Поиск образа правильной идеи: общее дело человечества и биосферы

Научно-образовательная и просветительская газета "Природа-Общество-Человек: ноосферное устойчивое ра

Поиск образа правильной идеи: общее дело человечества и биосферы

Концептуальные основы законов сохранения и изменения живых систем, как фундаментальная основа общественно-социальных преобразований

Большаков Борис Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, академик РАЕН, заведующий кафедрой устойчивого инновационного развития ГБОУ ВО МО «Университет «Дубна», со-руководитель Международной научной школы устойчивого развития им. П.Г. Кузнецова, Президент Русского Космического Общества.

Гапонов Алексей Алексеевич, советник РАЕН, аспирант кафедры устойчивого инновационного развития Государственного университета "Дубна", председатель Президиума Русского Космического Общества.

Классификация законов

Все системы окружающего мира можно разделить на равновесные и неравновесные. Известно, что если система находится в состоянии равновесия, то все внешние обобщённые силы уравновешены внутренними обобщёнными силами. И поэтому равновесная система не может совершать внешней работы.

Существует другой класс систем, не находящихся в равновесии с окружающей средой. Неравновесные системы обладают свойствами эволюционировать во времени, т.е. с течением времени могут совершать внешнюю работу. В этом случае внешние обобщённые силы не уравновешены внутренними.

Можно определить «равновесие» как противоположность и равенство двух потоков энергии. Всякое изменение каждого из противоположных потоков будет сопровождаться явлением, результат которого мы можем отождествить с «действием обобщённой силы». Всякий результат действия «обобщённых сил» можно рассматривать как переход энергии из одной части в другую.

Если мы выберем измерительный прибор и будем регистрировать какую-нибудь величину (объём, массу, энергию и т.д.) в системах указанных классов, то в равновесных системах при достаточно длинных промежутках времени численное значение измеряемого параметра остаётся неизменным. Наоборот, в неравновесных системах регистрируемая величина будет изменяться со временем, причём так, что можно обнаружить устойчивую тенденцию её стремления к определённому пределу.

Неизменность сохранения измеряемой величины, выражающей сущность системы, является основным требованием к равновесным системам. Наоборот, устойчивая тенденция изменения во времени регистрируемой величины – основное требование к неравновесным системам. Отсюда следует, что принципы-требования к равновесным и неравновесным системам могут быть разделены на два класса: 1) принципы сохранения, 2) принципы изменения.

Указанным принципам соответствуют два класса законов: 1) законы сохранения, 2) законы изменения (сохранения устойчивой тенденции изменения).

Рассмотрим подробнее эти принципы-законы.

Принципы-законы сохранения.

Известные в науке принципы-законы сохранения выражают то, что некоторая величина в некотором классе систем материального мира остаётся постоянной, являясь инвариантом этого класса систем. К их числу можно отнести планетарные законы Кеплера, законы Ньютона, Лапласа, закон сохранения энергии Майера, закон сохранения мощности Максвелла и др.

Известно, что формулировка закона сохранения не должна зависеть от выбранной системы координат, от точки зрения наблюдателя.

В силу этого измеряемая величина, в терминах которой даётся определение закона сохранения, должна удовлетворять определённым требованиям естественности, устойчивости и абсолютности.

Вообще говоря, любая физическая величина удовлетворяет требованию естественности в том смысле, что она выражает естественные свойства и характеристики материальных систем, такие, например, как время, объём, массу, скорость, энергию, мощность и др.

Физические величины удовлетворяют также и требованию устойчивости в том смысле, что их значения могут быть измерены с помощью приборов, более устойчивых по своей точности, чем органы чувств человека. Однако далеко не все физические величины являются абсолютными мерами. Мера может быть признана абсолютной только тогда, когда ясна её связь с пространством и временем. Следовательно, в качестве естественных, устойчивых и абсолютных мер могут быть приняты такие физические величины, для которых ясна связь с пространством-временем.

Известно, что пространственно-временные образы постоянно владели помыслами многих крупных учёных. А.Энштейн, В.И.Вернадский постоянно апеллировали к недостатку пространственно-временных образов для отображения законов природы, независимо от точки зрения наблюдателя.

Главная идея, которая двигала Вернадским в исследовании строения пространства и времени, заключалась в выявлении их материально-энергетической обусловленности. Если каждой форме движения материи присущи специфические черты взаимодействия между веществом и энергией, значит, само пространство-время находится в зависимости от них.

Однако при жизни учёного не было открыто конкретной «формы соединения» времени и пространства, позволяющей связать законы природы с возможными классами систем реального мира, и с их пространственно-временными состояниями. Отсутствие такой «формы соединения» явилось препятствием на пути создания единой системы возможных законов природы, удовлетворяющей требованию А.Энштейна, согласно которому общие законы природы должны быть выражены через уравнения, справедливые во всех координатных системах. На принципиальную возможность создания такой системы указывал Дж. Максвелл в трактате «Электричество и магнетизм» в 1873 г. и Б.Браун в 1941г. в работе «Новая теория размерности». Однако реальная возможность появилась только тогда, когда выдающийся советский учёный, авиаконструктор Роберт Людвигович Бартини предложил использовать кинематическую систему физических величин, которая удовлетворяет требованиям А.Энштейна, чтобы называться «системой величин». Его предложения были впервые опубликованы в докладах АН СССР в 1965г. В этой системе вся совокупность физических величин представляется бесконечной таблицей целочисленных (положительных и отрицательных) степеней [L] и времени [T]. Все остальные величины, включая массу, силу, энергию, мощность и другие, выводятся из этих двух основных и представляются в виде произведений. Любая измеряемая величина в этой системе представлена общей формулой размерности:

[LrTs], (1)

где rи s– целый числа (положительные и отрицательные).

