Существенная черта эволюционного естествознания – поиск закономерностей, единых для всех разнообразных процессов развития, поиск фундаментальных законов эволюции

Важнейший вклад в становление эволюционной парадигмы был сделан исследованиями в области термодинамики неравновесных систем.

2. Неравновесная термодинамика и развитие эволюционных представлений.

Эволюционные представления, вошедшие в биологию с учением Дарвина, в физике появились с развитием термодинамики:

· второе начало термодинамики описывает эволюцию изолированных систем какизменение, связанное с возрастанием энтропии – с переходом от упорядоченных состояний к хаотичным, от сложного к простому

· такая направленность эволюции противоположна направленности эволюционных процессов, изучаемых биологией и социологией – от простого к сложному

· такое кажущееся противоречие было преодолено с появлением неравновесной термодинамики, которая исследует необратимые процессы в неравновесных открытых системах:

ü это такие системы, которые благодаря взаимодействию со своим окружением выходят из равновесия и в которых неравновесное состояние может поддерживаться стационарно потоками энергии и вещества извне

ü энтропия открытых систем – сложная функция многих параметров

ü в неравновесной термодинамике были установлены условия, при которых энтропия открытых систем может убывать, что означает возрастание упорядоченности в таких системах, формирование в них новых структур.

Идеи неравновесной термодинамики:

· выдвинул И. Пригожин – бельгийский физик, в 1977 году Нобелевская премия за вклад в термодинамику неравновесных систем и исследование проблемы самоорганизации

· послужили основой принципиально нового подхода в объяснении возникновения упорядоченных структур самого разного типа: физических, химических, биологических, социальных

· в свете этих идей эволюция сложных природных неравновесных систем рассматривается как процесс САМООРГАНИЗАЦИИ в них – образования в системе определенной упорядоченной структуры без внешнего организующего воздействия.

Самые важные выводы получены термодинамической теорией в отношении сильнонеравновесных систем:

· в которых потоки энергии или вещества являются нелинейными функциями «термодинамических сил»:

ü так называют величины, характеризующие неравновесность системы, например, градиенты температуры или концентрации вещества

ü термодинамическая сила приводит к появлению соответствующего потока, например, потоков энергии или вещества

· подобные системы описывают нелинейными дифференциальными уравнениями, имеющими не одно решение; каждое из этих решений – это функция, соответствующая определенному типу поведения системы

· при возрастании движущих сил состояние неравновесной системы теряет устойчивость, т.е. малые вариации условий могут повлечь резкие изменения состояния системы

· при этом иной становится роль флуктуаций, возникающих благодаря неконтролируемому воздействия окружения:

ü в системах, близких к состоянию равновесия, флуктуации релаксируют и исчезают

ü в системах, далеких от равновесия, флуктуации могут разрастаться, конкурируя, захватывать всю систему и создавать в ней новый тип поведения

· при этом наблюдается когерентное (согласованное) поведение элементов системы

· в результате создается новая стационарная структура, существующая лишь в данных неравновесных условиях

Известный пример подобного явления – образование так называемых ячеек Бернара:

· конвективная структура, состоящая из ячеек Бернара, возникает только в том случае, если разность температур (Т₁-Т₂) становится больше некоторой критической величины

· при этом хаотическое, неупорядоченное движение молекул перестает справляться с «возложенной на него задачей» по переносу тепла, и в результате появляется конвективная неустойчивость

· из случайных флуктуаций начинают нарастать вихревые движения (а), происходит нарастание одних вихрей (пространственный масштаб которых соответствует данным условиям: толщине слоя, вязкости жидкости, поверхностному натяжению, тепловому потоку и т.п.) за счет других

· в конечном итоге устанавливается определенная структура (б)

· упорядоченные конвективные структуры в слое жидкости, перпендикулярно которому направлен достаточно мощный и однородный тепловой поток (на рис. а ячейки Бернара показаны в поперечном сечении; на рис. б приведено фото такой структуры)

· в данном случае флуктуация не только не затухает, но, разрастаясь на всю систему, устанавливает в ней определенный порядок, который и проявляется в виде ячеек Бернара (в когерентное движение вовлекаются при этом более 1020 частиц).

