Самоорганизация в живой и неживой природе

Работами ряда авторов, и прежде всего И. Р. Пригожина, была развита термодинамика сильно неравновесных систем, в которых связь между термодинамическими потоками и силами перестает быть линейной, а также не выполняются условия взаимности Онсагера.

Отдельные примеры подобных процессов были известны сравнительно давно. Это образование ячеистых структур Бенара в неоднородно нагретом горизонтальном слое жидкости, возникновение турбулентности, вихрей и т. д.

Общим во всех явлениях образования упорядоченных структур при необратимых процессах в сильно неравновесных открытых системах является совместное (кооперативное) движение больших групп молекул. Г. Хакен предложил для таких процессов самоорганизации общий термин “синергетика”.

Физическая природа синергетики состоит в том, что в нелинейной области, вдали от равновесного состояния, система теряет устойчивость, и малые флуктуации, возрастающие до больших масштабов, приводят к новому режиму — совокупному движению многих частиц.

Дело в том, что живые организмы и их различные органы представляют собой весьма неравновесные макросистемы, в которых существуют большие перепады концентрации химических веществ, температуры, давления, электрического потенциала.

Это открытие также имеет большое мировоззренческое значение, поскольку указывает путь объяснения стройной организации окружающего нас мира.

Синергетика показывает, как законы природы приводят к появлению определенного порядка в неупорядоченных системах, “порядка из хаоса” и затем к усложнению и развитию образовавшихся упорядоченных структур.

М. Эйгеном было показано, как в сложных, сильно неравновесных системах может реализоваться механизм управления самовоспроизведением образовавшихся структур. Развитие нелинейной термодинамики позволяет выдвинуть весьма правдоподобную гипотезу возникновения жизни с точки зрения физики.

Нелинейная термодинамика коренным образом изменяет статус второго начала термодинамики. Действительно, этот закон, как мы видим, определяет не только разрушение структур при необратимых процессах вблизи равновесного состояния, но и возникновение структур при необратимых процессах вдали от равновесия открытой системы.

Отражая необратимость всех реальных процессов, второе начало термодинамики выражает таким образом закон развития материи.

Заметим, что дело здесь не только в том, что живая система является открытой, поскольку вместе с внешней средой она образует замкнутую систему, энтропия которой также возрастает при усложнении живой природы.

В данном случае речь идет также об установленном Пригожиным универсальном критерии эволюции. Этот критерий является обобщением принципа минимального производства энтропии в нелинейных процессах.

Упорядоченные структуры, возникающие при необратимых процессах в открытых системах вдали от равновесия в нелинейной области, когда параметры систем превышают определенные критические значения, Пригожин назвал диссипативными структурами. Существуют пространственные, временные и пространственно-временные диссипативные структуры.