингера и других:
синергетика
Термин "синергетика" предложен Г. Хакеном [54] для обозначения под
хода, в котором процессы самоорганизации изучаются с позиции теории
диссипативных структур. Этот подход развивается в физике, химии, био
логии и других дисциплинах. Здесь мы его коснемся лишь в той мере, в ка
кой в нем реализуется основная идея концепции Шредингера и других
об определяющей роли в процессах самоорганизации дихотомии сис
тема/среда.
Развивая идею Больцмана и Шредингера о том, что биологическая
структура поддерживается и развивается за счет потока энтропии, т.е..
потока обесцениваемой энергии, из системы в среду, синергетика вво
дит понятие диссипативной структуры как неравновесной структуры,
возникающей за счет открытости системы и обязанной, таким образом,
своим существованием дихотомии система/среда: уменьшение энтропии в
системе (упорядочивание) мыслится здесь происходящим исключительно
за счет роста энтропии (беспорядка) в среде.
Новым по отношению к идеям Шредингера и других является
использование в синергетике в качестве математического фундамента
нелинейных дифференциальных равнений вида
dxi/dt = Fj (xf, хн), (12)
где*, - переменные, описывающие систему, F, - нелинейные функции
этих переменных. Эти уравнения могут описывать автокаталитические
химические реакции, происходящие в организмах или специальных
химических реакторах (см. (41, 42, 25, а также статью В.И. Кузнецова в
настоящей книге)), колебания численности двух биологических видов,
конкурирующих за одну пищу [19], и т.д. и т.п. Однако всегда эти
уравнения возникают не в самой синергетике, но берутся ею как
результат обобщения внешних по отношению к ней опытных данных,
носят феноменологический характер. Анализ атих уравнений на устойчи
вость и численное их интегрирование и составляют, собственно, основное
содержание синергетики.
Системы уравнений вида (12) часто могут быть решены в "лоб"
численными методами. И тогда оказывается, что в фазовом пространстве
системы многие ее решения имеют вид характерных (фрактальных)
структур, тяготеющих к особым точкам и линиям (атракторам). Для
описания таких структур оказывается пригодным аппарат так называемой
фрактальной геометрии [см., например (94, 98)], разрабатываемой для
множеств, имеющих, вообще говоря, нецелую размерность.
Некоторые авторы утверждают в связи с развитием синергетики, что
эта наука существенно продвинула вперед решение проблемы противоре
чия второго начала эволюции жизни. "Жизнь, - говорят, например,
Пригожий и один его соавтор, - более не выглядит как островок сопротив
ления второму началу термодинамики" [21, с. 260]. Напротив, добавляют
Пригожин с другим соавтором, "жизнь, заведомо укладывающаяся в
рамки-естественного порядка, предстает перед нами как высшее проявле
ние происходящих в природе процессов самоорганизации" [38, с. 234].
Синергетика внесла в концепцию Шредингера и других, из которой она
выросла, весьма существенную поправку: оказалось, что дихотомия по
энтропии типа система/среда свойственна не только живым системам.
Оказалось, что структурообразующими уравнениями вида (12) описыва
ются явления самой разной природы. Например, в гидродинамике (так
называемые ячейки Бенара [см. (21, с. 8)]), физике лазеров [54, с. 22], хи
мии [30] и т.д.
Сам по себе факт, что не только живые системы обладают, как
оказалось, этой способностью, не разрушает концепцию Шредингера
и др. И более того, сообщает, казалось бы, теории эволюции, бази
рующейся на этой концепции, еще большую общность. "Очевидной и уни
версальной термодинамической основой структурообразования в косми
ческой, добиологической и биологической эволюции, - пишет, например,
М.В. Волькенштейн, - является "экспорт энтропии" - ее выделение
открытой системой" [16, с. 432].
Однако и с появлением синергетики остается без ответа основной для
всей концепции Шредингера и других вопрос: откуда берется порядок в
тех системах, которые служат "средой" для открытых систем с образую
щимися в них диссипативными структурами? Особенно интригующе звучит
этот вопрос для Вселенной, у которой никакой "среды" нет вообще.
Вторая модификация концепции Шредингера и других:
подключение к синергетике теории естественного отбора
Понятие естественного отбора представляет собой одно из тех
центральных понятий, на которых с самого начала формируется, как о
том говорится и в других разделах настоящей книги, единый идейный
поток теории самоорганизации, объединяющей учение о происхождении
жизни с теорией биологической эволюции и теорией эволюции вообще.
Еще А.И. Опарин говорил о "борьбе за существование" среди коацерв
атных капель [36, с. 98-101]. В книге А.П. Руденко [41] целая глава пос
вящена естественному отбору среди автокаталитических систем. М. Кальвин
также говорит о связи процессов автокатализа и "молекулярного
отбора" на стадии предбиологической эволюции [27, с. 149]. М. Эйген [58]
для количественного описания отбора в среде с ограниченным запасом
питательных веществ вводит в свою систему уравнений (типа уравнений
(12)), которой он моделирует процесс молекулярной эволюции, члены Wi,
характеризующие сравнительные "селективные ценности" ('-х сортов по
лимерных молекул и определяющие скорости их репродукции.