Все величины делятся на: 1) пространственные понятия [Lr], 2) временные понятия [Ts], которые и предопределяют потоковую сущность данной системы величин, 3) соединение «пространственных» и «временных» понятий, выраженных формулой размерности [LrTs], что даёт возможность сделать следующий вывод.

Все физически измеримые величины, имеющие потоковую сущность, выводятся из двух основных и представляются в виде произведений целочисленных степеней длины и времени. Так, например, скорость имеет размерность [L1T-1], а ускорение [L1T-2], масса [L3T-2], энергия [L5T-4], мощность [L5T-5] и так далее (рис. 1).

Рисунок 1. Таблица физических величин Р.О.Бартини

Нетрудно убедиться в том, что данная система представляет иерархию вложенных друг в друга физических величин. В вершине иерархии находятся энергетические меры. Это означает, что они обладают большей общностью, включая в себя как элементы другие меры.

Например, величина «время», которую К.Маркс использовал в качестве меры труда, может быть представлена как отношение двух энергетических величин: работы А = [L5T-4] и мощности N = [L5T-5]:

[L5T-4] [/L5T-5]= [L0T-1].

Несколько слов о рождении системы пространственно-временных величин. Знаменитый трактат Максвелла 1873 г. «Электричество и магнетизм» начинается с описания физических величин, каждая из которых имеет имя и численное значение. В качестве основных размерных величин Максвелл использует длину – L,время – T, массу – М, однако показывает, что массу можно исключить из числа основных размерных величин.

Это достигается с помощью двух известных определений понятия «сила».

Приравнивая эти два выражения и считая гравитационную постоянную безразмерной величиной, Максвелл получает:

Таким образом, ещё в 1873 году была показана принципиальная возможность выражения физических величин через дли­­­ну и время. Однако Максвелл не развил полученный вывод и не дал системы физических величин в виде целочисленных степеней длины и времени. Эту задачу и решил Р.Л.Бартини. Поэтому автором системы пространственно-временных величин по праву считается именно Бартини. Система величин Бартини оказалась универсальным словарём всех мер, с помощью которых могут быть количественно вычислены разнокачественные системы, имеющие потоковую природу.

Хотя данная система величин весьма «проста» - это только видимость её простоты. В настоящее время в работах физиков-теоретиков по общей теории относительности используются ещё «более простые» системы, построенные на одной размерной величине. Так, например, Дж. Уилер использует одну размерную величину – длину [L], а Джодну размерную величину – время [Т]. По отношению к этим конструкциям современной физики кинематическая система из двух единиц – длины [L] и времени [Т] может считаться не очень «экономной». Однако, хотя основных величин в системе Бартини только две, они имеют векторный характер, т.е. каждая из них имеет три компоненты. Эти компоненты обозначаются: [Lx] [Ly] [Lz] – для ориентированных длин и [Тn] [Тv] [Тw] – для ориентированных времён.

Согласно принципу инвариантности «законы природы не должны зависеть от состояния движения системы отсчёта, по отношению к которой эти явления наблюдаются». Обобщение этого требования на произвольно координатные системы приводит к общему принципу, согласно которому: «Общие законы природы должны быть выражены через уравнения, справедливые во всех координатных системах, т.е. эти уравнения должны быть ковариантными относительно любых подставок».

«Общим понятием закона сохранения может считаться то, что некоторая величина из таблицы Бартини [LrТs] в классе равновесных систем остаётся постоянной, являясь инвариантом этого класса систем». Законы сохранения записываются в следующей форме:

[LrТs] = const (2)

Если данное определение справедливо, то приравнивание величины [LrТs] = const должно быть стандартным изображением уже известных законов сохранения.

[L2Т-1] = const (1609г.) Закон Кеплера: «Радиус-вектор планеты за равные промежутки времени заметает равные площади».
[L3Т-2] = const (1619г.) Закон Кеплера: «Отношение куба радиуса планет к квадрату периода обращения есть величина постоянная».
[L4Т-3] = const (1686г.) Закон сохранения количества движения или Закон сохранения импульса (Ньютон).
[L6Т-4] = const (1686г.) Закон всемирного тяготения (Ньютон).
[L5Т-3] = const (1800г.) Закон сохранения момента количества движения (Лаплас).
[L5Т-4] = const (1842г.) Закон сохранения энергии (Р.Майер).
[L5Т-5] = const Закон сохранения мощности (Максвелл).

Мы видим, что наряду с хорошо известными законами – сохранения импульса, момента количества движения и энергии – обнаруживается и закон сохранения потока энергии: [L5Т-5] = const.

Законы сохранения выражают сущность неэволюционирующих – равновесных систем. Однако в наиболее общем виде сущность «равновесия» определяется принципом-законом сохранения энергии: [L5Т-4] = const.

Рассмотрим свойства равновесных систем в наиболее простой форме. Пусть Е – полная энергия какой-либо системы окружающего мира, равная сумме свободной и связной энергии:

Е = В+А,

где В – свободная энергия (эксергия), представляющая собой превратимую часть полной энергии системы, которая может преобразовываться из одной формы в другую. При конкретных условиях это может быть свободная энергия Гельмгольца, свободная энергия Гиббса, свободная энергия Бауэра и т.д.

