одинаковым изменениям
независимой величины должны строго отвечать одинаковые изменения зависимой.
В рамках этой термодинамики вопрос об упорядочивании, об организации
структур не ставился, да и не мог быть поставлен.
Только около сорока лет назад некоторые физики в разных странах начали
предпринимать попытки изучения неравновесных систем и неравновесных
процессов. Наибольших успехов в создании новой термодинамики достигли Герман
Хакен и "брюссельская школа" во главе с И.Р. Пригожиным, ставшие
основоположниками нового научного направления, названного авторами
соответственно "синергетикой" и "нелинейной термодинамикой неравновесных
процессов". Далее я буду пользоваться термином Пригожина, сокращая его:
"нелинейная термодинамика".
Известно, что в ходе обратимых, то есть идущих без изменения собственной
энтропии системы процессов, могут образовываться равновесные
структуры-устойчивые состояния, типичным примером которых является кристалл.
Пригожий, исследовавший термодинамическими методами явления флуктуаций и
устойчивости, поставил и решил задачу о возможности возникновения устойчивых
структур, названных им "диссипативными", в условиях, далеких от равновесия,
в нелинейной области, где на одинаковые приращения независимой переменной
одна и та же функция может откликнуться по-разному, в зависимости от того,
какому значению независимой переменной придается приращение. Неравновесное
состояние системы можно, наверное, определить и как состояние динамическое,
как состояние интенсивного обмена системы энергией и массой с окружающей
средой.
Само существование упорядоченности за пределом устойчивости не является
чем-то новым. Ярким примером этого класса явлений считается конвекционная
неустойчивость Бенара или ячейка Бенара.
Опыт, демонстрирующий образование ячеек Бенара, элементарно прост: если в
сковороде разогревать слой растительного масла, то через какое-то время
жидкость разобьется на правильные сотовидные ячейки, то есть в открытой
системе после подвода энергии образуется некоторая структура, возникает
упорядочивание.
Ячейка Бенара совсем не уникальный пример возникновения упорядоченных
структур за пределом устойчивости: в литературе описаны многочисленные
периодические диссипативные процессы при протекании химических, электро- и
биохимических реакций, которые являются примером временного упорядочивания.
В качестве еще одного примера можно указать на ставшую широко известной
реакцию Белоусова-Жаботинского. В 1951 году Б. П. Белоусовым была сделана
неудачная, к сожалению, попытка опубликования в одном из химических журналов
статьи, где описывалась открытая им периодическая реакция. Статья эта была
отклонена под тем предлогом, что, как известно, все химические реакции идут
одним, единственно возможным путем - необратимо. Между тем в лаборатории у
Белоусова происходило невероятное - прозрачная смесь нескольких реактивов
начинала периодически менять цвет: красный менялся на синий, синий - на
красный, до тех пор, пока не израсходовались все реагенты.
Анализ подобных явлений позволил сделать вывод о том, что неравновесные
состояния системы, являющиеся, вообще говоря, признаком хаоса, могут стать
причиной возникновения в ней порядка.
Классическая термодинамика до Пригожина рассматривала только процесс роста
энтропии, разрушение первоначально заданной организации, порядка. Переход к
анализу открытых неравновесных систем показал, что из хаоса может рождаться
порядок - что и следует из теории биологической эволюции.
Ученые брюссельской школы не могли не заметить и не оценить всей
грандиозности перспектив, которые открывала новая концепция.
Ведь в случае распространения теории нелинейной термодинамики на
биологические объекты эта теория могла бы стать теорией, дающей шанс на
понимание общности эволюции и физических, и биологических систем.
В начале семидесятых годов И.Р. Пригожин и П. Гленсдорф попытались
математически сформулировать некоторый критерий, который бы прямо
предсказывал условия создания форм, производства нового.
Выдвинутый Пригожиным и Гленсдорфом "критерий эволюции" претендовал на роль
универсального термодинамического закона самоорганизации и эволюции любой
открытой системы: физической, химической, биологической.
Однако попытки распространения методов нелинейной термодинамики на
биологические системы не дали практически никаких зримых результатов. Причин
тому можно назвать несколько. Прежде всего - это необыкновенная, по
сравнению с такими, как, например, колебательная реакция Белоусова,
сложность даже самых простых биологических объектов. Другая трудность
заключается в том, что самоорганизация живого относится к качественно иному
типу.
