Энтропия как частный случай устойчивости.Выше показали, что подход к живому только с энтропией – мерой хаоса не состоятелен. Попробуем рассмотреть энтропию для биологических систем, как меру связанной энергии, которую нельзя превратить в работу. Именно с этой стороны основатель квантовой физики Э. Шредингер [304] рассматривал биологические системы. Он утверждал, что «живая» материя уклоняется от деградации. Живые системы – открытые системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом, энергией, информацией. Для открытых систем классическая термодинамика оперирует функциями состояния, называемыми термодинамическими потенциалами. Кстати, потенциалы, выведены также для достаточно простых систем. Например, термодинамический потенциал Гельмгольца: F = U - TS Где F-свободная энергия; S – энтропия; U – полная внутренняя энергия; ST – связанная энергия. Согласно этой формуле, рост энтропии должен приводить к уменьшению F. Компенсировать уменьшение F можно увеличением U (внутренней энергии). Поэтому живое должно накапливать внутреннюю энергию, чтобы использовать ее для поддержания неустойчивого равновесия. Известен факт роста энергопотребления живыми организмами по мере восхождения по эволюционной «лестнице». Чем выше и сложнее организм, тем больше он потребляет энергии в расчете на единицу массы своего тела [99]. Усиление энергетического обмена было чрезвычайно полезным для выживания. В литературе [99] имеются данные роста энергопотребления в ходе эволюции живого, выраженные в милливаттах на 1 г. массы тела за 1 млн. лет. В интервале 540-440 млн. лет тому назад эта величина составляла - 0.011; 410-350 млн. лет – 0.014; 350-270 млн. лет – 0.024; 230-195 млн. лет – 0.076; 196-135 млн. лет – 0.099; 110-70 млн. лет – 0.192; 7-2 млн. лет – 0.269. Человек резко повысил энергопотребление, дополнив пищу использованием горючих материалов (очередная бифуркация). Первобытный человек получал с пищей не более 2000 ккал в сутки. С использованием огня потребление энергии выросло до 5000 ккал/сутки. Сейчас в развитых странах потребление энергии превышает 200000 ккал/сутки на человека. Теплокровные животные, появившиеся после хладнокровных, поддерживают свой гомеостаз, термостатируя себя и попутно обогревая внешнюю среду. Для этого они должны увеличивать энергопотребление. Рептилии (хладнокровные) – более экономичны, чем теплокровные, но все же теплокровные вытеснили из биосферы почти всех рептилий. Однако насекомые, рыбы, моллюски, являясь, по сути, также хладнокровными, процветают до сих пор. Очевидно, что оценка устойчивости сложной системы только термодинамическими потенциалами не корректна. То, что хорошо для простых молекулярных систем, может для живых объектов оказаться не пригодным. Для поддержания гомеостаза живого надо затрачивать энергию, но затраты могут быть рациональными или нерациональными. Не всегда повышенное потребление горючего некоторой машиной является показателем ее антиэнтропийности. Энергопотребление зависит также от коэффициента полезного действия, но и к.п.д. не всегда связан с энтропией системы. Сохранять гомеостаз можно разными способами. Или повышенным расходом энергии, или ее экономией. Боксер может победить соперника, действуя рационально, экономя силы. Но может победить и избыточностью, совершая много ложных движений. Броненосец на море обладает мощной защитой от снарядов противника, а торпедный катер рассчитывает только на скорость и маневренность. Итак, гомеостаз можно поддерживать как повышением энергопотребления, так и экономичной защитой от факторов внешней среды. Чаще имеет место комбинация этих двух способов самосохранения. Очень эффективным способом самосохранения является, например, анабиоз. Это предел экономичности. В ледниках Антарктиды обнаружены бактерии, возраст которых 300 тыс. лет, находившихся в анабиозе и «оживших» после оттаивания [218]. Рекордными «анабиотиками» оказались споры, «законсервированные» в янтаре 40 млн. лет назад [218]. Анабиоз почти без энергопотребления также может обеспечить самосохранение. Следовательно, аргумент об антиэнтропийной деятельности живого, основанный на наблюдаемом росте энергопотребления, является некорректным. У спящего организма энергопотребление минимизировано, но структурная упорядоченность не ниже, чем у активно действующего. Живое - это более процесс, чем структура, а классическая энтропия характеризует структурную упорядоченность, но не упорядоченность процессов, которые имеют место в живом. Подводя итог, можно констатировать, что в биологии энтропия из функции состояния превратилась в понятие, характеризующее устойчивость системы. Но только одна энтропия не может характеризовать устойчивость биологических систем. У живого есть другая более важная особенность – способность эволюционировать, целенаправленно изменять свой гомеостаз и тем самосохраняться. Попытаемся найти нечто общее, что может объединить все известные разновидности энтропии, по аналогии с информацией всех уровней, которые объединяются понятием «неоднородность». В молекулярных системах в ряду газ - жидкость – кристалл энтропия уменьшается. В этом ряду возрастает и способность сохранять структуру (читай гомеостаз). Газ стремится неограниченно расшириться и не имеет формы. Капля жидкости уже оформлена (сфера), но ещё не прочно. Кристалл – образец устойчивости. Живое также устойчиво благодаря процессам управления. По своей сути энтропия Шеннона также характеризует устойчивость сигнала к помехам, является мерой неустойчивости, мерой зашумленности. Различные организмы обладают различной устойчивостью и их также можно характеризовать этим признаком. Следовательно, произошла подмена понятий. Под энтропией стали понимать меру устойчивости системы. Устойчивостью можно характеризовать не только очень большие ансамбли, но и малые. Можно говорить об устойчивости одной молекулы, атома или организма. Таким образом, устойчивость – это более общее понятие, а энтропия – частный случай, характеризующий устойчивость молекулярных ансамблей. Устойчивость неживых систем есть функция энергии связей и кинетической энергии всех видов движения элементов системы. Устойчивость живых систем – это также функция энергии связи и плюс способность к регенерации. Регенерация требует направленных действий (т.е. управления). Можно построить сооружение из очень прочных элементов и оно простоит 100 лет. Но можно сделать то же из «слабых», но легко замещаемых элементов, осуществлять своевременную замену и сооружения также будут долговечными.
|
