Другие журналы на сайте ИНТЕЛРОС

Журнальный клуб Интелрос » Вестник РОССИЙСКОГО ФИЛОСОФСКОГО ОБЩЕСТВА » №2, 2011

Штеренберг М.И.
Феномен жизни и термодинамика

Философский анализ проблемы

 

Физическим аппаратом биофизики, теоретической биологии, теории информации, кибернетики, общей теории систем (ОТС) и синергетики используемых для исследования феномена жизни является неравновесная термодинамика. Начало этому направлению исследований положили слова Л. Больцмана, заявившего в 1886 году, что спецификой жизни является способность организмов накапливать отрицательную энтропию – негэнтропию для обеспечения своей жизнедеятельности[1]. Далее, развивая эту идею, «кибернетика, исходя из законов энтропии… объединила, казалось бы весьма разнообразные и не объединяемые области явлений – машину, организм, общество»[2]. Для анализа столь разнообразных объектов использовано положение известной теоремы Л. Больцмана о том, что степень упорядоченности, организации и самоорганизации в системах любого происхождения находится в обратной зависимости от значения энтропии[3][4]. В связи с этим возникло противоречие, связанное с фактами, согласно которым организмы, начиная с простейших и кончая растениями, получая тепло от Солнца или химических реакций, при этом одновременно с ростом энтропии повышают свою организацию. (Так как dS=/T, где S – энтропия, – приращение тепла, T – абсолютная температура. Поскольку всегда , то для организмов при  ), то это потребовало глубокого, не только научного, но и философского анализа сложившейся ситуации. Многие ученые, по предложению Н.А. Умова (1901 г.), пытались объяснить это противоречие с позиций третьего закона термодинамики (противоположного второму)[5], с позиций открытости систем – Л. фон Берталанфи (1953 г.)[6], с позиций негэнтропийного принципа информации  – Л. Бриллюэн (1961 г.)[7], на основе синергетики – Г. Хакен (1969 г.)[8].

Первым, обратившим внимание на несоответствие выводов Л. Больцмана реальности, по крайней мере в масштабах Космоса, был французский ученый А. Дюкрок, указавший, что благодаря гравитации происходит процесс упорядочивания при возникновении небесных тел из первичного хаоса[9]. К отмеченному А. Дюкроком можно добавить, что дополнительный рост уже не только «статистической», а физической энтропии при этом происходит за счет выделения тепла при сжатии тел и их столкновениях друг с другом. В свете открытий последних десятилетий высказанное им положение усиливается существованием так называемой «темной массы», примерно в пять раз, превышающей массу известных нам тел, и концентрирующей небесные тела относительно центра галактик, а также эффектами черных дыр. Это, в совокупности с «темной энергией», преодолевающей силы гравитации и ускоренно расширяющей Вселенную (что согласно статистической трактовке, способствует росту хаоса и энтропии), говорит о том, что свойства Космоса еще не достаточно изучены, чтобы судить о том, как в итоге изменяется в нем энтропия в процессе его эволюции.

Что же касается феномена жизни и моделирующих ее устройств, то в течение двух последних десятилетий в ряде статей, опубликованных в академических журналах и переведенных американцами, появились утверждения, показывающие ошибочность использования термодинамики для решения связанных с ними общетеоретических вопросов [1-7]. Это утверждение было проиллюстрировано следующими примерами. В одном из них предлагалось рассмотреть случай изоляции смеси воды с паром. Очевидно, что при соответствующих значениях параметров системы (температур компонентов, давления, объемов), она может вся перейти в состояние пара, т.е. в состояние близкое к полному хаосу больцмановского идеального газа, пришедшего к равновесию. В другом примере рассматривался случай изоляции смеси хаотически дробленого льда и воды, и утверждается, что при соответствующем подборе параметров, здесь (как и во многих других двухфазных системах), может вместе с ростом энтропии возникнуть упорядоченный кристалл. Приводился и пример для открытых систем на уровне периодической таблицы элементов. Суть его в том, что атомы элементов до  № 26 (железа) при синтезе их из более легких выделяют огромное количество энергии в среду, с соответствующим снижением собственной энтропии (dS<0). Атомы элементов тяжелее № 26, наоборот, при синтезе их из более легких, в принципе подобно растениям, поглощают огромное количество энергии, увеличивая значение своей энтропии ( ). Эти элементы возникают лишь при взрыве сверхновой звезды. Но в обоих случаях происходит упорядочение, так как из хаоса более мелких ядер возникают более упорядоченные структуры более тяжелых ядер. Иными словами, как для изолированных, так и для открытых систем упорядочивание, как и хаотизация могут иметь место, как при росте, так и при убыли их энтропии [1-7].