Неравновесные стационарные структуры отличаются от равновесных структур (например, кристаллов), которые описываются равновесной термодинамикой. Структуры, возникающие как результатсамоорганизации в сильнонеравновесных системах, - диссипативные структуры:

· существуют лишь за счет достаточно больших потоков энергии извне и способствуют эффективному рассеянию (диссипации) энергии

· возникают и существуют только в неравновесных условиях

· образуются в короткий промежуток времени в результате быстрой качественной перестройки в системе, напоминающей фазовый переход (например, смену агрегатного состояния).

Диаграмма, отображающая смену термодинамических ситуаций в системе по мере увеличения в ней некоторого потока I под действием обобщенной движущей силы:

· конкретной движущей силой может служить перепад температуры (как в случае ячеек Бернара), давления или других величин, характеризующих неравновесность системы

· в результате действия движущих сил возникают соответственно потоки тепла, вещества и т.д.

· в нулевой точке система находится в равновесном состоянии; при появлении и увеличении движущей силы и нарастании соответствующего потока система становится все более неравновесной

· вблизи нуля (область I на диаграмме) система слабонеравновесна и линейна (т.е. уравнения, связывающие потоки и их движущие силы, линейны); ее поведение строго детерминировано и может быть описано с помощью равновесной термодинамики; флуктуации, возникающие в слабонеравновесной системе, затухают, как и в равновесной

· при достижении движущей силой достаточно больших значений система меняет свое поведение, становясь нелинейной (условно это состояние отображается кривой в области II); все более заметную роль начинают играть флуктуации

· образование упорядоченных структур в неравновесных системах происходит вдали от состояния равновесия (область III), где система приходит к неустойчивости:

ü некоторые флуктуации, возникшие в отдельном месте, не только не гасятся, а усиливаются за счет обратных связей в системе, захватывают всю систему, образуя определенный порядок в ней

ü вместо одного устойчивого варианта поведения системы принципиально возможно несколько новых

ü выбор системой одного из новых вариантов своего поведения происходит как результат своеобразной конкуренции флуктуаций (точка В на диаграмме); поскольку любая из этих флуктуаций возникает случайно, то и указанный выбор в определенном смысле непредсказуем.

Состояние, при котором в сильнонеравновесной и неустойчивой системе происходит переход к новому типу поведения – точка бифуркации. В этой точке у системы появляется возможность «выбора» из нескольких принципиально допустимых в данных условиях вариантов поведения (что соответствует наличию нескольких решений нелинейного уравнения, описывающего систему). Этот выбор носитвероятностный характер, что делает процесс эволюции системы принципиально необратимым. После осуществления выбора эволюция системы на некотором отрезке (область III) прогнозируема. Таким образом, в поведении открытой сильнонеравновесной системы сочетаются случайность и определенность (детерминированность).

· при дальнейшем увеличении движущих сил возникают новые бифуркации и ветвления (область IV) – система, в которой бифуркации множественны, эволюционируя, достигает такой степени запутанности поведения, что сложность уже становится беспорядком.

На первый взгляд может показаться, что процессы упорядочения, происходящие в сильнонеравновесных системах, не согласуются с фундаментальным законом возрастания энтропии (второе начало термодинамики). На самом деле именно энтропийный, термодинамический подход к анализу самоорганизации дает простое макроскопическое описание самых общих ее закономерностей:

· важнейшее свойство диссипативных структур, образующихся в открытых неравновесных системах – рост суммарной энтропии в более общей системе за счет понижения «качества» протекающей через диссипативную структуру энергии

· когда система находится в неравновесном состоянии и нет внешнего воздействия, поддерживающего это состояние, то возникающие процессы переноса приводят систему в состояние термодинамического равновесия в соответствии с законом возрастания энтропии

· если же исходное состояние сильно неравновесно и процессы переноса достаточно интенсивны, то на фоне общего стремления всей системы к равновесию могут рождаться подсистемы, в которых энтропия локально убывает, а упорядоченность возрастает

· в изолированной системе, имевшей сильную исходную неравновесность, локальное уменьшение энтропии (и связанное с этим увеличение порядка в подсистеме) является временным – раньше или позже такая система приходит в равновесие, а возникшая локальная упорядоченность исчезает

