Жанр: Философия
Сборник статей по Синергетике.
... 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 (метастабильныс) 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 продсссов 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 потенци-альных
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
насчи-тывает уже более сотни лет ii 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 може т "выбрасываться" в окружающую
среду, и из этой же среды может извлекаться отрицательная энтропия, точка
зрения Л. Боль-цмана 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 днссипатпиным 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 фи-зике XX в.
сыграло понимание того факта, что свет, представлявшийся непрерыв-ным потоком,
на самом деле излучается дискретными квантами, огромное мно-жество которых, а
также особенности нашего восприятия, и создавали представле-ние о потоке. Сам
автор этого открытия М. Планк, как известно, в течение не-скольких лет
сомневался в реальности этого, полученного теоретическим путем, результата.
Подобное "квантование" осуществляется в живом за счет реакций на сигналы и
обеспечивается соответствующими структурами, что позволяет организму
функционировать гораздо экономичнее, чем в стационарном режиме и главное в
соответствии с
обстоятельствами, а это и принципе невыводимо из энтропийных характеристик.
Различные подсистемы организма - дыхательная, пищеварительная, выделительная и
т.н. - включаются на значительную мощность попеременно но сигналам о потребности.
В это время остальные подсистемы работают лишь на поддержание
"боеготовности". И лишь суммирование и осреднение по времени и энергозатратам
создает впечатление стационарных потоков массы, энергии и энтропии.
Энергетическое превосходство реальной жизнедеятельности заключается в том,
что если стационарный режим требует постоянного уровня энергозатрат, то
реальные организмы, работая в информационном режиме, могут почти полностью
выключать из работы свои подсистемы.
Сигнально - информационный подход к проблеме жизни позволил
"проквантопать" организмы и автоматы, выделив их элементарные структуры, на
которых определяются единицы информации, знания, смысла и т.п. На основе этих
элементарных единиц строятся, подобно молекулам из атомов, более сложные
"надмолекулярные" и высшие структуры [9].
И. Пригожий считает, что необратимость определяется отсутствием единого
пути возврата системы к исходному состоянию в силу множества возможных
бифуркаций и аттракторов, создающих многовариантность траекторий движения
нестабильной системы во времени. Как представляется, однако, более углубленное
понимание этого феномена следует из понимания этапов эволюции Вселенной.
Каждое изменение характеризуется появлением новых закономерностей. Так было
после Большого взрыва, когда от единого взаимодействия поочередно отделялись
гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное. До возникновения жизни не
существовало законов биологии, до появления общества - законов истории и т.п.
Лишь неосве-домленность о характере этих процессов и накладываемых ими
ограничений позволяет нам предполагать неограниченную многовариантность
траекторий развития мира в целом и каждой отдельной его системы.
Ограничения многовариантности траекторий движения проявляют себя на всех
уровнях материи, начиная от атомных ядер, разнообразие которых ограничено
прин-ципом Паули, и кончая организмами, которые должны быть вписаны в
геобиоценоз, а для человека еще и в социум. В более же общей формулировке
каждый объект должен отражать Космос и его эволюцию, что накладывает сильное
ограничение на возможное разнообразие и на кажущееся множество аттракторов
[9J.
