Человек и ноосфера

Вариационные принципы, возникшие в механике и физике, сыграли выдающуюся роль в их развитии и создании эффективных методов анализа различных прикладных задач. В последние десятилетия вариационные принципы широко использовались и при создании сложных физических теорий. На этом пути очень важные результаты были получены еще в 1931 году создателем неравновесной термодинамики голландским физиком Л. Онзагером. Им был найден некоторый функционал, который получил название потенциала рассеивания, достигавший своего минимального Значения на решениях уравнений, описывающих движение сплошной среды, в которой происходят химические реакции. В 1947 году бельгийским физиком И. Пригожиным другим путем был также получея принцип, который был им назван принципом минимума производства энтропии. В 70-х годах венгерский физик И. Дьярмати показал, что оба эти принципа при известных условиях являются эквивалентными (см.: Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. М., 1974) и принцип Пригожина следует из принципа Онсагера.

Работа Онсагера, Пригожина и их последователей имела своей целью построение «классических» вариационных принципов, таких, из которых законы сохранения, то есть уравнения, описывающие движение среды, были бы прямыми следствиями. Другими словами, ими была сделана попытка построить принципы, носящие достаточно универсальный характер. Во всяком случае, такой же, как и принципы механики. Однако для их вывода требовалось сделать ряд серьезных предположений об особенности изучаемых движений и процессов: локальная обратимость, линейность в смысле Онсагера и т. д. Благодаря этому развитие и использование принципов Онсагера и Пригожина для анализа прикладных задач столкнулись с целым рядом трудностей, и их область применимости оказалась на деле весьма ограниченной.

Вместе с тем И. Пригожий дает следующую формулировку принципа минимума производства энтропии: «Теорема о минимуме производства энтропии… утверждает, что производство энтропии системой, находящейся в стационарном, достаточно близком к равновесному состоянию, минимально» (см.: Пригожий И. Р. Время, структуры и флюктуации. – Успехи физических наук. М., 1980, т. 131, вып. 2, с. 185). Он рассматривает сформулированный принцип в качестве весьма универсального.

Примеров, показывающих неуниверсальность этого принципа, который в литературе получил название теоремы Пригожина – Глейнсдорфа, сейчас известно уже достаточно много. Поэтому я отношу принцип Онсагера – Пригожина – Глейнсдорфа, как и остальные классические вариационные принципы, к числу важных утверждений физики и физикохимии, каждый из которых имеет свою вполне определенную область применимости. Что же касается принципа «минимума энтропии», который я ввел и использую в этой работе, то он не имеет прямого отношения к указанным выше принципам, не следует из них и представляет, с моей точки зрения, некоторое эвристическое утверждение, отвечающее тому, что мы наблюдаем в окружающем мире.

Проблема формулировки принципов отбора, когда мы переходим к описанию процессов развития живого вещества, еще резко усложняется. Появляется стремление к сохранению гомеостазиса, которому отвечает представление об обратных связях. Они, в свою очередь, являются новыми принципами отбора, свойственными только живой природе.

Но эти принципы отбора действуют совершенно иначе, нежели принципы отбора в неживой природе. Так, например, законы сохранения массы или импульса не могут не выполняться. Ничему и никому ни при каких обстоятельствах не дано возможности нарушить эти законы. Что же касается принципа стабильности живого организма – принципа сохранения гомеостазиса, то он проявляется не как закон физики, а как тенденция: живое существо стремится сохранить свою стабильность, но в принципе оно способно ее и нарушить. При этом оно может погибнуть или выжить, но это уже другой вопрос. Тенденция сохранения гомеостазиса у живого вещества – это эмпирическое обобщение, ибо оно наблюдается в природе и не знает примеров, ему противоречащих.

Точно так же и принцип минимума диссипации энергии проявляется в живом веществе как некоторая тенденция: эмпирический принцип переходит в эмпирическую тенденцию – любому живому существу свойственно стремление в максимальной степени использовать внешнюю энергию и вещество.

Я думаю, что это очень важный принцип, неэквивалентный принципу сохранения гомеостазиса. Более того, в известных условиях первый может даже противоречить второму. Эту проблему я уже обсуждал. Здесь заметим только, что с позиций представления о самоорганизации разрешение возникающего противоречия вполне возможно; чтобы найти новые и более устойчивые состояния, живая система должна покинуть старое состояние, а это можно сделать только за счет внешних энергии и вещества при положительных обратных связях, разрушающих старые стабильные состояния.

В живой природе описанное противоречие между тенденцией к локальной стабильности и стремлением в максимальной степени использовать внешнюю энергию и материю является одним из важнейших факторов создания новых форм организации материального мира.

Глава III. Память, ее генезис в преддверии интеллекта

Возникновение генетической памяти и обратных связей

В предыдущих главах я изложил исходные принципы той методологии, которую принимают в качестве основы для глобального анализа: сама Земля и все, что на ней происходило, происходит сегодня и будет происходить' завтра – суть частные проявления единого, общего процесса саморазвития материи, подчиняющегося единой системе законов (правил), действующих в нашей Вселенной.

Пользуясь терминологией, получившей ныне широкое распространение, мы можем сказать, что все наблюдаемое нами, все, в чем мы сегодня участвуем, – это лишь фрагменты единого синергетического мирового процесса. Его течение обусловлено законами, характерные времена которых лежат за пределами доступных нам сегодня знаний и измерений. Это позволяет считать их постоянными.