Сегодня роль естественного отбора в эволюции нельзя считать до кон
ца проясненной. Очень похоже на то, что он действительно является од
ним из механизмов эволюции, влияя каким-то образом на ее скорость. Нас
же в контексте настоящего исследования более всего интересует не то,
является ли естественный отбор вообще фактором эволюции, но более
частный вопрос: определяет ли он общую направленность эволюции в
сторону усложнения?
Ответ на этот вопрос сегодня придется дать отрицательный. В самом
деле, наряду с общей прогрессивной эволюцией в сторону усложнения
(ароморфозом), в живом мире наблюдаются как более частные ее формы
идиоадаптация (стабилизация уровня сложности) и, что наиболее сущест
венно, дегенерация (уменьшение сложности) [43]. И естественный отбор
как фактор эволюции несет ответственность (полную или частичную, это
уже другой вопрос) за все эти частные формы эволюции. Отсюда и сле
дует вывод, что сам по себе естественный отбор за общее направление
эволюции ответственности нести не может. Это касается живых систем,
но это верно и в отношении неживых, поскольку и в неорганическом мире
наряду с эволюционными процессами усложнения, несомненно, имеют
место и им обратные.
Таким образом, подключение к концепции Шредингера и других теории
естественного отбора не помогает выяснить чем же задается направление
эволюции.
Третья модификация концепции Шредингера и других:
дихотомия система / среда ускоряет рост энтропии
Концепция Шредингера и других, если взять ее как целое, включая две
очерченные выше модификации, удовлетворяет сегодня большинство
ученых, которые полагают, что дихотомия система/среда, характеризую
щая открытые системы с их потоками энтропии изнутри наружу, снимает
все противоречия эволюции в сторону усложнения со вторым началом.
"Мнимое противоречие между возрастанием сложности в ходе биоло
гической эволюции и возрастанием энтропии в эволюции изолированной
физической системы, - утверждает, например, М.В. Волькенштейн, -
легко снимается. В биологии мы имеем дело с открытыми системами,
далекими от равновесия" [16, с. 430].
В некоторых работах, однако, такое противоречие искусственно соз
дается, когда их авторы высказываются в том плане, что живые и со
циальные системы, хотя и не нарушают второе начало, но как бы про
тиводействуют ему, оттягивая смерть организма или разрушение того
или другого социального объекта. "Организм непрерывно создает порядок
из порядка, - пишет, скажем, М.В. Волькенштейн, - в смысле само
воспроизведения и порядок из беспорядка в силу обмена веществ...
Здание, предоставленное самому себе, разрушается... Разумная деятель
ность живого организма - человека - направлена на преодоление второго
начала. Человек... не увеличивает, а уменьшает энтропию" [14, с. 30].
Это противодействие не приводит к нарушению второго начала только изз
а своей малости. "Если рассматривать солнечную систему как изоли
рованную (что, конечно, весьма далеко от истины), то энтропия ее
непрерывно увеличивается за счет излучения Солнца. На фоне этого
грандиозного процесса уменьшение энтропии во всех живых организмах
ничтожно мало" (Там же, с. 34].
Противодействуя второму началу, живые и социальные системы не
могут не тормозить суммарный рост энтропии. "Жизнь равнозначна за
медлению деградации, следующей из второго принципа", - говорит, нап
ример, П. Шамбадаль [56, с. 265]. Отсюда с необходимостью следует вы
вод о том, что органический мир не является неизбежным этапом в общем
развитии материи. Этот вариант концепции Шредингера и других, таким
образом, смыкается с точкой зрения Тринчера и других, от которой эта
концепция отталкивается и которой она не приемлет.
Вариант концепции Шредингера и других, о котором мы здесь говорим
внутренне вовсе не обязателен для нее, более органичным для этой
концепции представляется прямо противоположная точка зрения, согласно
которой живые системы, благодаря характерной для них дихотомии по
энтропии система/среда, ускоряют суммарный рост энтропии. Эту идею
высказывают Г.Т. Миллер [95, 96], С.Д. Хайтун [52], С. Блэк [61], Э. Янч
[84], Дж. Рифкин [103].
Г.Т. Миллер приводит простую пищевую цепь, состоящую из травы,
кузнечиков; лягушек, форели и человека, на примере которой демонст
рирует чрезвычайную расточительность живой природы в расходовании
энергии. Около 80-90% энергии, говорит он, теряется в каждом пищевом
1 74
звене, что приводит к громадному обесцениванию энергии и, следо
вательно, росту энтропии [95].