А – связная энергия (анергия), представляющая собой непревратимую часть полной энергии системы, которая неспособна к дальнейшим преобразованиям, т.е.: A = T * S,

где: Т – температура системы,

S – энтропия системы.

Из закона сохранения энергии следует, что сущность равновесных систем определяется следующими свойствами: 1) полная энергия равновесных систем постоянна (система не эволюционирует), 2) поток свободной энергии равен нулю (система не обладает способностью совершать внешнюю работу), 3) энтропия максимальна, 4) свободная энергия минимальна, 5) система замкнута.

Принципы-законы изменения

Сущностью неравновесных систем являются их удалённость от равновесия и эволюция во времени и пространстве. Эволюция проявляется в не сохранении, изменении полной энергии системы, а удалённость от равновесия – в способности совершать внешнюю работу, мерой которой является свободная энергия (эксергия) системы. Следовательно, общим понятием закона изменения может считаться то, что некоторая величина из таблицы Бартини [LrТs] в классе неравновесных систем не остаётся постоянной, являясь «вариантом» (в отличие от инварианта) этого класса систем.

Существуют разные варианты изменения величины, характеризующей неравновесные системы: 1) величина может устойчиво убывать во времени, 2) величина может устойчиво не убывать во времени.

Сочетание (смешение) этих инвариантов приводит к колебательным (волновым) изменениям неравновесных систем. Сущность неравновесных систем может быть определена следующими свойствами:

1) полная энергия неравновесных систем не постоянна (система эволюционирует),

2) поток свободной энергии (эксергии) отличен от нуля (система обладает способностью совершить внешнюю работу),

3) свободная энергия (эксергия) не минимальна,

4) энтропия не максимальна,

5) система открыта (имеет место обмен материально-энергетическими потоками с внешней средой).

Неравновесные системы делятся на два класса (рис. 2):

1) полный поток энергии монотонно убывает,

2) поток свободной энергии (эксергии) убывает (уменьшается способность совершать внешнюю работу),

3) поток анергии возрастает.

Рисунок 2.Классы неравновесных систем

К этому классу неравновесных систем относятся диссипативные (рассеивающие энергию) процессы. Системы хорошо описаны в литературе.

Сущность второго класса неравновесных систем определяется принципом устойчивой неравновесности, известным в науке под именем закона Бауэра-Вернадского. Согласно этому закону эволюция указанного типа систем осуществляется в направлении, при котором способность системы совершать внешнюю работу не убывает во времени.

Из этого закона следуют основные свойства неравновесных систем, эволюционирующих от состояния равновесия: 1) полный поток энергии не убывает во времени; 2) поток свободной энергии (эксергии) не убывает во времени; 3) поток энергии не возрастает.

Ко второму типу неравновесных систем относятся все системы с накоплением энергии, наиболее ярким представителем которых является живое вещество как открытая планетарная система всех живых организмов (по определению В.И. Вернадского.

Принцип-закон устойчивой неравновесности Бауэра-Вернадского

Рассмотрим подробнее принцип устойчивой неравновесности Бауэра-Вернадского. Он был сформулирован и обоснован в 1935г. Э.Бауэром в работе «Теоретическая биология». В основу этой работы был положен принцип, характеризующий эволюцию живых систем в смысле первого и второго биогеохимических принципов В.И.Вернадского. Основной вопрос, на который отвечает Бауэр: «Возможна ли общая теория для всякой живой организованной материи независимо от условий её развития?». Иными словами, возможно ли найти такие общие законы движения живой системы, которые действительны во всех её формах проявления, как бы многообразны ни были эти формы. Э.Бауэр выдвинул гипотезу о существовании основного закона живых систем, который формулирует как принцип устойчивой неравновесности, т.е. как принцип устойчивого развития живой системы в условиях, удалённых от термодинамического равновесия.

Прежде чем рассматривать этот принцип по существу, попробуем ответить на вопрос: «Чем вызвана необходимость введения ещё одного принципа эволюции?». Может быть достаточно только второго начала термодинамики? Непрекращающиеся на протяжении 130 лет острые дискуссии поэтому крайне сложному вопросу требуют ясной позиции. В данной работе мы не намерены обсуждать все «за» и «против». Это предмет специальной работы. Однако, хотелось бы сформулировать саму проблему и обозначить её понимание.

Известно, что основополагающим постулатом материализма ещё со времён Декарта является неуничтожимость движения как в количественном, так и в качественном выражении. Поскольку всеобщей мерой движения является энергия, то этот постулат тождественен закону сохранения и превращения энергии. При этом классиками материализма всегда специально подчёркивалось, что энергия сохраняется не только количественно, но и качественно. Это положение являете исходной фундаментальной посылкой всякого материализма, во всех формах его проявления. И тем не менее в соответствии со вторым началом термодинамики это положение не выполняется.

Вытекающие из второго принципа Клаузиуса следствия с чисто философских позиций были рассмотрены ещё Ф.Энгельсом: «В каком бы виде не выступало перед нами второе положение Клаузиуса и т.д., во всяком случае, согласно ему, энергия теряется, если не количественно, то качественно. Энтропия не может уничтожаться естественным путём, но зато может создаваться. Мировые часы сначала должны быть заведены, затем они идут, пока не придут в состояние равновесия, и только чудо может вывести их из этого состояния и снова пустить в ход. Потраченная на завод часов энергия исчезла, по крайней мере в качественном отношении, и может быть восстановлена только путём толчка извне. Значит, толчок извне был необходим также в начале; значит, количество имеющегося во вселенной движения или энергии не всегда одинаково; значит, энергия должна быть сотворена; значит, она сотворена; значит, она уничтожима».