Можно представить себе, каким образом создавались условия для возникновения
жизни и ее эволюции к высшим формам - не благодаря антиэнтропийным процессам,
а наоборот - благодаря процессам, связанным с ростом энтропии. Начнем с
примера, который мы заимствуем у А. Дюкрака [8]. Растянем пружину,
закрепленную одним концом. В ней возникнут колебания, которые длились бы
вечно, если бы энергия упорядоченного движения пружины не переходила в
хаотическое тепловое движение молекул. Именно это свойство обеспечивает
возможность упорядоченных процессов на макроуровне. Действительно, без
необратимости, отраженной во втором законе термодинамики, мир уподобился бы
бесконечно колеблющейся пружине. Эти колебания по разным потенциалам то
ослабевали бы, то усиливались. Мир лишился бы устойчивых форм. Как показывает
У.Р. Эшбп, адаптация к такому миру была бы невозможна [10]. и жизнь не могла
бы ни существовать, ни даже возникнуть. Но, очевидно, что для углубленного
понимания эволюционных процессов необходимо уяснить пути, по которым
происходит реализация второго закона термодинамики. Широкое распространение
разнообразных процессов выравнивания, как цепных, так и каталитического типа,
позволяет сформулировать принцип максимизации как присущее энергии стремление
к выравниванию. Однако процессы выравнивания инициируются не только
бифуркациями. Они усиливаются еще и теми свойствами энергии, которые имеют
иной характер проявления. В силу их важности для возшгкновения и эволюции
жизни представляется целесообразным зафиксировать их характер в отдельном
принципе - дифференциации энергии при наличии сопротивления процессу выравнивания
потенциалов. Так, электрический ток, движущийся по проводнику малого
сопротивления, порождает лишь небольшое выделение тепловой энергии, если же
со-противление будет возрастать, то к выделению тепла прибавится световое
излучение, а затем и химический процесс (горение проводника) и сопровождающий
его звуковой импульс. Или болид, двигаясь к Земле, по мере нарастания
плотности атмосферы может вызвать вначале разогрев ее и себя, затем свечение,
а потом звук и механическое разрушение.
Рассмотрим под углом зрения изложенных выше соображений частный случай
проявления жизни в виде земной ее формы с материальной и энергетической точек
зрения. Очевидно, с наибольшей вероятностью жизнь должна возникнуть на
небесном теле, обладающем максимальным разнообразием потенциальных барьеров.
Для реализации такого условия небесное тело должно пройти эволюцию от
температур порядка миллиардов градусов до температур, близких к абсолютному
нулю. В таком случае оно будет обладать полным набором элементов периодической
таблицы и представлять собой настоящий консервант различных потенциальных
барьеров: ядерных, химических, электрических, механических и т.п. С этой точки
зрения в масштабах звездных температур Земля как раз и является подобным
небесным телом с полным набором химических элементов и температурой ее
поверхности, практически не отличающейся от абсолютного нуля.
Сопротивление атмосферы, воды и других химических соединений и веществ
потоку солнечных лучей приводит, и соответствии с принципом дифференциации, к
трансформации солнечной энергии в различные формы, главной из которых является
круговорот воды в природе, и лишь небольшая часть расходуется на химические
реакции. Эти, и в первую очередь каталитические, реакции [II], по-видимому, и
положили начало жизни. Возникнув, жизнь, благодаря способности к размножению,
развивается как цепной процесс в соответствии с принципом максимизации.
Предполагается, что первыми организмами были археобактерии, извлекающие
энергию за счет окисления неорганики, в частности железо- и серобактерии.
Первоначально между первыми видами организмов не происходило борьбы за
источники энергии, имевшейся в избытке. Недостаток энергии не играл никакой
роли в биосфере на первых порах ее возникновения и развития, вопреки мнению
Больцмана. Но по мере увеличения биомассы конкуренция за источники энергии
представляется как сопротивление принципу максимизации, и тогда вновь
"включается" принцип дифференциации. Он проявляется на всех этапах развития
жизни через образование новых видов и освоения ими различных экологических
ниш. Так, в настоящее время почти на каждый элемент периодической таблицы
существует вид бактерий, ведущий свое начало от археобактерии, извлекающий
энергию за счет его химических преобразований.
Если возникновение и развитие археобактерий можно рассматривать как
локальный планетарный процесс, то появление зеленых растений, черпающих
энергию от Солнца, носит уже непосредственно космический характер. И здесь
срабатывает принцип максимизации, выражающийся к появлении организмов -
гетеротрофов, пожирающих зеленые растения, деятельность которых дает выход
накопленной в них энергии.
Следующий этап, на котором был реализован принцип максимизации, это
появление аэробных организмов, способных окислить глюкозу кислородом воздуха
за счет использования энергии метастабильиых состоянии, обусловленных
химическими связями. Энергия, извлекаемая из глюкозы в этом процессе, в 9 раз
превышает анаэробный способ.
С энергетической точки зрения действие принципов максимизации и
дифференциации проявилось на этапах повышения организации биологических видов.
