Читать онлайн «Концепции современного естествознания. Шпаргалки». Страница 21

78. Теорема Пригожина для открытых термодинамических систем

По теореме Пригожина: в открытой термодинамической системе, предоставленной самой себе, при неизменных условиях прирост энтропии уменьшается до тех пор, пока она не достигнет стационарного динамического равновесия; в состоянии динамического равновесия прирост энтропии минимален.

В открытой живой системе на протяжении ее существования происходит распад элементов, приводящий к росту положительной энтропии (то есть неупорядоченности системы), поэтому живая система компенсирует неупорядоченность внутренней работой (синтез элементов взамен распавшихся) и процессом с негэнтропией (отрицательной энтропией), который противодействует росту положительной энтропии и создает упорядоченность системы. Живые системы, запуская негэнтропию, стремятся к стабильности.

Гетеротрофные организмы (потребляющие для жизни только органическую пищу) получают энергию в результате химических реакций; низкая энтропия связана с тем, что для питания они используют высокоструктурированные органические вещества, обладающие низкой энтропией (высокой

степенью упорядоченности), а выводят из организма отходы жизнедеятельности с высокой энтропией. Гетеротрофные организмы упорядочивают себя благодаря самой структуре питательных веществ. Автотрофные организмы (синтезирующие питательные вещества из неорганических соединений с помощью фотосинтеза) получают энергию из солнечного света, то есть электромагнитного излучения с низкой энтропией, их существование зависит от условий среды (нет света – нет фотосинтеза, гибель). Живые системы, в которых происходят необратимые термодинамические процессы, способны существовать только благодаря наличию обмена веществ, который не дает расти энтропии. Живые системы нельзя рассматривать в отрыве от окружающей среды, вместе они составляют устойчивые термодинамические системы, для которых второе начало термодинамики справедливо: живая система берет из внешней среды продукты питания и отдает во внешнюю среду продукты распада, поэтому в комплексе «живая система + среда» энтропия растет. Для живой системы это означает, что внутри нее существует упорядоченность, а во внешней среде за счет деятельности живой системы упорядоченность уменьшается.

Для того чтобы живой организм мог существовать, в нем должны происходить процессы управления и регулирования. Под управлением понимается процесс, позволяющий организму сохранить элементы своей структуры, поддерживать режим своей деятельности и реализовывать цели этой деятельности согласно существующим алгоритмам. Под регулированием понимают функции системы, позволяющие контролировать необходимые для жизни параметры, изменять их в согласии с заложенной программой (программное регулирование) или в зависимости с условиями внешней среды (следящее регулирование).

Обе эти функции направлены на поддержание динамического постоянства характеристик внутренней среды организма, или гомеостазиса . Поддерживать гомеостазис живая система способна при помощи реакций на изменение условий внешней среды, адаптируясь к происходящим изменениям, или условий внутренней среды, приводя структуру в более упорядоченное состояние. Любое нарушение гомеостазиса преодолевается живой системой собственными силами, а не извне, почему процессы управления называют самоуправлением, а процессы регулирования – саморегуляцией. В отличие от механизмов или объектов неживой материи живые системы принято называть самоорганизующимися системами.

Самоорганизацией называется процесс создания, поддержания и совершенствования организации сложной системы. Этот процесс протекает на всех уровнях организации живой материи (клеточном, организменном, популяционном, биогеоценозмом) за счет изменения структуры существующих связей или же образования новых между структурными элементами системы; организм приспосабливается к изменяющимся условиям или перестраивает управление, вводя или выводя из использования те или иные элементы системы, меняя очередность или способ связи между элементами, то есть изменяя алгоритм управления.

Саморегуляция организма происходит на нескольких уровнях: а) внутриклеточном, производящем биохимическую регуляцию согласно генетической программе; б) тканевом, регулирующем обмен веществ в результате разложения пищи; в) органном, регулирующем обмен веществ с помощью выработки гормонов железами внутренней секреции; г) уровне центральной нервной системы, влияющем на общую жизнедеятельность и контролирующем регуляцию на всех уровнях.

Система управления организмом построена по иерархическому, то есть многоуровневому принципу: в каждой уровневой системе происходит управление теми или иными процессами, присущими данному уровню, причем масштаб решаемых задач зависит от иерархии уровня: более мелкие задачи (частные) решаются на более низком уровне, более важные – на более высоком уровне, а задачи, связанные с общими целями жизнедеятельности – на уровне всего организма.

Саморегуляция организма происходит на следующих уровнях: а) внутриклеточном, производящем биохимическую регуляцию согласно генетической программе; б) тканевом, регулирующем обмен веществ в результате разложения пищи; в) органном, регулирующем обмен веществ с помощью выработки гормонов железами внутренней секреции; г) уровне центральной нервной системы, влияющем на общую жизнедеятельность и контролирующем регуляцию на всех уровнях.

В основе процессов саморегуляции лежит обмен информацией, который осуществляется благодаря существованию информационных связей – гормональных, нервных, генетических.

Гормональные связи осуществляются в организме с помощью особых химических сигналов – гормонов – которые распространяются вместе с кровью от определенных органов, их вырабатывающих, в другие органы, способные их воспринять в необходимом для функциональности организма количествах. Гормоны влияют на все функции организма, создавая так называемый гормональный фон. Если их слишком много или слишком мало, организм начинает разрушаться.

У многоклеточных живых существ существует центральная нервная система , которая по сложным нервным образованиям передает сигналы о внешней среде и внутреннем состоянии организма; параметрами нервной связи является частота следования импульсов, которая увеличивается при повышении интенсивности стимула. Это обратная связь между рецепторами, расположенными на периферии, и главным руководящим органом – мозгом.

Генетическая связь является связью между устройством и деятельностью существующего организма и программой (информацией), хранящейся в виде записанной на материальный носитель (молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК) информации обо всех структурных элементах организма.

Важнейшей особенностью любой биологической системы (начиная с одноклеточных организмов и до человека) является наличие у этой системы обратных связей . Это один из основных принципов, лежащих в основе саморегуляции и самоорганизации живых систем, без которого невозможна жизнедеятельность. Существование обратной связи помогает организму получать, передавать, сопоставлять и посылать откорректированный сигнал, устраняя нежелательные искажения или спасая организм от повреждения. Обратные связи контролируют правильное течение всех процессов в биологической системе.

Принято разделять обратные связи на положительные и отрицательные. Положительной обратной связью называется такая, когда в результате процесса воздействие усиливается. Отрицательной обратной связью называют такую, когда в результате процесса воздействие ослабляется.

Положительные и отрицательные обратные связи работают как на уровне отдельного организма, так и на уровне популяции и даже всей биогеоценозной системы, причем роль этих связей неравноценна: для хорошей функциональности отдельного организма или популяции более значительную роль играют отрицательные обратные связи, которые помогают адекватно реагировать на изменяющиеся условия внешней среды или нарушение внутренних процессов, они обеспечивают стабильность живой системы и возможность адаптации к некомфортной среде, осуществляют контроль за балансом (энергетическим и метаболическим) живой системы, ростом популяции, ходом эволюции. Для ускорения развития и роста живой системы большее значение имеют положительные обратные связи.

Следовательно, отрицательные обратные связи способствуют воспроизведению заложенной программы развития и жизнедеятельности, а положительные обратные связи улучшают какие-то новые качества и способствуют их передаче потомству. На всех уровнях самоорганизации сначала происходит информационный обмен с помощью положительной обратной связи и только потом включается механизм отрицательной обратной связи с наложением на процесс каких-то ограничений или изменением его направления.