Таким образом, второе начало термодинамики приходит в противоречие с постулатом о неуничтожимости движения, а, следовательно, и с законом сохранения и превращения энергии. Рассмотрим это противоречие. Одним из следствий второго начала термодинамики является излучение планет. Какова судьба этого излучения? «Излучение теплоты в мировое пространство. Все приводимые гипотезы о возрождении умерших небесных тел… предлагают потерю движения. Однажды излучённая теплота, т.е. бесконечно большая часть первоначального движения, оказывается безвозвратно потерянной.

… Итак, в конце концов приходят всё же к исчезновению и прекращению движения. Вопрос будет окончательно решён лишь в том случае, если будет показано, каким образом излучённая в мировое пространство теплота становится снова используемой. Учение о превращении движения ставит этот вопрос в абсолютной форме и от него нельзя отделаться без помощи негодных отсрочек, векселей и увиливанием от ответа».

Без ответа на этот вопрос «не получается кругооборота». Отсутствие же кругооборота означает конечность движения, так как хорошо известно, что «единственный способ придать ограниченному количеству свойства бесконечного – это заставить его вращаться по замкнутой кривой под воздействием внешнего потока энергии.

В то же время «кругооборот не получится до тех пор, пока не будет открыто, что излучённая теплота может быть использована. Сказанное приводит к выводу, что излучённая в мировое пространство теплота должна иметь возможность каким-то путём – путём, установление которого будет когда-то в будущем задачей естествознания, превратиться в другую форму движения, в которой она может снова сосредоточиться и начать активно функционировать».

Мы вынуждены были привести столь пространные цитаты, чтобы в явном виде выделить противоречие-проблему, исследование которой привлекло внимание многих крупных учёных, как у нас в стране, так и на Западе. Однако приоритет принадлежит представителям так называемого «русского космизма» - Н.Ф.Фёдорору (1875г.), С.А.Подолинскому (1880г.), Н.А.Умову (1901г.), К.Е.Тимирязеву (1908г.), В.И.Вернадскому (1926-1945гг.), К.Э.Циолковскому, Э.С.Бауэру (1935г.), А.Л.Чижевскому (1935-1955гг.), Р.Бартини (1930-1977), П.Г.Кузнецову (1960-2000гг.) и другим – «пионерам» в исследовании этой «почти запредельной» проблемы. К сожалению, работы школы «русского космизма» до сих пор плохо известны мировой научной общественности. Может быть этим объясняется, что в некоторых публикациях, связанных с термодинамикой живых систем, рассматриваемая проблема как бы не замечается, а в других – относится к разряду «недоразумений». Однако, повторяя слова Ф.Энгельса, здесь нельзя «отделаться увиливанием от ответа». В первом приближении «другая форма движения» должна выполнять функцию обратной связи, обеспечить кругооборот.

Для того, чтобы обеспечить кругооборот, эта «другая форма движения» должна обладать свойствами: 1) активного функционирования, т.е. активной работоспособности, 2) «сосредоточения», т.е. накопления излучаемой планетами энергии, 3) противостояния рассеиванию энергии.

Первое свойство означает, что эта форма движения должна удовлетворять требованиям неравновесной системы, обладающей способностью совершать работу под воздействием внешнего потока энергии. Второе свойство означает, что эта форма движения должна иметь такое внутреннее устройство, которое даёт возможность совершать работу против равновесия, обеспечивая устойчивость неравновесия.

Одной из возможных форм движения, обладающей указанными свойствами, является органическая жизнь на нашей планете, суть которой ясно выражена в определении, данном в философской энциклопедии: «Органическая жизнь – это форма движения материи, возникающая под действием излучённой в мировое пространство теплоты; форма движения, в которой теплота получает возможность снова сосредоточиться и начать активно функционировать, развиваться до высшей формы активности в виде человеческого труда». Не исключено, что проблема жизни и проблема второго начала термодинамики являются двумя сторонами одной и той же проблемы – проблемы понимания сущности планетарной жизни как космического явления.

По существу, поиск решения этой проблемы и содержится в работах представителей «русского космизма». Среди них следует, прежде всего, выделить работы В.И.Вернадского. Это «Биосфера», состоящая из двух очерков: «Биосфера в космосе» и «Область жизни» (1926); «Химическое строение биосферы Земли и её окружения» (1934), первоначальное название которой было иным – «Энергетика жизни»; «Пространство и время в неживой и живой природе» (1931). Нельзя не отметить работу «Научная мысль как планетарное явление» (1938). Часть этих работ в настоящее время переиздана.

Процесс накопления и преобразования свободной энергии в биосфере раскрывается учением о живом веществе или учением о биосфере, а её активное функционирование под влиянием трудовой деятельности человека –учением В.И.Вернадского о ноосфере. В.И.Вернадский рассматривает все известные формы планетарной жизни в их взаимной связи и взаимодействии как между собой, так и с окружающей средой – косной породой – литосферой, гидросферой, атмосферой.

Анализируя и синтезируя биогеофизикохимический материал о явлениях планетарной жизни, В.И.Вернадский делает эмпирические обобщения:

1. Живое вещество – это открытая планетарная система космического характера. Она представляет «трансформатор и накопитель» космической (прежде всего, солнечной) энергии.

