Диссипативные процессы и самоорганизация
Важные изменения концептуальных установок происходят в исследовании и синтезе жизни. Здесь особое место принадлежит ферментам - своеобразным живым катализаторам, белковым по своей природе. Ферменты - неизменные спутники таких процессов как брожение. Каждый фермент катализирует лишь превращение определенных веществ в единственном направлении, формируя и регулируя обмен веществ в организме. В концептуальном плане привлекает внимание наличие в ферментах двух неравновесных компонентов - активных центров и их носителей.
В будущем, возможно, удастся использовать соединения живой природы или хотя бы принципы их функционирования для ускорения процессов в неорганическом мире, и моделирование биокатализаторов, вероятно, следует считать еще одним концептуальным уровнем. Гораздо лучше исследованы каталитические процессы при переходе от химических структур к биологическим. В особенности это относится к диссипативным (от слова - рассеивать) процессам, наглядно представляющим самоорганизацию в химических процессах. В таких процессах происходит переход энергии упорядоченного движения в энергию хаотического движения (теплоту), переход же к новым структурам требует значительного притока энергии.
Если раствор состоит из компонентов А и В (условно "синих" и "красных"), то в результате хаотических движений и столкновений частиц следовало бы ожидать вскоре, что раствор раскрасится в некий усредненный "цвет" со случайными вкраплениями синего и красного. Однако при условиях, далеких от равновесных, происходит невероятное: раствор становится то синим, то красным, как если бы молекулы установили между собой связь на больших, макроскопических расстояниях, через макроскопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сигнал, по которому все А или В-молекулы реагируют разом. Такое поведение традиционно приписывалось только живому - теперь же ясно, что оно возможно у систем сравнительно простых, неживых.
Подобные реакции приводят к образованию специфических пространственно-временных структур за счет поступления новых и удаления отработанных химических реагентов без вмешательства человека. При этом оказалось, что наибольший интерес представляют те структурные образования, которые не удается привести к полному и окончательному равновесию. Выясняется, что их надо рассматривать не как "помехи", "фоновые шумы", а как узловые структуры эволюции. Теория диссипативных процессов и возможности ее концептуального расширения на различные области (включая общество) была предложена И.Пригожиным, за что он и получил Нобелевскую премию.
11 Начало термодинамики - смерть живого или его источник
Сами по себе интересные, диссипативные процессы могут служить ключем к проблеме возникновения жизни, для которой характерен дифференцированный отбор химических элементов и соединений, служащих стройматериалами для биологических систем. Только шесть химических элементов являются органогенами, то есть порождающими органические соединения. Это - углерод, кислород, водород, сера, фосфор, азот. Важнейший из них - углерод. Он выполняет роль и акцептора, и донора электронов, так как образует почти все типы химических связей.
Поскольку ключ к любой эволюции лежит в неравновесных процессах, следует о них сказать. Неравновесные системы реагируют на внешние условия (гравитация, радиация), а поведение их определяется вероятностным способом и зависит не от начальных условий, а от "предыстории". Приток энергии создает в такой системе порядок, соответственно уменьшая энтропию. Для неравновесных структур характерно наличие бифуркаций - переломных точек, в которых как раз и может оказаться решающей роль внешних воздействий. Важнейшая их особенность - когерентность: система ведет себя как единое, внутренне согласованное целое и структурирована так, как если бы каждый ее элемент обладал информацией о состоянии системы в целом.
Одна и та же система может пребывать в областях равновесия и неравновесия. В неравновесных областях система адаптируется к внешним условиях, изменяя структуру, в равновесных же областях для перехода к новым структурам требуются сильные возмущения или изменения граничных условий. Неравновесные системы обладают избыточностью, то есть множеством стационарных состояний вместо одного. Чувствительность к флуктуациям создает возможность для резкого роста, небольшие взаимодействия ведут к значительным последствиям. Источником порядка в неравновесных системах является не "независимость", а как раз зависимость, внутренняя согласованность поведения молекул при внешней неопределенности поведения системы.
Предоставленная самой себе система, не обменивающаяся энергией с окружающей средой (закрытая система), стремится к состоянию равновесия как наиболее вероятному, соответствующему нулевой энергии (например, кристалл). Неудивительно, что в классическом естествознании такое состояние считалось своеобразным идеалом - идеалом устойчивости, надежности (каким люди обычно хотят видеть общество, опасаясь перемен). Однако по современным представлениям, это скорее мертвая, безжизненная устойчивость, идеал каменного цветка, гранитного памятника вместо живого существа. В действительности всякая эволюция происходит в открытых системах, обменивающихся со средой энергией и информацией (для общества - это экономические, политические, культурные связи).
Сценарий любой эволюции: неравновесность - равновесность - новый уровень неравновесности как путь к новому уровню равновесности и т.д. В действительности стационарный режим - частный случай нестационарности, кратковременный этап. И.Пригожин: "Если устойчивые системы ассоциируются с понятием детерминистичного, симметричного времени, то неустойчивые хаотические системы ассоциируются с понятием вероятностного времени, подразумевающего нарушение симметрии между прошлым и будущим, то есть "стрелу времени"".
Эволюция должна удовлетворять следующим требованиям: 1) необратимость, обусловленная нарушением симметрии между прошлым и будущим; 2) способность определенных событий изменять ход развития систем. Чем сложнее (избыточнее) система, тем более многочисленны типы флуктуаций, способных изменить ее состояние и несущих ей гибель или переход на новый уровень развития. В сложных системах имеют место связи между отдельными частями, областями, и порог устойчивости системы определяется конкуренцией между устойчивостью (благодаря связям) и неустойчивостью (вносимой и несомой флуктуациями). Переход этого порога и является точкой бифуркации, где система колеблется в выборе из различных вариантов. В ряде случаев выбор может задаваться нашей целенаправленной деятельностью. Однако и в развертывании природных сценариев словно участвует чья-то невидимая рука. До следующей бифуркации система вновь ведет себя детерминированным образом.
В случае возникновения новых структур для их поддержания требуется приток энергии, значительно превосходящей ту, которая была характерна для предшествующей структуры. Диссипируя (рассеивая энергию), система производит энтропию. Таким образом, энергия расходуется на создание нового порядка. В таком случае правомерно спросить, что все-таки представляет собой второе начало термодинамики (закон роста энтропии) - источник жизни или смерти? Древние удивились бы такой постановке вопроса, ибо для них жизнь и смерть - звенья единой цепи.
С точки зрения синергетики, энергия как бы застывает в разнообразных формах, от кристаллов до "черных дыр", а в зависимости от рассматриваемой области она может расцениваться и как источник механической работы, и как источник движения в широком, общефилософском смысле, как прародительница новых форм и структур. Количество же связанной энергии соответственно выражается энтропией. Конструктивную роль в формировании новых структур играет информация, величина, обратно пропорциональная энтропии. Особенно наглядно эта роль прослеживается в изучении живых структур различной степени организации.