Если такие процессы, как зарождение атмосферных вихрей, образование
промежуточных структур в химических реакторах и другие подобные процессы, не
создают в системе качественно новых элементов, то образование и развитие
больших протобелковых молекул в ходе химической эволюции, или образование
видов в биологической - характеризуется появлением в системе новых качеств.
Собственно говоря, появление новых качеств наблюдается и при фазовых
переходах, и при работе лазера, но это процессы, несоизмеримые по сложности.
При описании процессов самоорганизации живого оказалось невозможным
детальное описание, моделирование, строгая математическая формализация и
расчет - все те методы, которые были использованы Пригожиным при разработке
принципов нелинейной термодинамики. Но тем не менее выдвинутый И. Р.
Пригожиным и Г. Хакеном принцип самоорганизации, уменьшения структурной
энтропии, роста отрицательной энтропии - негэнтропии - в открытых
неравновесных системах может быть признан одним из основных для понимания
сущности жизни.
Г.А. Югай писал по этому поводу: "...негэнтропия (отрицательная энтропия)
обеспечивается путем роста информации, получаемой в процессе взаимодействия
со средой, как меры организованности живой системы. Негэнтропийность живых
систем достигается также путем взаимодействия со средой за счет извлечения
из нее вещества, энергии и информации... Преодолением энтропийного
состояния, достигаемого за счет обмена живого со средой веществом, энергией
и информацией, обеспечивается доминирование живого над средой. В энтропии
выражается разрушающее воздействие среды на живое... Утвердившееся
определение информации как отраженного разнообразия, или меры
упорядоченности, организованности системы позволяет понять информационную
природу живого как процесс, прямо противоположный энтропии".
Становится очевидной роль информации в определении сущности жизни как
главного фактора, служащего первопричиной возникновения ее.
Другим важным отличительным признаком живого служит его способность к
адаптации, под которой подразумевается вся совокупность приспособительных
реакций живого к окружающей среде.
Определяя сущность жизни, следует подчеркнуть сделанный Пригожиным и
Гленсдорфом вывод о самосогласовании, кооперативном ходе микроскопических
процессов в системе, которые "всегда являются результатом неустойчивости и
возникают из флуктуаций". В макроскопической системе с большим числом
степеней свободы всегда существуют спонтанные флуктуации, которые в
соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна вызывают в системе компенсирующие
процессы, гасящие эти флуктуации. Этот принцип, справедливый для устойчивых
состояний, не выполняется для состояний, далеких от равновесия; благодаря
обмену энергией-веществом с внешней средой в неравновесных условиях
флуктуации сохраняются, порождая диссипативные структуры. Перефразируя одно
из высказываний Пригожина, можно сказать, что "мы можем рассматривать жизнь
как гигантскую флуктуацию, стабилизированную потоками энергии и вещества".
Тесно примыкает к свойству кооперативности внутренних процессов,
характеризующему живое, способность живых систем к образованию коалиций.
"Коалицией" я называю, - писал Г. Ферстер, - организацию элементов, которые
при объединении способны совершить то, чего каждый из них в отдельности
никогда не смог бы достичь. В более точных терминах это означает, что
коалиция подчиняется правилу сверхаддитивного нелинейного сложения, при
котором некоторая функция целого больше, чем сумма функций его частей.
Заслуживает внимания тот факт, что в качестве примера такой величины может
быть приведена отрицательная энтропия..."
Очень важную отличительную черту живого приводит Д.И. Блохинцев в своем
определении жизни: "Жизнь есть агрессивная форма материи, стремящаяся
превратить в саму себя окружающую среду. Это выражается в питании и в
размножении. Оба эти действия есть не что иное, как превращение окружающей
материи в свою, специфическую для жизни форму".
Итак, в качестве гипотезы, во втором, но также не окончательном приближении,
живой может считаться способная эволюционно самоорганизовываться, адаптивно
и агрессивно взаимодействующая с окружающей средой и повышающая свою
структурную негэнтропию система, внутренние процессы в которой протекают
кооперативно, а сочетание элементов подчиняется правилу сверхаддитивного
нелинейного сложения.
