5-14. Новая термодинамика, эволюция и старение

Старая термодинамика, которую по традиции изучают в вузах (ее теперь иногда именуют более правильно: термостатика), изучает воображаемые бесконечно медленные процессы, текущие в изолированных системах, находящихся вблизи от теплового равновесия.

Еще К.Э. Циолковский в 1919 году отметил, что «второй принцип» очевидным образом неверен, если в системе есть силовое поле: напри-мер, гравитационное поле собирает космическую пыль в небесные тела, т.е. вся Вселенная (ее наука рассматривает как изолированную систему) сама собой эволюирует в сторону создания структур. В хорошем приближении является изолированной и Солнечная система, а в ней гравитация зажгла звезду и разогрела земные недра, чем создала условия для жизни. Итак,

* 281

' «второй принцип», хорошо работающий в некоторых условиях (например, в реакциях, текущих вблизи химического равновесия), надо осторожно прила

гать там, где есть какие-либо поля. Дело в том, что поле активно, а «вто- рой принцип» описывает объекты неактивные.

Никаких полей в биологии до недавнего времени не признавалось, и «второй принцип» вовсю прилагался к живому. Естественно, вставал вопрос: почему живое в целом не деградирует, а развивается? Первое, что пришло в головы - что дело в открытости биологических систем: если живой объект изолировать, он погибнет, т.е. придет к тепловому равновесию. Ответ поверхностный - прежде чем погибнуть, изолированный объект может долго жить и даже развиваться (куколка насекомого), а значит процессы текут там всё это время против «второго принципа», и непонятно, что их в это время движет.

Биосфера находится в потоке солнечной энергии и в потоках из земных недр, благодаря чему в ней идет преобразование одних структур в другие. Она сильно удалена от химического равновесия (т.е. описывается нелинейными уравнениями). Столь же далек от него всякий живой организм: даже если он в данный момент не растет, не движется, не размножается и не стареет, все равно в нем непрерывно идет обмен веществ, т.е. преобразование одних веществ в другие. Наоборот, умерший организм понемногу стремится к химическому и тепловому равновесию с окружающей средой, т.е. его термодинамика постепенно становится термостатикой.

Естественно, тут встает вопрос о старении. Известные мне гипотезы механизмов старения делятся на две группы: одна признаёт процедуру старения генетически запрограммированной, другая отрицает эту идею и выводит старение из всевозможных ошибок функционирования, т.е. по сути - из «второго принципа». В обеих группах есть гипотезы (их большинство), выводящие старение высших организмов из старения их клеток, и такие, которые видят в старении организма особый целостный процесс. Мне более интересны те, что увязывают программу и целостность, поскольку более явственно связаны с новой термодинамикой, рассматривающей систему как таковую, а не как набор частей. Аналогия: государство стареет и гибнет не оттого, что стареют его граждане, а по своим причинам.

Каждая гипотеза старения объясняет свой круг фактов и вне его бессильна. Поэтому интересна заметка геронтолога О. В. Квитко (Минск), фактически приложившего к проблеме старения идею снятия давления нормы. По его мнению, процесс старения сдерживается у растущего организма «развитийной доминантой», т.е. установкой всех механизмов на одну цель. Она тормозит остальные процессы, в том числе, ведущие к старению, и ее снятие ведет к их проявлению (Квитко О.В. Развитийная доминанта как механизм антистарения Il Геронтология и гериатрия.

Если система достаточно далека от равновесия, то в ней, оказывается могут сами собой образовываться упорядоченные структуры. Бельгийский физхимик Илья Пригожин назвал их диссипативными структурами (ДС), подчеркивая этим, что они существуют за счет диссипации (рассеяния) вовне получаемых веществ и энергии. Простейшая ДС возникает в ванне с водой, когда вынута пробка: при достаточно мощном стоке вода закручивается, водоворот имеет свои простые онтогенез (воронка формируется постепенно) и память (закрутившись влево, не сможет закрутиться вправо, если не разрушить всю структуру). Он вбирает в себя всё, что плавает вокруг, и в этом смысле сам создает силовое поле.

Никакая ДС невозможна без движения, она существует как побочный результат какого-то потока. Школа Пригожина сумела показать значительную общность феномена ДС (они образуются в самых разных физических и химических процессах) и провести яркие аналогии с биологией.

Утверждается, что всякий организм (да и всякое сообщество, вплоть до биосферы) существует и развивается за счет текущих через него веществ и энергии, за счет их диссипации. Феномен ДС - главный в новой термодинамике, он показывает, что в далеких от равновесия системах возможна самоорганизация. Это и есть основа термодинамического эволюционизма.

Однако она возможна не только в рамках термодинамики, но и в рамках механики. Примером служит солитон (уединенная волна). Он тоже, как и ДС, является примером самоорганизации там, где ее вроде быть не может, и есть попытка описать самые различные биологические объекты как соли- тоны (Петухов С.В. Биосолитоны - тайна живого вещества. М., 1999). Образование солитона - фазовый переход. О солитонах см. пп. 6-14** и 7-6.

«Второй принцип», понимаемый как распад структур, может (но не обязан - вспомним Циолковского) действовать в любых системах, и это не мешает возникновению в каких-то частях системы порядка и сложности.

Если до рождения науки природу воспринимали как творение божье, то наука поначалу восприняла и природу, и живой организм как огромный механизм (чаще всего как очень сложные часы) и с тем смогла найти первые ее законы; в XIX веке и природу, и организм стали понимать как тепловую машину, и это тоже позволило многое понять. Так вот, понимание организма как ДС позволяет понять еще кое-что, и этим аналогия полезна. Она настолько же выше аналогии с тепловой машиной, насколько та была выше аналогии с часами. Тем самым, новая термодинамика дает обоснование (пока весьма абстрактное) самоорганизации в ходе эволюции.

В биохимических процессах самоорганизация возможна и без образования ДС - за счет превышения анаболизма над сопряженным с ним катаболизмом (п. 5-11). Как полагает геохимик Э.М. Галимов, системы «в которых протекают параллельно и сопряжено неравновесные процессы, реагируют на нарушение стационарности производством упорядочения», причем нелинейности не требуется (Геохимия, 2005, № 5, с. 473).

Вероятно, в близком будущем ДС, солитон и сопряжение станут частными случаями более общей теории самоорганизации. Она будет настолько же выше теории ДС, насколько та выше термостатики. Она должна включить в себя и когерентную логику (о ней см. [Чайковский, 1993, с. 133-134]), и синергетику (теорию самоорганизации, конкурирующую с новой термодинамикой). Мы вернемся к этой теме в п. 6-7**.

Сказанное в этом и предыдущем параграфах можно резюмировать так: материал для эволюции поставляет не только направленная случайная изменчивость, но и самоорганизация, причем обе возникают при снятии давления прежней нормы.