2. Живое вещество как система состоит из частей (живых организмов: бактерий, растительного и животного мира, включая человека), взаимосвязанных и посредством целей, взаимодействующих между собой. При этом живое возникает от живого (принцип Реди).

3. Живое вещество, как планетарная система, представляет собой геологически вечный процесс, протекающий на поверхности Земли около 4 млрд. лет. Науке неизвестны в геологической истории Земли факты абиогенеза. Отдельные части живого вещества смертны, а живое вещество как целое – геологически вечно.

4. Живое вещество как открытая система обменивается материально-энергетическими потоками со всей планетарной средой – косным веществом, неживой природой, являясь неравновесной системой. При этом «эмпирически установленная земная оболочка – биосфера – как раз не попадает в область равновесных термодинамических оболочек земной коры не только потому, что в ней наблюдаются чрезвычайные колебания и сложность термических проявлений, но и потому, что в ней выступают на первое место переменные, совсем не входящие в состав термодинамических равновесий Гиббса. Явления жизни в эту теорию равновесий не входят». Такими переменными, по В.И.Вернадскому, являются: вес, химический состав и свободная энергия живого вещества. Тем не менее «ничто не заставляет нас делать новые гипотезы. Энтропия Клаузиуса не имеет реального существования: это не факт бытия, это математическое выражение, полезное и нужное, когда оно даёт возможность выражать природные явления на математическом языке. Оно верно только в пределах посылок. Отклонение такого основного явления, каким является живое вещество в его воздействии на биосферу, в биосфере от принципа Карно указывает, что жизнь не укладывается в посылки, в которых энтропия установлена». Основной посылкой, в рамках которой действует второй принцип Клаузиуса, является изолированность системы. Живое вещество – существенно открытая система. В биосфере его окружающей средой является косное вещество, и поэтому неудивительно, что энтропия окружающей живое вещество среды возрастает.

5. Живое и косное вещество – это две разные формы движения, два разных класса систем-процессов, между которыми существуют принципиальные пространственно-временные и материально-энергетические различия.

6. Основное различие живого и косного вещества заключается в противоположном направлении их эволюции: Природные процессы живого вещества в их отражении в биосфере увеличивают свободную энергию среды (биосферы)».

7. Следствием первого биогеохимического принципа является необратимость процесса эволюции живого вещества.

8. Взаимодействие живого и косного вещества под действием потока лучистой энергии обеспечивает планетарный кругооборот материально-энергетических потоков, его геологическую вечность.

Таким образом, живое вещество, по В.И.Вернадскому, объединяет всё многообразие явлений планетарной жизни, все его формы на протяжении всей геологической истории планеты и поэтому оно – не столько тело, сколько процесс, геологически вечный процесс.

Теперь мы подготовлены к тому, чтобы рассмотреть принцип Бауэра-Вернадского. По существу. Э.Бауэр формулирует требования, которым удовлетворяют живые системы:

1. Живые системы при неизменном обмене с окружающей средой не должны находиться в равновесии, т.е. они должны быть способными производить внешнюю работу. Мерой удалённости от равновесия является её свободная энергия.

2. При каком-либо воздействии извне система должна производить работу, которая влияла бы на изменение состояния, вызванное этим внешним воздействием, и изменяла бы его. Свойство «раздражимости», «возбудимости».

3. В живых системах должны быть механизмы, которые превращают работоспособность системы при неизменной окружающей среде в работу против равновесия, которое наступило бы при данной окружающей среде и при данном состоянии системы. Эти механизмы способствуют тому, чтобы работоспособность системы при неизменной окружающей среде всегда затрачивалась на такую работу, которая повышают коэффициент полезного действия самой системы. Короче, работоспособность должна быть использована в интересах собственной работоспособности. Работа живых систем при всякой окружающей среде направлена против равновесия, которое должно было бы наступить при данной окружающей среде при данном первоначальном состоянии системы. Работа в живых системах всегда должна состоять в изменении КПД структуры самих систем. Следует отметить, что эти требования никоим образом не противоречат законам термодинамики, так как наступающее состояние равновесия однозначно определено тогда, когда не предполагается использование никаких механизмов внутри системы, связанных каким-либо образом с изменением состояния системы и окружающей среды.

4. Работа живых систем направлена при всякой окружающей среде против равновесия, которое должно было бы наступить при данной окружающей среде и при данном первоначальном состоянии системы. Живая система всегда превращает всю свою свободную энергию в работу против ожидаемого равновесия.

Первое требование соответствует требованию свойства заведённой машины, второе требование – раздражимости и возбудимости, третье и четвёртое требования соответствуют тем свойствам, которые обозначаются обычно как приспособляемость, организованность, целесообразность, основные атрибуты информационных структур. В данном случае нетрудно убедиться в том, что эти механизмы являются информационными, выполняющими функцию логических устройств в процессах управления живой системы своим поведением.

Согласно Бауэру, фундаментальное отличие живой материи от неживой характеризуется принципом устойчивого неравновесия. Этот принцип гласит: «Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счёт своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях». Затем Бауэр в качестве следствий из этого принципа «выводит» основные направления жизни – обмен веществ, рост, размножение.