С.Д. Хайтун идею о том, что живое ускоряет рост энтропии, форму
лирует следующим образом. "Не будь на Земле жизни, - говорит он, -
потребление энергии солнечного излучения осуществлялось бы менее
интенсивно... Именно появление на Земле сложных органических форм
повысило скорость перерабатывания солнечной энергии и, следователь
но... ускорило суммарное возрастание энтропии" [52, с. 294].
Э. Янч [84] последовательно рассматривает разные этапы эволюции
материи в рамках синергетической модификации концепции Шредингера и
других. При этом, и рождение звезд и галактик, и появление и развитие
жизни на Земле он связывает с убыстрением роста энтропии.
Дж. Рифкин, развивая идеи Г.Т. Миллера, современный экологический
кризис рассматривает в рамках "энтропийного" подхода. Этот кризис,
полагает он, является результатом того, что мы пренебрегаем действием
второго начала, которое в условиях нашей технологической, т.е.
чрезвычайно расточительной в энергетическом отношении, цивилизации и
проявилось в катастрофическом разрушении среды обитания [103].
Подведем итоги нашего краткого обсуждения концепции Шредингера и
других. Эта концепция, как говорилось, сегодня наиболее распространена,
чему чрезвычайно способствовало развитие синергетики и двух других ее
модификаций. Мы видели, однако, что эта концепция оставляет без
ответа главный вопрос: откуда же берется тот порядок, который затем
потребляется диссипативными структурами? Дихотомия система/среда не
может быть единственным источником порядка. Эта мысль и побуждает
сегодня ученых двигаться дальше, за пределы концепции Шредингера и
Других.
Пятое направление: рост энтропии может сопровождаться
ростом сложности даже в изолированной системе
Данное направление представляет собой модификацию уже рассмот
ренного первого направления, в котором эволюция понимается как
развитие в сторону возрастания энтропии. Неудовлетворенные концеп
цией Шредингера и других, ученые приходят теперь к идее, согласно ко
торой рост сложности вообще не противоречит росту энтропии. О чем
идет речь?
Как говорилось выше, начиная со второй половины XIX в., общепри
нятой стала трактовка энтропии как меры беспорядка. В некоторых рабо
тах так прямо и пишут
S =klogD, (13)
где S - энтропия и D - беспорядок 1см., например (93, 102)]. Этот способ
характеристики беспорядка/сложности в тех или других вариантах рас
пространен и сегодня [см., например (91, 86)]. Вот в этой связи энтропии с
беспорядком, бесспорной для подавляющего большинства ученых, и
начинают сомневаться некоторые авторы. Скажем, Дж.А. Уилсон [112]
полагает, что естественный отбор вносит информацию в живые системы и
потому увеличивает их энтропию. При этом он не дает себе труда как-то
согласовать этот рост энтропии с ростом сложности организмов.
Другие авторы, высказывая свои сомнения относительно традиционной
увязки энтропии с беспорядком, подкрепляют свои соображения различ
ными доводами. Иногда при этом считают достаточным сослаться на
неоднозначность понятия беспорядка/сложности, из которой, утверж
дается, следует, что состояния, представляющиеся более упорядоченны
ми, на самом деле могут являться менее упорядоченными. Так, С. Бир
пишет: "Почему бы нам не настаивать на том, что наиболее вероятное
следует считать и наиболее упорядоченным? Можно ли представить себе
что-либо более упорядоченное, чем идеально равномерное распределение
молекул...?" [6, с. 285].
Конечно, нельзя запретить С. Киру и кому бы то ни было другому
считать равномерное распределение наиболее упорядоченным. Только
это ни на йоту не сдвигает с места проблему противоречия второго на
чала росту сложности в ходе эволюции. В самом деле, если мы бу
дем считать, что в ходе перехода в равновесие ранее неравновесного
газа имеет место упорядочение, то мы должны будем признать за
процессы упорядочения и происходящие в природе процессы разрушения и
распада, также связанные с выравниванием соответствующих распре
делений. И наоборот, происходящие в ней процессы структуризации,
делающие распределения все менее равномерными, мы должны будем
отождествить с процессами уменьшения порядка. Тогда проблема,
подлежащая разрешению, будет звучать следующим образом: энтропия
является (по Киру) мерой порядка, ее рост означает увеличение упоря
доченности; как связать тогда со вторым началом идущие в ходе прог
рессивной эволюции процессы, связанные с уменьшением упорядо
ченности? Проблема, таким образом, вывернулась наизнанку, но осталась,
Бир ее не снял.
Г. Гергеску-Роеген идет значительно дальше. "Беспорядок, - говорит
он, - в высокой степени относительное, если не вообще неуместное
понятие" [79, р. 142]. Естественно, после столь "конструктивного" заяв
ления ему уже ничто не мешает рассматривать экономические процессы с
позиции закона возрастания энтропии, что он в своей книге и делает.
С.М. Стишов также утверждает, что "геометрический беспорядок и
энтропия неоднозначно связаны между собой" [45, с. 119], поскольку
"термин "беспорядок"... следует понимать только в том смысле, что
...Закладка в соц.сетях
