2.13.  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 [306].

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 [268], 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            Рис.2.13.1. Эволюция устойчивости различных организованностей.

 

Всё живое построено из белковых, полимерных молекул – очень непрочного материала. Именно такой,  непрочный материал оказался наиболее пригодным для эволюции. Непрочность, мобильность, плюс управление (регенерация) – это новый способ сохранения гомеостаза, появившийся в форме жизни. Размножение – это замена старого, изношенного на новое, но несколько отличающегося от старого. Схематически эволюция устойчивости природных систем приведена на рис.2.13.1, где  Q_k,   Q_p – энергия кинетическая и потенциальная; S – энтропия; Y – информация и управление

Эволюция – это высший способ самосохранения. Эволюция – это замена не только элементов, но и модернизация всей конструкции.

Атомы существуют миллиарды лет. Их устойчивость определяется только кинетической энергией элементов и потенциальной энергией связей.. Молекулы - это уже динамичные, мобильные системы. Молекулы возникают и распадаются в ходе химических превращений. Макромолекулы менее устойчивы по сравнению с мономерами. Минимум устойчивости располагается где-то  в области белковых молекул, т.к. это самые крупные полимерные цепи (ДНК еще более длинная молекула). Последующее повышение устойчивости определяется появлением управления. Поле «деятельности» классической энтропии ограничено атомарными и молекулярными системами (жидкости, газы, твердые тела). Живые системы приобрели другие способы самосохранения. Их устойчивость есть сложная функция минимум четырех переменных: Q_k Q_p, S, Y. Поэтому попытка охарактеризовать деятельность живого только одним из этих четырех параметров (энтропией) явно не продуктивна. Следует подчеркнуть, что живые объекты - это не стационарные структуры, а постоянно трансформирующиеся (онтогенез, филогенез) образования, в которых постоянно заменяются и видоизменяются элементы. Связи в них лабильные. Живые объекты это не стационарные структуры, а скорее процессы, и их деятельность направлена на стабилизацию процессов. Наращивая устойчивость в своей экологической нише,  живое жертвует своими возможностями выживания в других нишах. Например, большинство рыб живет только в воде, но минералы могут существовать везде, кроме звезд. Катастрофы, изменяющие параметры экологических ниш, приводили к массовым  вымираниям ряда живых существ [241]. Энтропия Больцмана способна характеризовать устойчивость только равновесных систем (структур), но не устойчивость процессов, взаимодействий, т.к. в своей математической модели он исключил все виды взаимодействий.

Человек научился носить свою экологическую нишу с собой, создавая искусственную среду обитания. Космические станции, подводные аппараты, полярные жилища – это замкнутые экологические ниши. Человек маневрирует, создавая «броню», но также делает попытки стабилизировать параметры внешней среды. Сельское хозяйство, животноводство это стабилизаторы, гаранты от ресурсных потрясений.

 Эволюция не всегда означает усложнение. Живые системы, эволюционируя, приспосабливаются к своей экологической нише. Если условия в нише стабильные, то система управления адаптируется к ним и может упроститься. Примером тому являются паразиты, поселившиеся в организме хозяина (гельминты). Они не нуждаются в механизме добывания пищи. Температура и влажность здесь всегда постоянная, поэтому стремление к рациональности привело к сильному упрощению их организмов.

Выводы

1.     Классическая  энтропия  Больцмана  способна  адекватно характеризовать  только простые молекулярные системы, где взаимодействие между элементами системы минимально.

2.     Использование понятия энтропия для характеристики биологических систем очень ограниченно, так как поведение и состояние их зависит  от множества других факторов и процессы взаимодействия в них являются основой их существования.

3.     Живое для сохранения гомеостаза использует  управление

4.     Сохранение гомеостаза живого возможно как путем повышения энергопотребления, так и путем экономии, сокращения энергопотребления.

5.     Универсальной  характеристикой систем всех уровней является устойчивость.

6.     Энтропия, как мера устойчивости,  работает только на уровне молекулярных систем.

7.     Каждый уровень сложности обеспечивает свою устойчивость индивидуальным набором параметров.

 

Следующий раздел