Это синтезированное определение сущности жизни позволяет по-новому взглянуть
на возможность существования и распространения жизни во Вселенной, т. к.
множество систем, удовлетворяющих этому определению, существенно шире, чем
подчиняющихся известной классической формуле: "Жизнь есть способ
существования белковых тел..." и т. д. Тем не менее, непредвзято проведенный
даже в рамках этой формулы анализ также открывает возможности для
существования не совсем привычных, но все-таки достаточно близких к земной
форм жизни. В качестве примера такого анализа я приведу результаты
рассуждений американского биохимика А. Азимова, несомненно, гораздо более
известного читателю в качестве Писателя-фантаста.
С точки зрения химика, земная жизнь представляет собой существование
нуклеиновых кислот и белка на фоне воды. Перебирая возможных кандидатов на
место "исполнителей главной" роли" и "фона", Азимов получает пять (кроме
упомянутой - земной) возможных "химий жизни, охватывающих все температуры от
нескольких сот градусов выше нуля до абсолютного нуля": 1) фторсиликоны, фон
- фторсиликоны; 2) фторуглероды, фон - жидкая сера; 3) нуклеиновые кислоты и
белки на основе кислорода, фон - вода - это мы; 4) нуклеиновые кислоты и
белки на основе азота, фон - аммиак; 5) липиды, фон - жидкий метан; 6)
липиды, фон - жидкий водород.
Таким образом, анализ, проведенный Азимовым, создает предпосылки для
признания возможности зарождения и развития жизни на других планетах нашей
системы. Известно, что атмосфера Юпитера и, в меньшей степени, Сатурна
насыщена аммиаком, а сам Юпитер пскрыт огромными океанами аммиака. На Уране
и Нептуне, планетах более отдаленных, преобладает метан. Не исключено, что
существуют водородные планеты - несостоявшиеся солнца, примером которой по
одной из гипотез о его составе является Юпитер. На Меркурии фоном для
развития жизни могла бы быть сера, плавящаяся при температуре 113ЇС.
Интересный эксперимент был проведен американскими учеными Сигелом и Джумаро.
Они поместили образцы растений ксерофитов - к ним относятся, например,
кактусы, лишайники - в камеру, заполненную смесью метана, водорода и аммиака
при атмосферном давлении, температуре 22-24ЇС и низкой освещенности - именно
таковы, по теоретической модели, условия в одном из слоев плотной газовой
оболочки Юпитера. Через определенные промежутки времени, а весь опыт
продолжался два месяца, исследователи извлекали растения из камеры и изучали
их под микроскопом. Обнаружилось, что многие разновидности бактерий на них
не только выжили, но и продолжали размножаться. "И если на протяжении
нескольких миллиардов лет в атмосфере Юпитера возникла искра жизни, она
могла не только сохраниться, но и пройти значительную эволюцию", - таков
вывод ученых. Действительно, поскольку возраст планет Солнечной системы в
соответствии с принятой теорией приблизительно одинаков, то и разница в
прогрессе эволюции (если она состоялась не только на Земле) не может быть
значительной.
В 1978 году промелькнуло коротенькое сообщение: "За последние 10 лет
радиоизлучение глубоких слоев атмосферы Урана возросло на 30 процентов"
(ТАСС, 28.08.78 г.). Больше никакой информации об этом я, к сожалению, не
видел, но не существует ли прямой связи между обнаруженным эффектом и
экспериментами американских ученых? О высокой распространенности
органических веществ в Галактике говорят исследования астрофизиков Ч.
Викрамасингха и Ф. Хойла.
Согласно их концепции, наличие в веществе космической пыли органических
полимеров или длинных цепочек органических молекул с углеродным основанием и
другие данные указывают на присутствие в пространстве нашей Галактики
огромного количества микроорганизмов - порядка 10Е52 отдельных клеток.
Жизнь, построенная на молекулярной основе, может быть широко распространена
во Вселенной: однако допущение возможности существования жизни, даже на иной
химической основе, по-прежнему не решает парадокса Ферми. Межзвездные
расстояния могут быть, по-видимому, серьезной преградой для существ на
молекулярной основе.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85