Живая этика и наука. Материалы Международной научно-общественной конференции. 2007

Рассмотрим массоэнергоинформационный (МЭИ) обмен как процесс, состоящий из физических (масса и энергия) и информационных взаимодействий. Такой подход создает целостное представление о природе. Основные свойства материального мира: движение материи и придаваемое ей этим движением структурное разнообразие. В таком представлении масса является мерой количества вещества (кг), энергия – мерой и источником движения (Дж) и информация – мерой структурно-смыслового разнообразия и степенью свободы выбора траектории движения (бит) [1; 2].

Обратим внимание на понятие информации, к которому примыкают два термина: сознание и дух, вместе они образуют восходящую по содержанию и значимости триаду. Это позволяет утверждать, что основой нашего мира являются не только материальные, но и материально-духовные элементы, а информация – соединяющий их мостик. Ниже рассматривается вопрос о возможности сопоставления материи, энергии и информации и выбора меры интегрального параметра МЭИ обмена измерения с различными практическими применениями. В дальнейшем будет использовано понятие удельного потока энтропии, или функции диссипации ?(Вт/м

К), который предлагается рассматривать как интегральный параметр МЭИ обмена. Поток энтропии может выступать в роли медицинского параметра, на что указал один из творцов квантовой механики Э.Шрёдингер. В 1943 году вышла его книга «Что такое жизнь с точки зрения физика?» [3], где он рассматривал человека как открытую систему и, в частности, поставил очень интересный вопрос: чем питается организм и что необходимо для его жизнедеятельности? Обычно полагают, что это, прежде всего, энергия (калории), а также витамины, микроэлементы, содержащиеся в пище. А Шрёдингер напоминает, что все процессы, явления, события, происходящие в природе, связаны с движением энтропии[15 - Интересны также соображения, высказанные Далай-ламой в беседе с известным физиком Дэвидом Бомом. «Мне кажется, что, не познав тайн сознания, очень трудно познать тайны материи. Мы, буддисты, считаем, что в природе есть две основные силы: материя и сознание. Безусловно, сознание в значительной степени зависимо от материи, и изменения материи также зависят от сознания» [40, с. 20–21].] в той части мира, где это происходит. Энтропия живого организма непрерывно увеличивается и постепенно приближается к своему максимальному значению, означающему смерть организма (строго говоря, живой организм как открытая система в процессе жизнедеятельности может как увеличивать, так и уменьшать свою энтропию). Но если организм будет извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию (негэнтропию), то он компенсирует возрастание энтропии. Иными словами, отрицательная энтропия есть то, чем питается организм, или то, что существенно в метаболизме освобождения себя от той энтропии, которую он вынужден производить. Как пишет М.В.Волькенштейн, «питание отрицательной энтропией означает выделение большей энтропии, чем поступающая в организм, означает поддержание стационарного состояния посредством оттока энтропии» [4; 5]. Принято говорить об «антиэнтропийности» жизни, то есть росте упорядоченности в ходе эволюции. Можно сказать, что живой организм, потребляя пищу, использует тот порядок, который в пищу внесла природа, и выбрасывает после переработки менее упорядоченные остатки. Из этих рассуждений следует, что величина и знак энтропии играют существенную роль в оценке жизнедеятельности организма и могут рассматриваться как медицинский параметр.

Функция диссипации

Понятие энтропии было введено в науку в 1865 году немецким физиком Р.Клаузиусом, и изменение термодинамической энтропии ?S определялось как отношение изменения количества теплоты ?Q в системе к ее абсолютной температуре Т, то есть

(1)

Как показано в термодинамике, для изолированных систем величина ?S изменяется в одну сторону – она только растет, то есть ?S ? ?S

. Величину энтропии можно также рассматривать как меру беспорядка, или хаоса, и рост энтропии означает стремление от менее вероятного (упорядоченного) к более вероятному (хаотическому) состоянию. Это утверждение составляет содержание второго начала термодинамики в формулировке Л.Больцмана [6].

В открытых системах, к которым относятся и живые организмы, процессы происходят не только с увеличением энтропии системы. Физики Л.Онзагер и И.Пригожин в середине ХХ века предложили рассматривать изменение полной энтропии ?S системы как бы состоящим из двух частей: из изменения производства ?

S энтропии и обмена ?

S энтропией с внешней средой [4; 5; 7], то есть

?S = ?

S + ?

S . (2)

Известно, что знак производства энтропии всегда положителен: ?

S ? 0, а знак обмена энтропией может быть как положительным, так и отрицательным: ?

S > 0, ?

S < 0. Иными словами, общее изменение энтропии может принимать отрицательное значение, что соответствует процессу самоорганизации системы.

Как отмечают Г.Николс и И.Пригожин, система, достигшая стационарного состояния dS = 0, может существовать неопределенно долго. Другими словами, для поддержания стационарного неравновесного состояния системы необходимо постоянно направлять в систему отрицательный поток энтропии, равный по величине внутреннему производству потока энтропии [7]:

Поток есть изменение энтропии в единицу времени и выражается в Вт/К.

Поток производства энтропии И.Пригожин представляет в форме:

где ?

– функция диссипации, равная потоку энтропии на единицу объема V, т. е. удельный поток энтропии.

Аналогично можно представить поток обмена энтропией:

что позволяет записать условие (3) поддержания неравновесного стационарного состояния в форме:

?

= —?

. (6)

Сопряженные процессы

Массоэнергоинформационный обмен организма с окружающей средой происходит через кожу, дыхательные пути и другие органы человека и приводит к сопряженным процессам: обмену потоками энтропии от нескольких явлений.

Как было отмечено, энтропия производится в любых физических, химических и биологических процессах. При изменении энтропии для процесса l всегда возникает как следствие поток J

, а причиной этого является сила X

. В термодинамике необратимых процессов эти величины связаны с функцией диссипации ?

в форме произведения силы X

на поток J

. Для описания процесса обмена с окружающей средой массой, энергией и информацией это произведение примет вид:

? = BJX , (7)

где B

– коэффициент пропорциональности, позволяющий привести к единой размерности правую и левую части уравнения (7). Величина этого коэффициента будет рассмотрена ниже.

Выразим функцию диссипации ?

сопряженных процессов при обмене (е) массой l=m, энергией l=qи информацией l=I в виде:

За единицу информации традиционно принят бит, хотя он, по-видимому, отражает информацию, связанную только с деятельностью левого полушария мозга; правополушарная информация скорее всего не содержится в этой принятой единице, так как она не учитывает качественные свойства информации. Полноценный учет всех свойств информации и уточнение единицы информации – дело будущего.

В термодинамике необратимых процессов также показано, что поток J

пропорционален обобщенной силе X

, и для сопряженных процессов справедлива следующая зависимость [6; 7]:

где L?

– коэффициент пропорциональности сопряженных с ? процессом дополнительных j процессов.

Процесс массоэнергоинформационного обмена организма с внешней средой может зависеть как от массоэнергообмена, так и от информационного обмена; они регистрируются с помощью обычных органов чувств.

На основании зависимости (8) представим функцию диссипации ?

массоэнергоинформационного обмена в виде сумм функций диссипации массообмена ?