Таким образом, стремление навязать природе удобную для математических операций форму (унифицировать форму выражения тепла с формой выражения работы) обернулось появлением функции с непонятным физическим смыслом. Она оказалась удобной для доказательства необратимости процессов, но неэффективной в практических приложениях. Для того чтобы разобраться в сложившейся ситуации обратимся к энциклопедическому курсу термодинамики К.А. Путилова. Вот что говорится в нем по этому поводу: "Теплота и работа являются неравноценными формами передачи энергии... Работа может быть непосредственно направлена на пополнение запаса любого вида энергии... Теплота же непосредственно, т.е. без промежуточного преобразования в работу, может быть направлена на пополнение запаса только внутренней энергии тел". И далее: "Внутренняя энергия тела является единственной энергией тела, имеющей статистическую основу..." |6]. Отсюда следует, что энтропия, как и внутренняя энергия, являются непосредственно объектами изучения статистической физики. Но обе эти функции для реальных объектов непосредственно в рамках статистической физики вычислены быть не могут. Не могут быть определены они и в эксперименте. В силу этого энтропия вычисляется в термодинамике через измеряемые величины - температуру и количество тепла. Но на этом трудности не кончаются, ибо в термодинамике энтропия выступает в "двусмысленной" роли. С одной стороны (что следует из выражения , она растет при равновесном нагреве и убывает при равновесном остывании тела, сопутствуя изменению его внутренней энергии. Не случайно, поэтому она - единственная термодинамическая функция, имеющая одинаковую размерность с другой - теплоемкостью. В этих случаях изменения значения энтропии не связаны с изменением равновесия в системе - условия, характеризующего ее потенциальную работоспособность.
Но обычно большой интерес, и в том числе и в биологии, энтропия вызывает в своем втором значении - как мера неравновесия. В этой роли она являет себя как характеристика потенциальной работоспособности - той части энергии, которая при наличии преобразующего механизма может произвести работу. Именно в этом смысле она интересует как теплотехников, так и биологов, так как характеризует возможность системы осуществить работу, обеспечить за счет такой работы жизнедеятельность. Именно эта роль энтропии как характеристики состояния системы и положила, начиная со знаменитой речи Л. Больцмана, произнесенной им в 1886 г., начало поискам определения жизни как явления, способного уменьшать свою энтропию [7].
Именно эти две ипостаси энтропии и обусловливают ту двусмысленность, о которой говорилось выше: по изменению значения энтропии, не зная состояния частей системы, нельзя сказать, связано ли это изменение с изменением только внутренней энергии системы или еще и с изменением ее потенциальной работоспособности.
Но и как характеристика неравновесия энтропия определяет однозначно способность системы осуществить работу. Наличие двусмысленностей вносит путаницу в попытки использовать энтропию в конкретных приложениях в различных областях знания, в том числе и в биологии.
Реальные организмы хорошо справляются с этими двусмысленностями. В случае необходимости поддержания температурного гомеостаза многие из них, особенно высшие, обладают механизмами для повышения температуры (сопровождаемой соответственно ростом энтропии) и понижения ее (сопровождаемой убылью энтропии). Однако и действия, способствующие повышению потенциальной работоспособности (сопровождающейся понижением энтропии, характеризующей в этом случае меру неравновесия), ограничены известными пределами. Так, накопление жира, обеспечивающего потенциальную работоспособность животного, при превышении определенного запаса может привести его к гибели, как вследствие снижения подвижности, так и вследствие внутренней патологии. Таким образом, организмы поддерживают оптимальное значение энтропии подобно тому, как они это делают с сотнями различных веществ с целью сохранения гомеостаза. Таким образом, энтропийные характеристики и в случаях, указывающих на неравновесность, не являются ни определяющими, ни специфическими для организмов.
