Век бифуркации. Постижение изменяющегося мира

На первый взгляд кажется, будто системы в сильно неравновесном состоянии противоречат знаменитому второму началу термодинамики. Действительно, как могут системы повышать свой уровень сложности и организации и увеличивать свою энергию? Второе начало термодинамики утверждает, что организация и структура любой изолированной системы стремятся исчезнуть, уступая место однородности и случайности. Современные ученые знают, что развивающиеся системы не изолированы и поэтому второе начало термодинамики не полностью описывает происходящие в них процессы, точнее то, что происходит между системами и окружающей их средой. Системы, относящиеся к третьей категории, всегда с необходимостью являются открытыми системами, поэтому изменение энтропии в них не определяется однозначно необратимыми внутренними процессами. Протекающие в таких системах внутренние процессы не подчиняются второму началу термодинамики: свободная энергия, единожды затраченная, не способна более выполнять работу. Но энергия, необходимая для совершения работы, может быть «импортирована» открытыми системами из окружающей среды: через границы открытой системы может осуществляться перенос свободной энергии (или отрицательной энтропии)[5]. Когда две величины — свободная энергия внутри системы и свободная энергия, поступающая через границы системы из окружающей среды, — находятся в равновесии и компенсируют друг друга, система переходит в неизменное (т. е. стационарное) состояние. Поскольку в динамической среде два члена уравнения Пригожина редко компенсируют Друг друга в течение сколько-нибудь продолжительного времени, системы в реальном мире в лучшем случае «метастабильны»: они имеют тенденцию флуктуировать относительно своих стационарных состояний, а не неподвижно пребывать в этих состояниях без всяких вариаций.

Эти основные понятия были применены в ряде областей науки, апробированы и разработаны различными способами. Исследования, непосредственно относящиеся к эволюционным понятиям, можно грубо разделить на две категории: эмпирические исследования, опирающиеся на наблюдение и эксперимент, и теоретические исследования, проводимые на формальных — математических — моделях поведения систем.

Эмпирические исследования

Исходным пунктом эмпирических исследований явилось наблюдение, согласно которому при подходящих условиях постоянный и интенсивный поток энергии, проходящий через систему, вынуждает ее переходить в состояния, характеризуемые более высоким уровнем свободной энергии и более низким уровнем энтропии. Как предсказал Илья Пригожий в 60-х годах и как подтвердил своими экспериментами, выполненными еще в 1968 г., биолог Гарольд Моровиц, поток энергии, проходящий через неравновесную систему в состоянии, далеком от равновесия, приводит к структурированию системы и ее компонент и позволяет системе принимать, использовать и хранить все возрастающее количество свободной энергии. Одновременно происходит увеличение сложности системы и убывание ее удельной энтропии.

Существенной мерой в ходе эволюции является не тотальный прирост свободной энергии в системе, а прирост плотности потока свободной энергии, который система поддерживает, сохраняет и затем использует. «Плотность потока энергии» есть мера свободной энергии, приходящейся за единицу времени на единицу объема; например, эрг/сек. см³. Восходя по шкале сложности систем, мы обнаруживаем, что величина плотности потока энергии возрастает. В сложной химической системе плотность потока свободной энергии выше, чем в одноатомном газе; в живой системе — выше, чем в любой сложной химической системе. Это различие указывает на основное направление эволюции, поток, сметающий на своем пути все препятствия, который определяет стрелу времени как в физическом, так и в органическом мире.

Зависимость между потоком энергии в единицу времени и изменением удельной энтропии и плотности потока свободной энергии существенна для ответа не только на вопрос о том, как системы эволюционируют в третье состояние, но и на вопрос о том, обязательно ли происходит подобная эволюция при наличии определенных условий. До 70-х годов исследователи склонялись к точке зрения, красноречиво изложенной французским биохимиком и микробиологом Жаком Моно, согласно которой эволюция в основном обусловлена случайными факторами. Но к 80-м годам многие ученые пришли к убеждению, что эволюция носит не случайный характер, а происходит с необходимостью, если определяющие ее параметры удовлетворяют соответствующим требованиям.