Каждый новый уровень организации требует новых веществ и условий для своего
возник-новения и существования - это разные интервалы температур, давлений,
концентраций и т.п. Разнообразие веществ, образующих различные организменные
структуры, с энергетической точки зрения является следствием принципа
дифференциации, позволяющего диссипировать энергию разнообразными путями. Чем
из большего количества компонентов состоят организмы, тем уже область их
совместного существования. Этим и обусловливается необходимость гомеостаза,
который обеспечивает относительную независимость организма от внешней среды.
Родоначальник учения о гомеостазе К. Бернар говорил, что он (гомеостаз) есть
условие свободы [II]. Для поддержания гомеостаза нужны специальные механизмы,
работа которых требует энергозатрат. В итоге даже бактерии тратят на гомеостаз
почти половину своей энергии покоя. Что же касается высокоорганизованных, то
на него она уходит почти вся. Так, переход на терморегуляцию повышает расход
энергии почти на порядок. Но сложные организмы требуют не просто гомеостаза, а
полнгомеостаза, т.е. разного гомеостаза для разных своих органов. Например,
желудочно-кишечный тракт млекопитающих разбит на ряд отделов, в каждом из
которых поддерживается свой гомеостаз. Мозг защищен от ненужных или опасных
веществ, которые могут попасть в него из крови, фильтррм-гомеостазом,
называемым гематоэнцефалическим барьером. В итоге, если кпд простейших при
построении новых тканей составляет 70-80%, то кпд высокоорганизованных
снижается уже до доли процента [13]. Иными словами, появление
высокоорганизованных гетсротрофов - это уже не просто преодоление, а прорыв
своеобразного потенциального барьера, созданного растениями на пути реализации
принципов максимизации.
Но прорыв этот расширяется еще одним фактором - развитием мозговых
структур в сторону все более возрастающей способности не только к управлению
насущными потребностями, но ко все более дальнему, широкому и надежному
моделированию реальности для постановки своих целей и путей их достижения. Это
потребовало их увеличения, усложнения и увеличения энергообеспечения. В итоге,
мозг человека, составляющий примерно 2% от всего тела, поглощает примерно 20%
его энергетического бюджета в состоянии покоя. Таким образом, с энергетической
точки зрения цефализация находится на острие эволюционного процесса как
следствие принципа максимизации.
С появлением человека и цивилизации потребление энергии выросло настолько,
что если бы все население Земли перешло на уровень потребления индустриальных
стран, то экологическая катастрофа последовала бы немедленно. И, наконец,
человечество стало разрушать гораздо более мощные потенциальные барьеры -
ядерные - и устремилось в поиске новых экологических ниш в космос.
Время и синергетика
Чрезвычайно жесткое ограничение на огромное разнообразие объектов,
допускаемое естественными законами, предусматривает требование соответствия
каждого объекта микрокосму. Им является не только человек, как считали древние
философы, но и любой камень. Действительно, он должен уравновешивать
воздействие на него множества разрушительных воздействий ближнего космоса:
силы гравитации, растворяющего действия воды, разрушительных перепадов
температуры и химических веществ, содержащихся в воде и воздухе, механических
воздействий и т.д. Любой объект возникает тогда, когда эволюция Космоса
обусловливает его возникновение, существует - пока является микрокосмом и
погибает, когда перестает отражать изменившийся Космос.
Кроме того, каждый объект несет в себе историю эволюции Космоса. В
микрокосме, представленном камнем, она прочитывается в нуклонах атомных ядер.
возникших из кварков в результате расширения и остывания вещества после "Большого
взрыва". Во входящих в его состав атомах тяжелее водорода прочитывается
история тяжелых звезд, в недрах которых они были синтезированы, в химическом
составе и структуре слагающих его минералов - геологическая история Земля.
Исходя из понятия микрокосма, попытаемся понять причину открытого А. Эйнштейном
относительного изменения хода времени, а также массы и размера тела,
скорость которого изменяется по отношению к некоторому данному телу. Как
известно, А. Эйнштейн объясняет, что происходит при изменении скорости тела,
но остается открытым вопрос, почему это происходит. Ответ на него, как
представ-ляется, может быть следующий: изменение хода времени в объекте, а
также изменение его размера и массы при изменении его скорости происходят как
результат перестройки его взаимодействия с иными космическими объектами, т.е.