В соответствии с этим принципом живое вещество «представляет особой физически аномальную систему, которая эволюционирует в сторону, противоположную от состояния равновесия, т.е. качественно отличается законом своего развития от всех известных нам физических систем». Физически «аномальная» система должна обладать рядом парадоксальных свойств. Величины, всегда положительные в физически нормальных системах, могут в аномальной системе иметь отрицательное значение, и наоборот. В частности, физически нормальная система эволюционирует так, что её способность совершать внешнюю работу с течением времени уменьшится, у аномальной системы эта способность с течением времени не убывает. Казалось бы, налицо противоречие законам термодинамики. Однако, это только кажущееся противоречие. Живое вещество относится к другому классу систем, для которых существен другой принцип-закон эволюции.

Физически нормальная система эволюционирует так, что её энтропия с течением времени увеличивается, т.е. увеличивается рассеянная энергия, или диссипация. У аномальной системы энтропия с течением времени уменьшается, т.е. увеличивается её свободная энергия, и в этом смысле имеет место антидиссипативный процесс. В данном классе систем мы имеем дело не с противоречием второму закону термодинамики, а с другим законом-принципом устойчивой неравновесности. Для него существенно то, что разрешаемое вторым законом термодинамики увеличение энтропии не наблюдается в течение 4 млрд. лет направленной эволюции живого вещества (номогенеза).

Согласно Бауэру: «Для живых систем характерно именно то, что они за счёт своей свободной энергии производят работу, против ожидаемого равновесия и таким образом мы имеем дело не с противоречием законам термодинамики, а с другими законам, состоящими между прочим, в том, что разрешаемое термодинамикой закономерно не наступает.

Принцип устойчивого неравновесия является своеобразным антиэнтропийным постулатом. Для того чтобы поддерживать состояние действующей структуры в окружающем «бесструктурном» мире, живая система должна постоянно её усложнять, т.е. увеличивать свою информацию, понимая под ней меру функционально-структурной сложности.

Исходя из этого можно заключить, что именно информация препятствует потере способности совершать работу. Однако в соответствии со вторым началом существует только один вид энергетического процесса, когда энергия от тела с большим потенциалом переходит к телу с меньшим, что приводит к равновесию системы. Мера этого явления – энтропия, таким образом, может только увеличиваться, т.е. её знак всегда положителен. Но в живой системе процесс противоположный, и это связанно с усложнением структуры, т.е. с ростом информации.

Из этих рассуждений можно сделать вывод, что росту энтропии препятствует увеличение информации. Такое понимание соответствует «поэтическому образу» информации, как отрицательной энтропии. По существу, говоря об отрицательной энтропии, Шредингер имел ввиду структурные потоки вещества, играющие роль питания для организма и имеющие энергетическую меру.

Теперь не трудно понять, что Э.Бауэр не стал прибегать к величине энтропии, а выбрал новую существенную переменную, которую назвал «внешняя работа». Не сложно установить связь этой переменной со свободной энергией Гельмгольца и со свободной энергией Гиббса, а отсюда и с эксергией, и их потоками.

Исходя из принципа устойчивой неравновесности основным свойством потоков энергии, циркулирующих в живых системах, является их способность совершать внешнюю полезную работу или сокращённо работоспособность.

Данное свойство потоков энергии в изолированной термодинамической системе принято называть эксергией. При этом отмечается, что эксергия является наиболее важным понятием при определении качества энергии, определяемого возможностью её превращения из одной формы в другую. Для определения эксергии используется функция Гиббса или Гельмгольца, выражающие свободную энергию обратимого перехода в форме термодинамического потенциала.

Неравновесность в изолированной системе в целом может изменяться только в сторону состояния равновесия.

Неравновесность в открытой системе (под действием накачки потоков внешней энергии и изменения сложности внутренней структуры) может изменяться и в сторону удаления от равновесия (Принцип устойчивого неравновесности Бауэра-Вернадского).

Рассмотрим взаимодействие подсистем. Пусть система состоит из двух неравновесных подсистем: одна из них термодинамически «нормальная» система эволюционирует к состоянию равновесия, а вторая физически «аномальная» система удаляется от него. Аналогом «нормальной» подсистемы является «косное вещество» (по терминологии В.И.Вернадского), а аналогом «аномальной» - «живое вещество». Обе подсистемы замкнуты друг на друга и удалены от равновесия на расстояние В1 и В2. Условно принимается, что объединяющая эти подсистемы система является изолированной (рис. 3).

Рисунок 3. Примитивная схема взаимодействия подсистем

Рассмотрим теперь случай открытой системы. Для этого введём в модель внешний поток энергии Ns. Предположим, что поток изменяется по гармоничному закону, с периодом 11 лет. Максимальную амплитуду изменения потока Ns примем равной 1%. Тогда поток Ns(t) может быть описан дополнительным уравнением следующего вида:

Начальное значение внешнего потока Ns(0) принимаем равным 5*105. Кроме того, вводим в схему дополнительно отрицательную обратную связь на интеграл, моделирующий свободную энергию живого вещества с коэффициентом 0,05.

Качественный характер динамики показателей Е1, Е2 и А (с учётом воздействия внешнего источника энергии) приведён на рис. 4.

Рисунок 4. Качественный характер динамики показателей Е1, Е2, А

По результатам изложенного можно сделать следующие выводы:

1. Изолированная неравновесная система всегда, в конечном счёте, эволюционирует к равновесию, даже в том случае, если одна из её подсистем на определённом интервале удаляется от него.

2. Открытая система может не эволюционировать к состоянию равновесия и удаляться от него, выражая основную закономерность эволюции живых систем – устойчивую неравновесность Бауэра-Вернадского.

