Особенности эволюционных процессов

Итак, закон возрастания энтропии (второе начало тер­модинамики) утверждает, что в природе должны сущест­вовать лишь процессы, в которых происходит разруше­ние упорядоченных структур и переход от порядка к хао­су. Такие процессы действительно наблюдаются в природе, можно привести достаточно много примеров. Капля чер­нил, попавшая в воду, постепенно растворяется во всем объеме воды, так что вместо первоначальной структуры (капли) образуется однородная бесструктурная смесь. Гор­ные породы под воздействием ветра, влаги и температуры разрушаются, и рельеф местности выравнивается. Удар­ная волна (упорядоченная во времени структура), обра­зующаяся в результате электрического разряда — молнии (а также в результате выстрела или взрыва), по мере рас­пространения размывается и вместо резкого хлопка вбли­зи разряда мы слышим гулкие раскаты на большом рас­стоянии от него. Берега искусственных водохранилищ постепенно размываются, а вместо первоначальных ост­ровов образуются отмели.

Наряду с такими процессами в природе существуют и противоположные им, а именно процессы, связанные с образованием структур из хаоса. Такие процессы называ­ются процессами самоорганизации. Наиболее явственно и наглядно подобные явления демонстрирует живая при­рода. Из семечка, посаженного в землю, может вырасти большое растение со сложной структурой (ствол, ветви, листья, цветы) и вся огромная по сравнению с первона­чальным семечком масса этого растения образуется из бес­структурного вещества (вода, углекислый газ, элементы почвы). На первый взгляд такие процессы настолько от­личаются от процессов в неживой природе, где в основном проявляются процессы разрушения структур, что долгое время существовало мнение о неприменимости законов физики к описанию живой природы. Тем не менее существует достаточно много примеров про­цессов самоорганизации и в неживой природе.

Всем знакомые снежинки, обладающие высокосимметричной структурой, образуются из бес­структурного водяного пара. В спокойном течении реки при огибании препятствий или при ускорении течения в области суже­ния русла могут возникнуть структуры в виде вихрей.

Классическим примером образования структур из пол­ностью хаотической фазы в лабораторных условиях явля­ются ячейки Бенара. В 1900 г. была опубликована статья Ч. Бенара с фотографией структуры, по виду напоминав­шей пчелиные соты. Эта структура образовалась в ртути, налитой в плоский широкий сосуд, подогреваемый снизу, после того как пе­репад температуры между верхним и нижним слоем жид­кости превысил некоторое критическое значение. Весь слой ртути (то же происходит и с другой вязкой жидко­стью, например растительным маслом) распадался на оди­наковые вертикальные шестигранные призмы с опреде­ленным соотношением между стороной и высотой. В цен­тральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней — опускается. В поверхностном слое жидкость растекается от центра к краям, в придонном — от границ призм к центру. По сравнению с однородным состоянием такие конвективные ячейки, очевидно, явля­ются более высокоорганизованной структурой.

Примерами образования структур являются автоко­лебания. Звуковые автоколебания возникают в смычко­вых и некоторых духовых инструментах, когда равно­мерное (бесструктурное по времени) движение смычка или струи воздуха приводят к возникновению периоди­ческой волны (то, что звуки производит живой человек, не является принципиальным, завывания ветра также являются подобными автоколебаниями). Электрические или электромагнитные автоколебания образуются в ге­нераторах электрических сигналов, используемых в ра­дио, телевидении, компьютерах, а также в оптических квантовых генераторах — лазерах. Автоколебания в ме­ханических часах, вообще говоря, самопроизвольно не возникают, однако при соответствующих условиях, на­пример, если часы-ходики поместить на ветру, такая ав­тогенерация становится возможной (далее мы еще вер­немся к этому примеру, так как на нем хорошо видна при­чина самоорганизации).

Автоколебания возникают и при некоторых химиче­ских процессах. Классическим примером химической ре­акции этого типа является реакция Белоусова-Жаботинского, наблюдавшаяся, в смеси серной кислоты, малоновой кислоты, сульфата церия (Се) и бромида калия. В процес­се этой реакции ионы Се⁴⁺, находящиеся в растворе пе­риодически превращаются в ионы Се³⁺и затем обратно. Внешне это проявляется в периодическом изменении цве­та раствора. В зависимости от концентрации растворен­ных веществ период колебаний варьируется от 2 до 100 секунд.

Естественно, автоколебания присущи не только нежи­вой природе. В живой же природе они происходят как на уровне организма — биение сердца, периодическое непро­извольное сокращение мышц и т. д., так и на более высо­ком уровне, например на уровне биогеоценоза. Примером являются синхронные колебания популяций кроликов и рысей, наблюдавшиеся, в частности, на протяжении ста лет в Канаде.

До сих пор говорилось о макроструктурах, то есть о структурах в макромире. Однако структуры наблюдают­ся и в мегамире. Поскольку время образования таких структур значительно превышает время существования человеческой цивилизации, мы не можем наблюдать их самообразование. Наблюдаются лишь процессы разруше­ния, например взрыв сверхновой звезды, и образование на ее месте Крабовидной туманности. Тем не менее со­временные гипотезы, подтвержденные расчетами в рам­ках соответствующих математических моделей, говорят о том, что структуры мегамира также образовались из однородного на начальной стадии вещества Вселенной, а процесс образования таких структур продолжается и в настоящее время.

Из приведенных примеров следует, что процессы са­моорганизации существуют как в живой, так в неживой природе. Более того, такие процессы выходят за рамки объектов, исследуемых естественными науками, и прояв­ляются и в обществе, живущем по социальным законам. Бесструктурное при первобытно-общинном строе общест­во в ходе истории трансформировалось в общество со мно­гими иерархическими структурами и объединениями. Автоколебания возникают в экономике и проявляются в виде периодических подъемов и спадов производства.

Таким образом, процессы самоорганизации являются достаточно типичным свойством нашего мира, а следова­тельно, должны подчиняться и некоторым общим зако­нам. Это означает, что математические уравнения, опи­сывающие эти процессы, должны иметь нечто общее. Од­нако до последнего времени исследование таких задач было затруднено ввиду чрезвычайной сложности соответ­ствующих уравнений. И даже в том случае, когда исход­ные уравнения выглядят просто, получить их решения, описывающие процессы самоорганизации (например, об­разование вихрей в движущейся жидкости), часто явля­ется непосильной задачей.

Тем не менее в последнее время ученые начинают ак­тивно исследовать подобные задачи, что, в частности, объясняется их важностью в силу универсального харак­тера. И хотя успехи в этом направлении более чем скром­ны по сравнению, например, с исследованиями в физике микромира, многие качественные особенности такого рода задач становятся понятными. Соответствующее на­учное направление выделилось в отдельную область, для которой Г. Хакен (1973) предложил название синергети­ка. Предметом этой новой области науки было названо изучение общих принципов функционирования систем, в которых из хаотических состояний самопроизвольно возникают упорядоченные пространственные, временные и пространственно-временные структуры. Синергетика призвана построить физическую модель этих процессов и подобрать для их описания адекватный математиче­ский аппарат. Не ставя целью изложение соответствую­щей теории, рассмотрим качественные особенности сис­тем, в которых происходят процессы самоорганизации, и обсудим причины, приводящие к возникновению струк­тур в этих системах.