Все развитие нашего мира выглядит сложной борьбой различных противоположных начал и противоречивых тенденций на фоне непрерывного действия случайных причин, разрушающих одни устойчивые (точнее, квазистабильные) структуры и создающих предпосылки для появления новых.

Несмотря на огромные достижения науки последних десятилетий, от нее сегодня, как и во времена В. И. Вернадского, остаются пока скрытыми основные детали важнейшей «земной тайны» – появления жизни на нашей планете, возникновения буфера – пленки, по терминологии В. И. Вернадского, между космосом и неживым веществом Земли. Мы знаем только, что около 3,5–4 миллиардов лет тому назад на Земле появилась качественно иная форма организации материи, которая обладает удивительной способностью усваивать внешнюю энергию, прежде всего энергию Солнца, с помощью реакции фотосинтеза.

Примечание. Впрочем, может быть, и иным путем. В конце прошлого века С. Н. Виноградским был открыт хемосинтез – процесс образования некоторыми бактериями органических веществ из двуокиси углерода за счет химических реакций, например, окисления серы. Открытие наряду с фотосинтезом реакции хемосинтеза существенно расширило наши представления о возможностях возникновения и развития форм жизни, которыми располагает Природа.

На этапе возникновения жизни Природа нашла новый ряд организационных форм, которые обеспечивают материальным объектам значительно более глубокое значение минимума функционала, отвечающего обобщенному принципу диссипации энергии, – возникли организационные формы, способные не только рассеивать энергию, но и накапливать ее.

Одновременно эти формы обладали невероятней способностью сохранять свой гомеостазис. В самом деле, первые прокариоты появились и жили на Земле в условиях почти кипящего океана, при исключительной сейсмической активности и очень высоком уровне коротковолновой радиации – ведь тогда еще не было озонового слоя!

Я думаю, что из всех живых организмов, когда-либо существовавших на планете, эти первые организмы были, вероятно, самыми «жизнестойкими». Они обладали самой высокой способностью адаптации к быстрому изменению условий обитания, которое было характерным для поверхности нашей планеты тех времен.

И к этому надо добавить еще следующее: первые прокариоты были практически бессмертными. Именно бессмертными, как и всякое неживое образование. Их можно было, конечно, разрушить, но собственной смерти они, вероятно, еще не знали. На этом этапе развития материи уже произошло отделение живого от неживого, но пропасть между живым и неживым еще не была столь глубока, как сегодня.

И тем не менее будущее принадлежало не этим существам, обладающим фантастической способностью сохранять гомеостазис. В конечном итоге эта эволюционная ветвь земной жизни оказалась тупиковой – не им принадлежало будущее. Господство прокариотов на Земле тянулось, вероятно, значительно больше одного миллиарда лет. Это они создали газовую оболочку планеты и условия, которые позволили появиться гораздо позднее эукариотам.

Последним и была передана эстафета дальнейшего развития. Они уже овладели кислородным дыханием. И, обладая им, эукариоты могли утилизировать внешнюю энергию неизмеримо более эффективно. Другими словами, они в гораздо большей степени могли добиваться локального снижения энтропии.

Но эти новые формы организации материи заплатили за свое возникновение дорогую цену: в отличие от прокариотов эукариоты сделались смертными. Они потеряли способность первых прокариотов сохранять свой гомеостазис практически в любых земных условиях.

В предыдущей главе я попытался показать, что многообразие форм жизни определенным образом связано с множеством возможных компромиссов между тенденциями обеспечения собственного гомеостазиса и стремлением живых систем реализовать обобщенный принцип минимума диссипации. Возникает ситуация, которая чем-то напоминает движение по поверхности Парето. Как известно, это многообразие замечательно тем, что увеличение одного из критериев (показателей) сопровождается уменьшением значения другого или других: на ней нельзя добиться одновременного роста значений всех критериев. Когда система находится на поверхности Парето, то для того, чтобы улучшить какую-либо из своих характеристик, она неизбежно должна поступиться уменьшением других.

Примечание. Множество Парето, названное так по имени известного итальянского экономиста Парето, играет важную роль в теории многокритериальной оптимизации. Предположим, что мы хотим найти такую стратегию – вектор х, которая наилучшим образом отвечала бы нашим стремлениям увеличить значение целого ряда показателей – скалярных функций ?

(x), ?

(x)…. Тогда, задавая некоторое значение вектору х = х

в пространстве этих показателей мы получаем некоторую точку ?(x

) с компонентами ?

(x), ?

(x)…

Предположим теперь, что мы нашли такую стратегию х=х *, для которой имеют место неравенства:

?

(x

)<?

(x*); ?

(x

)<?

(x*);…

Очевидно, что в дальнейшем стратегию х=x

мы можем уже не рассматривать – она по всем показателям хуже стратегии х = х*. Значит, нас могут интересовать только те точки Р(х) в пространстве показателей, для которых нельзя найти другой точки х*, такой, чтобы по всем показателям имели бы место неравенства

?

(x

)<?

(x*); ?

(x

)<?

(x*);…

Совокупность всех подобных точек ? в пространстве показателей и называется поверхностью (или множеством) Парето, а точки, лежащие на ней, – компромиссами Парето.

Появление эукариотов, которые на определенном этапе земной истории сменяют на вершине жизненной пирамиды прокариотов и становятся носителями дальнейшего развития жизни, служит наглядной иллюстрацией «паретовских компромиссов». Уменьшение стабильности отдельного организма, появление индивидуальной смертности как генетического свойства этой формы жизни сопровождались увеличением эффективности (во много раз) в использовании внешней энергии. Это открывало живому веществу совершенно новые возможности для своего развития.