· в открытой системе, через которую проходят достаточно мощные потоки энергии и вещества, возможно возникновение стабильных упорядоченных подсистем, представляющих собой диссипативные структуры:

ü возникнув, они могут пребывать в неизменном виде или же изменяться и развиваться

ü их существование продолжается до тех пор, пока не прекратятся «питающие» их потоки

ü локальное понижение энтропии, соответствующее локальному же повышению упорядоченности, обычно ничтожно по сравнению с суммарным увеличением энтропии, происходящем во всей системе

ü рождение локальных упорядоченных подсистем (диссипативных структур) с пониженной энтропией приводит к ускорению общего увеличения энтропии

Процесс образования диссипативных структур в сильнонеравновесных системах неизбежен:

· это общий для таких систем механизм, отражающий стремление системы перейти к равновесному состоянию

· упорядоченные состояния (диссипативные структуры) реагируют на малые изменения внешних условий более чутко и разнообразно, чем системы, находящиеся вблизи термодинамического равновесия

· они могут легко разрушаться или превращаться в новые, сильно отличающиеся от прежних, диссипативные структуры

· нередко образование некоторой определенной структуры возможно только при наличии предшествующей диссипативной структуры – в этом случае изменение состояний системы при изменении условий ее существования предстает как однонаправленный процесс смены в ней одного порядка на другой, т.е. как эволюция.

В результате эволюции возникают все новые упорядоченные подсистемы, которые заменяют собой старые, когда происходят существенные изменения в потоках, поддерживающих локальную упорядоченность, внутри большой системы. Эти изменения могут быть вызваны разными причинами, в том числе и существованием данной упорядоченной подсистемы:

· в последнем случае появляется основа для развития своеобразной эволюционной пирамиды, иерархичности упорядоченных структур – на базе одной упорядоченности возникает другая; на базе упорядоченности второго порядка рождается упорядоченность третьего порядка и т.д.

· на некоторой ступени развития такой пирамиды должны появиться качественно новые свойства – например, обратные связи, управляющие изменениями в упорядоченных структурах, или обратные связи, стабилизирующие возникшую упорядоченность.

Таким образом, в случае достаточно мощных и длительных потоков через неравновесную систему появляется возможность (а в определенном смысле – необходимость) для самопроизвольного возникновения локальной упорядоченности и дальнейшего ее развития. Однако неустойчивость, характерная для сильнонеравновесных систем, остается. Поэтому надежной устойчивостью, подобной устойчивости термодинамически равновесных систем, диссипативные структуры не обладают.

Приведенный выше анализ, основанный на термодинамических представлениях, показывает, что явления, напоминающие эволюцию живой природы, можно наблюдать в любых сильнонеравновесных системах.

3. Многообразие процессов самоорганизации в природе.

Повсеместно мы встречаем упорядоченность, пространственно-временные структуры, связанные с физической неравновесностью в природных и технических системах:

· вихри в потоках жидкостей или газов

· регулярная структура песчаных барханов и облаков

· звучание флейты и электромагнитная волна, порождаемая антенной

Один из примеров самоорганизации иллюстрируется микрофотографией:

На ней показана картина пространственной самоорганизации в тонком (доли микрометра) слое расплава на поверхности сильно нагретого кристалла кремния:

· большие значения температурного градиента и теплового потока обусловили образование множества одинаковых микрокапель расплава

· и кооперативное их поведение – синхронное движение вдоль направления градиента (температуры указано стрелкой); за каждой каплей виден след, оставленный ею на поверхности кристалла.

Проявления самоорганизации:

· в масштабах Вселенной – в эволюции космологически сильнонеравновесных систем

· при формировании геологического облика Земли – геологическая эволюция

· живой организм, биологический вид, популяция, экосистема и биосфера – открытые системы, далекие от равновесия, характеризующиеся определенной упорядоченностью

· кооперативное поведение насекомых

· эффекты самодостраивания – регенерация живых тканей, интуиция в процессе мышления

· вся жизнь на Земле, а также ее возникновение.

Дата добавления: 2014-01-11