Суть же возникающего парадокса, по мнению автора, заключается в том, что выводы Больцмана, сделанные на основе статистической физики, на модели хаотической бессвязной структуры идеального газа, не подходят для термодинамики, изучающей реальные системы, специфика которых определяется связями элементов. Причина этого парадокса в том, что  при переходе системы из состояния в состояние или преобразования одной системы в другую происходят процессы, обусловленные разрывом в исходной системе прежних связей между ее элементами и образованием новых в конце перехода. От их баланса и зависят как энергетический, так и энтропийный итоги процесса. Возникшая ошибка, при использовании понятия энтропии в упомянутых науках связана, по мнению автора с тем, что в термодинамике, не осуществлен, как это положено в случае перехода от идеальных систем к реальным учет природных обстоятельств. Это сделано, например, в аэродинамике и гидродинамике (движение с сопротивлением), в теории информации (выделение сигнала из шума) и т.п. Из неравновесной термодинамики ошибочные выводы перенесены в биофизику, теоретическую биологию, теорию информации, кибернетику, теорию систем и в синергетику, что делает их общефизическое основание несостоятельным.

Литература

  1. Штеренберг М.И. Проблема Берталанфи и определение жизни // Вопросы философии. 1996, № 2.
  2. Shterenberg M.I. The essence of life: the physical, of the system, and the mystic. // Automatic documentation and mathematical linguistics. Allertonpress, Inc. Vol. 33, No. 3, 1999.
  3. Штеренберг М.И. Принципы организации и самоорганизации // Биофизика. Статья депонирована в ВИНИТИ за № 514-В2000 от 28 февраля 2000 года.
  4. Shterenberg M.I. The place of synergetics in science. // Scientific and technical information processing. llertonpress, Inc. Vol. 29, No. 4, 2002.
  5. Штеренберг М.И. Энтропия в теории и в реальности // Вопросы философии. 2003, № 10.
  6. Штеренберг М.И. Синергетика: перспективы, проблемы, трудности (материалы «круглого стола») // Вопросы философии. 2006,
  7. Штеренберг М.И. Синергетика: наука? философия? псевдорелигия? Academia. М.,  2007.


[1] Кузнецов П.Г. К истории приложения термодинамики к биологии // Тринчер К.С. Биология и информация. М., 1965.

[2] Анохин П.К. Физиология и кибернетика // Философские вопросы кибернетики. М., 1961, 275

[3] Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Основания синергетики. Глава V. СПб. 2002; http://spkurdyumov.narod.ru//Start1N.ghm.

[4] Беляев М.И. О синергетике. http://www.milogia2007.ru/sinergia.htm.

[5] Кузнецов П.Г. К истории приложения термодинамики к биологии // Тринчер К.С. Биология и информация. М., 1965.

[6] Берталанфи Л. фон Системные исследования. М., 1969.

[7] Бриллюэн Л. Наука и теория информации. М., 1960.

[8] Хакен Г. Информация и самоорганизация. М., 1991.

[9] Дюкрок А. Физика кибернетики // Сб. Кибернетика ожидаемая и кибернетика неожиданная. Наука. М., 1968.

Архив журнала
№4, 2014№1, 2014№4, 2013№3, 2013№2, 2013№1, 2013№4, 2012№3, 2012№2, 2012№1, 2012№4, 2011№3, 2011№2, 2011№1, 2011
Поддержите нас
Журналы клуба