Парадоксы эволюции. Как наличие ресурсов и отсутствие внешних угроз приводит к самоуничтожению вида и что мы можем с этим сделать

Рассмотрение материальных основ биологической самоорганизации и сложности представляется наилучшим начать с краткого, насколько возможно, рассмотрения понятий эргодичности и неэргодичности динамических систем. Обсуждая в предыдущей главе второе начало термодинамики и энтропийную теорию, указывалось, что в формуле Больцмана для энтропии описывается средняя энтропия системы, то есть взятая из совокупности всех возможных микросостояний системы. Но эти микросостояния могут быть взяты двумя способами: временным, когда система в течение неограниченного времени «естественным образом» проходит их по какой-то траектории одно за другим, и ансамблевым, когда все возможные состояния берутся сразу.

Некоторым примером может служить вычисление среднего значения игральной кости: один игрок может некоторое, достаточно большое, число раз подбросить одну игральную кость (временной подход) или несколько игроков могут одновременно подбросить свои кости и сосчитать среднее (ансамблевый подход). В самом общем случае эргодическими (то есть обладающими эргодичностью) системами называют такие, в которых временное и ансамблевое среднее равны, а неэргодическими – в которых они различаются.

Современные статистическая физика и термодинамика, условно начиная с Больцмана и Гиббса (а точнее – с их наиболее известных интерпретаторов – Пауля и Татьяны Эренфестов (Ehrenfest P. And Ehrenfest T., 1911), исходят из эргодичности рассматриваемых систем. Вообще, тотальный отказ от этого принципа может привести к довольно серьезным последствиям – например к пересмотру, или, по крайней мере, корректировке второго начала термодинамики, понятия энтропии и закона ее всеобщего нарастания. В любом случае современная статистическая физика вполне признает возможность существования и неэргодических систем в первую очередь для таких ситуаций, в которых вероятность достижения некоего микросостояния определяется всей предыдущей историей (траекторией микросостояний).

Рассмотренной концепции динамического хаоса в системах со странными аттракторами образуется множество переплетений траекторий состояния системы, создающих множества бифуркаций, и поведение системы в этих точках оказывается зависимым от совокупности всех предыдущих состояний системы и в условиях практической невозможности их вычислить – непредсказуемым, то есть случайным.

Системы самоорганизованной критичности (СОК) также безусловно неэргодические. К неэргодическим могут быть отнесены и все биологические и социальные системы, хотя бы из представления о необратимости ключевых биологических процессов: игра в русскую рулетку ансамблевым и временным способами даст очевидно совершенно различные результаты. Зависимость динамики неэргодических систем от совокупности своих предыдущих состояний, своей истории, может быть названа своеобразной памятью системы. Но неэргодичностью обладают и некоторые неорганические структуры. Так, впервые Robert Laughlin и David Pines (2000), а впоследствии и более пристально Евгений Кунин, Михаил Каценельсон и Юрий Вольф (Wolf Y.I., Katzenelson M.I., Koonin E.V., 2018) обращают внимание на исключительную похожесть стеклообразных и биологических систем: их объединяют стохастичность/неэргодичность, с одной стороны, и фундаментальная сложность, с другой. С учетом свойственного обоим видам систем эволюционного развития по типу прерывистого равновесия они одинаково могут быть описаны как примеры систем СОК.

Если рассматривать стеклообразные структуры, то есть структуры, находящиеся в динамической промежуточной форме между равновесным и неравновесным состояниями, то их ведущей особенностью можно назвать феномен «старения» или структурной релаксации, как выражение этого переходного состояния. Материалы в равновесном состоянии сохраняют неизменность физических свойств после, например, фазовых переходов: вода после циклов замораживания – оттаивания будет иметь абсолютно одну и ту же теплоемкость. Для стекла некоторые физические параметры будут в похожих случаях изменяться, хоть и очень незначительно: стекло в ходе, например, своей тепловой эволюции будет каждый раз находить новый минимум потенциальной энергии, отличающийся от предыдущего.