До сих пор рассматривался физический смысл энтропии в ее классическом термодинамическом выражении. Рассмотрим теперь смысл этого понятия в статистической трактовке второго закона термодинамики. Наиболее наглядно этот смысл проявляется в фазовых переходах первого рода, например, плавления. В этом процессе тепло, полученное системой при постоянной температуре фазового перехода, связано с энтропией простейшей зависимостью .Поскольку кинетическая энергия молекул, находящаяся в прямой зависимости от Т, практически не изменяется, то, очевидно, что поступающее тепло расходуется на ослабление связей между частицами, образующими кристаллическую решетку, т.е. на увеличение потенциальной энергии связи молекул. Этот случай позволяет увидеть в чистом виде одну из составляющих физического смысла энтропии, обычно маскируемую одновременным изменением кинетической и потенциальной энергий, и выявить, что энтропия - это функция, отражающая и величину потенциальной энергии связей микрочастиц. Ее монотонный рост в прямой зависимости от температуры нарушается фазовыми переходами, когда потенциальная энергия связей изменяется скачком. Особенно большим этот скачок может быть при переходе п газовую фазу, когда фактически происходит разрыв связей между молекулами вещества. При этом расстояние между ними может увеличиваться на несколько порядков (у воды объем при переходе в пар возрастает примерно в 1700 раз) и дальнейший рост потенциальной энергии частиц становится незначительным. И лишь тогда приложение статистического выражения второго закона становится практически адекватным.
Существование организмов определяется, в первую очередь, сохранением их структуры, которая, в свою очередь, зависит от прочности связей слагающих ее частей, характеризуемой их потенциальной энергией. Отсюда очевидно, что статистическое выражение второго закона термодинамики в общем случае непригодно для выражения энтропии и. в частности, для исследования специфики жизни. Это связано с тем, что оно выведено на основании идеальной модели, в которой все взаимодействия частиц сводятся к упругим соударениям друг с другом и со стенками сосуда, а все остальные взаимодействия игнорируются.
Рассмотрим теперь в ином свете классическое положение о росте энтропии в изолированной системе. Предположим, обмениваются теплом две ее части: 1 и 2,имеющие температуру и . Пусть от части 1 к части 2 перейдет тепла. При этом изменится как кинетическая - ,так и потенциальная - компоненты внутренней энергии обеих частей .
Это значит, что потенциальная энергия, т.е. энергия связей частиц в изолированной системе в итоге возросла за счет убыли кинетической.
Из изложенного следует, что элементарный прирост энтропии здесь слагается из трех компонент: за счет уменьшения кинетической энергии, сужающей фазовое пространство и соответственно изменяющей статистическое слагаемое: за счет прироста потенциальной энергии; за счет перехода распределения скоростей молекул к наиболее вероятному .
Из этих трех слагаемых Л. Больцман рассматривает лишь третью составляющую. Отсюда и "парадоксы" типа тех, которые возникают при росте упорядоченности с ростом энтропии в изолированной системе.
Таким образом, физический смысл энтропии раскрывается как довольно сложная система факторов, требующих кропотливого исследования, которое оказывается весьма затруднительным, после того как были объединены в общих выражениях разнородные понятия работы и тепла, и тем более после математических операций над ними.
В то же время потенциал - температура, входящая в выражение энтропии, с одной стороны, является измеримой величиной, с другой - может рассматриваться как одна из основных причин необратимости процессов. С этой точки зрения представляется возможной еще одна формулировка второго закона, исключающая понятие энтропии. Другими словами, этот закон может быть сформулирован как закон возникновения тепла в любом неравновесном процессе и самопроизвольном необратимом выравнивании теплового потенциала.
Синергетика в биологии
Выше были рассмотрены основные понятия термодинамики и синергетики, наиболее часто используемые в анализе феномена жизни. Рассмотрим теперь еще одно из основных понятий синергетики - "бифуркация". Как известно, под бифуркацией у И. Пригожина и других авторов понимается слабое воздействие, радикально изменяющее ход процесса. В то же время, насколько нам известно, классификации бифуркаций не существует. Однако между различными классами бифуркаций, как представляется, есть фундаментальные различия.
К первому классу бифуркаций могут быть отнесены воздействия на тот вид систем, которые представлены потоками. Таковы, например, реки, русла которых практически без затрат энергии поворачивают потоки воды к тому или иному водоему (аттрактору) или зеркала, поворачивающие световой луч на тот или иной объект.
Что же касается воздействия на стабильные (метастабильные) объекты, то прежде, чем коснуться их, нам придется рассмотреть некоторые общие принципы образования таких систем.
Известно, что частицы обладают свойствами, обусловливающими их способности к различным взаимодействиям: электромагнитным, сильным, слабым, гравитационным, взаимодействия с (р-полем, которые имеют место па разных расстояниях - от бесконечно большого (электромагнитные, гравитационные) до расстояний, измеряемых ангстремами (сильные, слабые). Отметим три обстоятельства.