Самоорганизация в живой и неживой природе

В последние годы работами ряда авторов, и, прежде всего, И. Пригожина и П. Гленсдорфа, была развита термодинамика сильно неравновесных систем, в которых связь между термодинамическими потоками и силами перестает быть линейной, а также не выполняются соотношения взаимности Онсагера.

Это новое, далеко еще не завершенное физическое учение, получившее название нелинейной, неравновесной термодинамики, приводит к возможности спонтанного возникновения упорядоченных структур в различных сильно неравновесных открытых системах, т.е. к процессу их самоорганизации. Отдельные примеры подобных процессов были известны сравнительно давно – образование ячеистых структур Бенара в неоднородно нагретом горизонтальном слое жидкости, возникновение турбулентности, вихрей и т.д.

Общим во всех явлениях образования упорядоченных структур при необратимых процессах в сильно неравновесных открытых системах является совместное (кооперативное) движение больших групп молекул. Немецкий ученый Г. Хакен предложил для таких процессов самоорганизации общий термин «синергетика» (от греч. – совместное, или кооперативное, действие). Физическая природа синергетики состоит в том, что в нелинейной области, вдали от равновесного состояния система теряет устойчивость и малые флуктуации, возрастающие до больших масштабов, приводят к новому режиму – совокупному движению многих частиц.

Установление факта самоорганизации в сильно неравновесных системах имеет важнейшее значение для физики, химии и особенно для биологии. Дело в том, что живые организмы и их различные органы представляют собой весьма неравновесные макросистемы, в которых существуют большие градиенты концентраций химических веществ, температур, давлений, электрических потенциалов.

Это также имеет большое мировоззренческое значение, поскольку позволяет объяснить стройную организацию окружающего нас мира природы. Синергетика показывает, как законы природы приводят к появлению определенного порядка в неупорядоченных системах, «порядка из хаоса», а затем к усложнению и развитию образовавшихся упорядоченных структур.

М. Эйгеном было показано, как в сложных, сильно неравновесных системах может реализоваться механизм управления самовоспроизведением образовавшихся структур. Развитие нелинейной термодинамики позволяет высказать весьма правдоподобную гипотезу, как с точки зрения физики могла возникнуть жизнь.

Нелинейная термодинамика коренным образом изменяет статус второго начала термодинамики. Действительно, этот закон определяет не только разрушение структур при необратимых процессах вблизи равновесного состояния, но и возникновение структур при необратимых процессах вдали от равновесия открытой системы. Отражая необратимость всех реальных процессов, второе начало выражает, таким образом, закон развития материи. Подобное понимание второго начала термодинамики снимает кажущееся противоречие между законом возрастания энтропии и беспорядка в замкнутой системе и теорией эволюции Дарвина о возникновении все более сложных самовоспроизводящихся структур в живой природе.

Заметим, что дело здесь не только в том, что живая система является открытой, поскольку вместе с внешней средой она образует замкнутую систему, энтропия которой также возрастает при усложнении живой природы. В данном случае речь идет об установленном П. Гленсдорфом и И. Пригожиным универсальном критерии эволюции, который является обобщением принципа минимального производства энтропии на нелинейные процессы.

Рассматривая зависимость скорости производства энтропии от двух факторов: изменения термодинамических сил и изменения потоков, Гленсдорф и Пригожин обобщили принцип минимального производства энтропии, который называется универсальным критерием эволюции Гленсдорфа-Пригожина.

Согласно данному критерию в любой неравновесной системе с фиксированными граничными условиями процессы идут так, что скорость изменения производства энтропии, обусловленная изменением термодинамических сил, уменьшается и стремится к нулю. Это приводит к возникновению упорядоченных структур.

Упорядоченные структуры, возникающие, согласно критерию Гленсдорфа-Пригожина, при необратимых процессах в открытых системах вдали от равновесия в нелинейной области, когда параметры систем превышают определенные критические значения, Пригожин назвал диссипативными структурами.

Существуют пространственные, временные и пространственно-временные диссипативные структуры.