3. Из эксперимента так же следует, что если живую систему лишить притока энергии извне, то хотя она так же придет в равновесие, но выравнивание всех разностей потенциала будет протекать так, как у заведённой машины с неизменным условием систем, а иначе вся свободная энергия системы будет направлена на замедление выравнивания. Представим себе, что мы имеем изотермически замкнутую систему, т.е. стенка которой проницаема для тепла, причем процесс протекает настолько медленно, что температуру можно рассматривать приблизительно как постоянную. Второе начало говорит, что в этом случае обязательно наступит равновесие. Это означает, что подобная система не может бесконечно исполнять работу, так как это противоречило бы второму началу, согласно которому невозможно построить систему, исполняющую постоянно внешнюю работу за счёт тепла. Максимальная работа, которая может быть извлечена при таких обстоятельствах из системы есть мера свободной энергии (эксергии) системы, и из второго начала следует, что равновесие наступит при таком состоянии, в котором свободная энергия при данных условиях системы не может более уменьшаться, следовательно, в том состоянии, в котором свободная энергия есть минимум. Принцип устойчивой неравновесности показывает, что при экзотермически замкнутой живой системе общая свободная энергия преобразуется в работу, которая производит такое изменения условий системы, что этот минимум не только относительно, но и абсолютно принимает возможно меньшую величину.

Из описанной схемы могут быть сформулированы условия устойчивой неравновесности живой системы. Запишем эти условия в виде системы скалярных уравнений.

где t – начальный момент времени, Ԏжс – среднее время между получением потока N и выполнением внешней работы Р, Ԏос – среднее время между началом работы живой системы и получением потока N(t+Ԏос), Ԏосжс– средняя продолжительность полного цикла «живая система – окружающая среда», ѯ – эффективность энергозатрат живой системы.

Эти уравнения могут быть сведены к скалярному уравнению движения потока свободной энергии:

Можно доказать, что решение этого уравнения является выражение:

где P0 любая периодическая функция с периодом Ԏос + Ԏжс

Нетрудно видеть, что P (t+Ԏосжс) есть поток свободной энергии живой системы, аналогичный потоку P(t), но уже на новом цикле неравновесности живой системы.

Необходимо обратить внимание на ускорение роста свободной энергии живой системы, взаимодействующей с окружающей средой. Этот результат согласуется с выводом С.Э.Шноля. Он пишет: «Живая система непросто удаляется от термодинамического равновесия, а удаляется от него всё дальше и с возрастающей скоростью». По существу, последняя формула и является количественным описанием принципа устойчивой неравновесности.

Проверенный временем и подтверждённый почти во всех разделах наук о жизни, он представляет основной принцип эволюции органической жизни, включая и труд Человека.

В наше время принцип продолжает развиваться, внося коррективы в гипотезы, высказанные без достаточных теоретических оснований, в частности в утверждениях некоторых кибернетиков о возможности технической модели полностью воспроизвести все функции живого вещества, космогонические теории о происхождении жизни, термодинамические представления о связи энергии, энтропии и среды обитания. Так, в работе К.К.Ребана утверждается: «Если мы встанем на более общую точку зрения, и будем считать рассматриваемую систему вместе с источником воздействия новой, более широкой системы, то эта новая система будет уже изолированной системой. В процессах, протекающих в такой системе, негэнтропия может только убивать». Вообще говоря, если знать, как измерять негэнтропию, - это верное высказывание. Однако рассмотрим ситуацию несколько подробнее.

Можем ли мы встать на более широкую точку зрения и рассмотреть живое вещество вместе со всеми источниками воздействия на него так, чтобы эта новая более широкая система была изолированной?

Если бы все источники были достоверно известны, то да, мы могли бы рассмотреть систему «живое вещество + окружающая среда планеты + все источники с космической энергии» как изолированную систему. Но в том то и дело, что все источники не известны, а уже известные сами являются открытыми системами. Здесь много белых пятен. В космической экологии, например, выявлено активное влияние на живое вещество слабых взаимодействий, электрических полей, которые так же могут быть энергоинформационными источниками. Поэтому говорить о системе «живое вещество + окружающая среда» как об изолированной системе можно только в мысленном эксперименте, а не в реальности.

Рассмотрим предельно широкую систему «живое вещество + весь космос». Если мы предположим, что эта система изолирована, то в рамках данной гипотезы её эволюция с необходимостью подчиняется второму началу. Но это означает, что мы опять сталкиваемся с ADABSURDUMФ.Энгельса и опять возникает вопрос о новой форме движения, которая должна обеспечить полный кругооборот. Однако теперь мы в большей мере подготовлены к осознанию этой проблемы. Мы понимаем, что принцип Клаузиуса-Томсона и принцип Бауэра-Вернадского не исключают, а напротив, предполагают друг друга, охватывая эволюцию косной и живой природы, и обеспечивая круговорот по крайней мере в масштабе биосферы нашей планеты.

По существу, принцип устойчивой неравновесности выполняет функцию не просто обратной связи, а положительной обратной связи, ускоряя кругооборот в биосфере. Это ускорение может происходить только за счёт повышения темпов роста свободной энергии живого вещества над темпами роста энтропии косного вещества. Отсюда следует, что в планетарной истории биосферы может быть такая ситуация, когда свободная энергия живого вещества окажется равной абсолютной величине энтропии, окружающей живое вещество планетарной среды. Что означает такая ситуация?