изменения его, как микрокосма. Выраженные в известной математической форме,
эти изменения наводят на мысль о дополнительном факторе упорядочения Космоса.
Космос, что означает по гречески порядок, объединен в одно упорядоченное
изотропное целое силами гравитации, обменом лучистой энергией и
корпускулярными потоками. К этим факторам, по-видимому, могут быть отнесены и
упомянутые изменения в космических объектах, компенсирующие изменения их
относительных скоростей.
Характеризуя синергетическую концепцию И. Пригожина, а также ее
предысторию, М.В. Кузьмин пишет: "Понятие энтропийной "стрелы "ремени"
восходит, как известно, к Больцману, акцентировано Эддингтоном и развивается в
виде статического энтропийного ансамбля у Рейхенбаха... подход Пригожина
вторит Больцману, Эддингтону и Рейнбаху. Позитивным моментом в подходе
Пригожина является то, что... у Пригожина принцип роста энтропии по существу
не статистический факт, а универсальный закон природы" [14]. Здесь, повидимому,
имеется в виду акцент на истории системы, прошедшей через ряд
бифуркаций, усиливая тем самым необратимость, обусловленную энтропийными
процессами.
Очевидно, что наличие стрелы времени в глобальном масштабе обусловлено
расши-рением Космоса как следствием "Большого взрыва". Поскольку каждый
существую-щий объект является микрокосмом, п итоге стрела его внутреннего
времени, определяющая направление протекающих в нем процессов, связана с
глобальной стрелой. Рассмотрим, как реализуется время во Вселенной. Здесь
обращает на себя внимание так называемый антропный принцип. Он был
сформулирован после того, как рядом отечественных и зарубежных ученых (Я.Б.
Зельдовичем, И.Д. Новиковым и др.) были произведены подсчеты, связанные с
вариациями возможных значений мировых констант (скорости света, заряда и массы
электрона и т.п.). Оказалось, что при относительно небольших изменениях их
величин Космос оказался бы принципиально иным и по крайней мере наша форма
жизни и соответственно человечество не могли бы возникнуть. Создается
впечатление, что эти константы как бы были предварительно кем-то подсчитаны.
Обращает на себя внимание и другой факт -совпадение структуры основных законов
мироздания. Так, закон всемирного тяготения в формулировке Ньютона, закон
Кулона и закон магнитного взаимодействия имеют совершенно одинаковую
структуру. Более того, как показано новосибирским физиком Ю.И. Кулаковым, все
физические законы имеют в принципе одинаковую структуру. Это позволяет сразу
характеризовать вновь открытые законы либо как соответ-ствующие реальности,
либо как априори ошибочные.
В настоящее время появляется множество работ, указывающих на необходимость
анализа понятия внутреннего времени систем. Это время служит для измерения как
периода жизни той или иной системы, так и длительности различных ее этапов.
Естественно, что особым классом являются биологические системы. В.И.
Вернадский еще до работ И. Пригожина считал, что стрела времени, направление
которой определяется ростом энтропии, непригодна для характеристики
биологических про-цессов. Свое мнение он основывал на антиэнтропийном
характере жизни. В качестве характеристики он предлагал определение
направления стрелы времени сменой поколений организмов [15]. С.В, Мейен в свою
очередь предлагал для определения биологической стрелы времени и его
исчисления использовать смену таксометрических единиц в эволюционном процессе
[16]. В свою очередь Т.А. Детлаф предложила для тех же целей существенно
меньшую единицу времени, в качестве которой выступает продолжительность митоза
- клеточного деления у зародышей большинства пойкилотермных - холоднокровных -
животных [17]. Однако эти циклы иные по длительности как у ряда
пойкилотермных, так п у гомойтермных животных, что делает предложенную ею
единицу исчисления биологического времени не универсальной. Кроме того, в
клетке н секунду происходят миллионы ферментативных актов, определяющих ее
жизнедеятельность, каждый из которых являет собой элементарный информационный
процесс [9]. Проблема исчисления внутреннего времени организмов осложняется и
тем фактом, что ему свойственны вариации в весьма широких пределах
относительно внешнего времени. Действительно, например, срок между митозами
одноклеточных измеряется минутами или часами. В то же время, если в жизнедеятельность
простейших вторга
...Закладка в соц.сетях
