В любой открытой системе поступающая извне энергия разделяется на два потока: поток свободной энергии, затрачиваемый на внутреннюю полезную работу, направленную против равновесия, и на поток энергии, которая в виде теплоты рассеивается в окружающей среде.
То есть за счет свободной энергии обменного процесса, стремящегося к равновесию (энтропийного процесса), совершается процесс, стремящийся к неравновесию (антиэнтропийный процесс), который и приводит к самоорганизации системы (к ее неравновесному упорядочению).
– В настоящее время в науке существуют две теории самоорганизующихся систем: теория И. Р. Пригожина и теория эволюционного катализа А. П. Руденко…
Аструс: Первая верна на 70 %, а вторая – на 90 %.
– И. Пригожин считает, что диссипативная энергия способна порождать сложные системы из простых, а энтропия оказывается тем самым «сырьем», из которого диссипативные структуры могут создать (а могут и не создать – это дело случая!)…
Аструс: Вот «дело случая» – это неверно.
– …более высокую, чем прежде, упорядоченность. Мерой самоорганизации является диссипация и ее функция. Самоорганизация по Пригожину проявляется в образовании диссипативных структур. При этом возникает необходимость системе «питаться» отрицательной энтропией, поглощаемой из внешней среды.
Аструс: Это верно.
– Руденко ставит под сомнение, что движущей силой самоорганизации является «отрицательная энтропия».
Аструс: Руденко верно ставит вопрос, но он рассматривает только одну сторону.
– Руденко считает, что необратимость не играет предполагаемой конструктивной роли ни в возникновении, ни в росте самоорганизации. Играет необратимость конструктивную роль или нет?
Аструс: Играет и не играет. Он подходит к этому верно, но не учитывает вторую половину.
– Зато он учитывает неравновесность. С его точки зрения, действительной причиной самоорганизации может быть только внутренняя полезная работа против равновесия, а не диссипация.
Аструс: Опять он половину рассматривает.
– Что же порождает самоорганизацию: неравновесность или необратимость? Пригожин говорит, что в основе самоорганизации лежит необратимость, а Руденко – что неравновесность.
Аструс: И то, и другое верно.
Татьяна: Раз Руденко прав на 90 %, значит, все-таки неравновесность играет бо́льшую роль?
Аструс: И то, и другое правильно.
– А нельзя сказать, что необратимость большую роль играет для макромира, а неравновесность – для микромира и нашего мира?
Аструс: Можно так сказать.
– Значит, теория Пригожина пригодна для макромира, например для Вселенной, а теория Руденко – для локального мира, например для организма?
Аструс: Это очень верно.
Итак, существуют два типа самоорганизации: когерентный для коллективных (макро-) открытых систем (по Пригожину) и континуальный для индивидуальных (микро) систем (по Руденко). Эволюция с естественным отбором возможна только как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных систем.
В том и в другом случае основными свойствами самоорганизующихся систем являются: открытость, необратимость, неравновесность, нелинейность и диссипативность.
Свойства самоорганизующихся систем
Открытость системы
Открытые системы – это системы, которые способны постоянно обмениваться веществом (энергией, информацией) с окружающей средой и обладать как «источниками» – зонами подпитки системы энергией окружающей среды, так и «стоками» – зонами рассеяния, «сброса» энергии вовне.
Действие «источников» (притока энергии извне) способствует наращиванию структурной неоднородности данной системы, а действие «стоков» (сброс энергии вовне) приводит к сглаживанию структурных неоднородностей в системе.
Приток и сток обычно носят объемный характер, то есть происходят в каждой точке данной системы. Например, во всех компонентах биологического организма (ткани, органы, клетки и т. д.) происходит обмен веществ, приток и отток вещества (с помощью кровеносных сосудов, эндокринной и других систем). Постоянный приток (и сток) вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных, неустойчивых состояний.
Способность живых организмов поддерживать на определенном уровне состояние своего внутреннего порядка есть не что иное, как борьба с повышением энтропии, или борьба за свое существование. Живые организмы (клетка, сообщество людей, город и т. д.) не только открытые системы, но они и существуют только потому, что открытые. Их питают потоки энергии и вещества, которые поступают из внешнего мира. Так, например, закрытую систему «кристалл» можно изолировать, но если изолировать клетку или город от внешнего мира, они погибнут.
Открытые системы – это системы необратимые; и в них важен фактор времени.
Необратимость
Процессы могут быть обратимые и необратимые. Как трактует Википедия, обратимый процесс (то есть равновесный) – это термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.
Необходимое условие обратимости термодинамического процесса – его равновесность, то есть всякий обратимый процесс всегда является равновесным, или квазистатическим. Однако не всякий равновесный процесс обязательно обратим (например, квазистатический процесс равномерного движения тела по горизонтальной шероховатой поверхности под действием взаимно уравновешивающихся сил тяги и трения – процесс необратимый).
Характерная особенность обратимых процессов – их медленность: процесс должен быть настолько медленным, чтобы участвующие в процессе тела успевали в каждый момент времени оказываться в состоянии равновесия, соответствующего имеющимся в этот момент внешним условиям. То есть обратимый процесс – это непрерывная последовательность равновесных состояний.
В системе тел, находящихся в равновесии, без внешнего вмешательства никаких процессов происходить не может, то есть с помощью тел, находящихся в тепловом равновесии, нельзя произвести никакой работы, т. к. работа связана с механическим движением, то есть с переходом внутренней энергии в кинетическую энергию. Стоит подчеркнуть еще раз, что невозможно получить работу за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии.
На практике обратимый процесс реализовать невозможно. Он протекает бесконечно медленно, и можно только приблизиться к нему. Обратимые процессы – это идеализация реальных процессов.
Следует отметить, что термодинамическая обратимость процесса отличается от химической обратимости. Химическая обратимость характеризует направление процесса, а термодинамическая – способ его проведения.
Необратимым называется процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния (Википедия).
По существу, все процессы в макросистемах являются необратимыми, а все необратимые процессы – неравновесными. Все процессы, сопровождающиеся трением, а также явления диффузии и растворения, теплопроводность, вязкое течение – необратимые. Переход кинетической энергии макроскопического движения через трение в теплоту, то есть во внутреннюю энергию системы, является необратимым процессом.
Например, ваза падает, разбиваясь на осколки, но самопроизвольно разбившаяся ваза восстановиться из осколков не может. Этот процесс можно наблюдать, если, предварительно засняв падение на пленку, просмотреть ее в обратном направлении, но никак не в действительности.
Так же тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к холодному, а обратный процесс, как известно, невозможен, то есть процесс необратим. Тепловые процессы вообще являются необратимыми.
