Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

От нежизни к Жизни - 2 (самоорганизация в диссипативных структурах и Живой природе).

      Завершаю предыдущий пост под общим названием "От нежизни к Жизни". Вопрос, вынесенный в конце преамбулы предыдущего поста, ждет дружеских ответов.:)

  Диссипативные неустойчивости и структуры. Роль диссипации (трения, вязкости и теплопроводности среды) сводится, как правило, к подавлению возбуждаемых неустойчивостями колебаний. Пример с затуханием волн на воде приводился выше. Но так бывает не всегда. В обычной водопроводной трубе текущая по ней жидкость из-за вязкости "прилипает" к стенкам трубы (скорость потока на стенках зануляется). В итоге профиль скорости потока поперек трубы имеет вид параболы. То есть, везде выпуклой и без точки перегиба кривой. Казалось бы, неустойчивость Кельвина-Гельмгольца в этом случае не должна возбуждаться. Но из опыта известно, что при превышении скорости потока некоторого критического значения неустойчивость в потоке развивается и быстро турбулизует поток. Даже при идеально отшлифованных внутренних стенках трубы.

    Разгадка этого эффекта заняла более полувека. Причина оказалась в том, что корректно вычисленная полная энергия возмущения в каждой "жидкой" частице в таком потоке при превышении скорости потока некоего порогового значения (зависящего от диаметра трубы и величины вязкости) оказывается отрицательной. В этих условиях диссипация энергии возмущения из-за вязкости, вносящая отрицательный вклад в эту энергию, увеличивает абсолютную величину энергии возмущения. И, тем самым, увеличивает амплитуду возмущения. Такие неустойчивости
принято называть
диссипативными. А возникающие в результате таких неустойчивостей структуры (в обсуждаемом примере – турбулентные вихри) называют диссипативными структурами.

      Отметим, что во всех приведенных примерах развитие неустойчивостей и возникновение пространственных структур происходит только благодаря наличию проходящего через систему потока энергии от внешних источников. А поскольку упорядоченность структурированной системы выше, то ее энтропия меньше, чем у не структурированной (вспомним, что энтропия – растущая функция хаоса). Такие процессы можно уже называть самоорганизацией относительно простых систем.

      Более сложные примеры самоорганизации неорганических систем, как то: образование кристаллов, реакция Белоусова-Жаботинского (погуглите ради интереса), планетных систем, спиральных структур в плоских галактиках и многое другое мы обсуждать здесь не будем.


      Возникновение органики и ее самоорганизация. Органика может возникать даже в смесях простых неорганических молекул при разных физических воздействиях на них. Это было продемонстрировано довольно давно в опытах на запаянных в стеклянных колбах смесях воды (ее паров) и простейших газов (молекулярных кислорода, азота и углекислого газа) при облучении их интенсивным светом (электромагнитной радиацией) и пропускании сквозь них электрических разрядов. Через некоторое время спектральный анализ показывал наличие в этих колбах метана, аммиака, простейших спиртов и других довольно простых органических молекул.

       Одной из простейших химических реакций, в которой возникает органика из неорганики, является и реакция фотосинтеза. В ней из молекул углекислого газа и воды (на входе) под воздействием солнечного света образуются молекулярный кислород и нужная для жизнедеятельности растений простейшая органика. Ясно, что это необратимый процесс, протекающий под воздействием потока энергии фотонов солнечного света.

      Но в основном в органической химии на биологическом уровне источником нужных для реакций потоков внешней энергии является катализ. Катализ – это химический процесс, протекающий с участием своеобразных посредников – молекул катализатора, которые в нужный момент и в нужном месте передают реагирующим молекулам часть своей внутренней энергии, восполняя ее потери в другой момент времени и в другом месте известным им способом. При этом "передача энергии" и "восполнение потерь энергии" могут иметь любой знак.

       Однако, совокупность органических молекул, сколь бы сложными и многообразными они ни были, еще не проявляет жизни, как необратимых процессов организации, поддержания и воспроизводства пространственных структур. Для организации жизни в этом смысле необходима структура, в которую был бы запрограммирован алгоритм последовательности нужных реакций с нужными потоками энергии.

     Человечество придумало систему программирования для решения вычислительных задач и обработки потоков информации на основе двух-буквенного алфавита – "0" и "1". И затем из этих букв придумало систему "слов" из восьми букв, называемых байтами. Возможное число таких слов – 256. Но эффективно используются далеко не все из них. А уже из этих "слов" можно составлять любые, сколь угодно сложные произведения – работающие на ЭВМ программы.

Природа пошла несколько иным путем. За основу она взяла четырех-буквенный алфавит азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин (в РНК иногда тимин заменяется близким ему урацилом). Из этих букв она строит трех-буквенные "слова" – кодоны. Возможное число таких "слов" – 64. Часть из которых в земных условиях получили одинаковый "смысл". Так что разных по смыслу "слов" используется всего 20. Они "звучат" в форме 20 разных аминокислот, из которых и строятся сколь угодно сложные белки. Строятся по программам, записанным в
последовательностях команд –
кодонов в ДНК живого организма.

В этом смысле ДНК – чип с "запаянной" в него программой последовательности биохимических реакций. В результате изобретения природой ДНК возник механизм самоорганизации Жизни. Как и в случае самоорганизации простых систем энтропия в живой системе уменьшается (отводится вовне) за счет протекающего через систему потока энергии.


  Потоки вещества, энергии, отходов, информации. Из сказанного выше ясно, что Жизнь – это процесс, в ходе которого сквозь живую систему проходит поток энергии таким образом, что в ней возникают и поддерживаются процессы самоорганизации. Но мы уже отмечали, что процессы самоорганизации являются одновременно процессами уменьшения (отвода вовне) энтропии. Каким образом? Думаю, ответ очевиден всем – энтропия уходит из нас отходами нашей жизнедеятельности.

    Не лишним будет и упомянуть, что в системах из нескольких достаточно сложных биологических объектов существуют как входящие, так и исходящие потоки информации. Эти потоки тоже приводят к самоорганизации. К самоорганизации социальных систем – от простых стайных до весьма сложных систем организации человеческого сообщества. Причем выделить в информационных потоках какие либо аналоги входящей энергии и отводимой энтропии заведомо не просто.

     Изучение этого вопроса в человеческом обществе идет в основном путем накопления опыта, выражающегося в общественных "табу", религиозных заповедях, пословицах, поговорках, афоризмах, анекдотах и т. п.. Например, один из отцов-основателей США как то выразился: "В реках и больших политиках одни и те же вещи плавают поверху". Ясно, что этот афоризм появился вследствие нажитого им политического опыта.

Tags: Физика на пальцах
Subscribe
promo moralg march 5, 2018 03:01 43
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 19 comments