По-видимому, речь идёт о своеобразной ситуации равновесия диссипативных и антидиссипативных процессов, протекающих на поверхности Земли. Однако своеобразие этого равновесия заключается в его временности. По существу, это «момент» (временной интервал) до которого в биосфере доминировали диссипативные процессы рассеивания энергии, а после которого ситуация может развиваться в нескольких вариантах. В этом смысле «момент равновесия» может рассматриваться как «точка бифуркации», а само равновесие как неустойчивое равновесие. Неустойчивость определяется возможностью дальнейшей эволюции системы. Классическая термодинамическая равновесная система замкнута и не эволюционирует, т.е. не обладает способностью совершать внешнюю работу.

Наша система – биосфера – не замкнута и обладает способностью совершать внешнюю работу, т.е. она обладает возможностью эволюционировать. Весь вопрос в том, в каком направлении будет она изменяться. Логически возможны три варианта: 1. От неустойчивого равновесия к устойчивому равновесию. 2. От неустойчивого равновесия к устойчивому неравновесию. 3. Колебательный процесс.

Первый вариант означает эволюцию с преобладанием диссипативных процессов. Второй – эволюцию с преобладанием антидиссипативных процессов. Третий вариант представляет «смесь» первых двух.

Можно рассмотреть каждый из этих вариантов, но лучше это делать, обращаясь к фактам. Факты же говорят, что ситуация неустойчивого равновесия может по-разному проявляться в биосфере. В общем случае она означает временное равенство потоков рассеивания и потоков накопления энергии в планетарном естественноисторическом процессе, включающем в себя эволюцию живого и косного вещества в целом, видов живых систем, эволюцию человека и общества, перестройку биосферы в качественно новое состояние – ноосферу.

В ходе эволюции было много ситуаций, связанных с неустойчивым равновесием – перестройкой системы. Однако каждый раз они разрешались качественным скачком – в пользу возникновения новых форм организации (новых видов живых систем), обеспечивающих переход от неустойчивого равновесия к качественно новому состоянию – устойчивому неравновесию.

Проявление законов в эволюции биосферы.

Эволюция неживой природы планеты всегда сопровождалась доминирующим влиянием диссипативных процессов, связанных с рассеянием энергии и ростом энтропии, т.е. обусловленных действием второго закона термодинамики. В.И. Вернадский использовал этот закон для объяснения всей космической эволюции нашей планеты. Он служил буквально путеводной звездой, когда речь шла об образовании всех планетарных сфер, не затронутых явлением жизни. Разрозненные сведения объединились в величественную картину развития неживой природы благодаря правильному применению фундаментального принципа. Была внесена ясность в процессы формирования атмосферы, гидросферы и литосферы (15). В очень схематичной форме этот процесс мог протекать следующим образом.

Возникшее при определённых космоэнергетических условиях раскаленное тело Земли за счёт огромной разницы в температурах с космической средой стало охлаждаться, излучая тепло в космическое пространство, стремясь к состоянию энергоэнтропийного равновесия с окружающей средой. В результате этого излучения создались условия для образования атмосферы – своеобразного экрана, защитного барьера, предохраняющего Землю от проникновения конденсации водных паров. Накапливающаяся в атмосфере вода под действием силы тяжести стала проливаться на Землю, формируя гидросферу Земли – своеобразный катализатор процессов минерализации и кристаллизации, сформировавших литосферу Земли.

Формирование атмосферы, гидросферы и литосферы Земли проходило под воздействием уменьшающегося потока излучаемой в космос энергии. На протяжении всего этого времени поверхность Земли вела себя как неравновесная система, стремящаяся к состоянию равновесия, т.е. как открытая система, которая с течением времени теряет способность совершать внешнюю работу. При этом поток излучаемой энергии убывал с течением времени, а поток солнечной энергии, достигающий поверхности Земли, возрастал по мере охлаждения поверхности Земли, оставаясь при этом меньшим по величине, чем поток излучаемой энергии.

Таким образом, до возникновения жизни на Земле доминирующим был диссипативный процесс излучения, под воздействием которого и сформировалась неживая природа нашей планеты. Иначе обстоит дело в явлениях живой природы. Эволюция живой природы осуществляется под господствующим влиянием процессов, обусловленных концентрацией солнечной энергии на поверхности Земли.

С какой бы стороны не обсуждался этот вопрос, обнаруживается, что по мере роста плотности потока космической радиации, достигающей поверхности Земли, создавались условия для протекания эндотермических фотохимических реакций, позволяющих аккумулировать энергию Солнца и превращать ее в потенциальную энергию продуктов фотосинтеза.

В настоящее время хорошо известно, что механизм фотохимических реакций представляет собой тот путь, по которому рассеянная в мировом пространстве лучистая энергия получает возможность сосредоточиться. В этом смысле протекание процесса фотосинтеза следует рассматривать как антидиссипативный процесс, обусловленный концентрацией солнечной энергии на поверхности Земли.

Рождение биосферы можно рассматривать как планетарно-космическую «особую точку-2» (в терминологии Тейяр де Шардена) – качественный скачок, до которого на поверхности Земли преобладали диссипативные процессы неживой природы, а после него – антидиссипативные процессы живой природы. Под воздействием лучистой энергии возникает и необратимо развивается органическая жизнь. При этом, если в неживой природе лучистая энергия является шлаком, своеобразным отбросом дифференции вещества, то по отношению к явлениям органической жизни она становится причиной, движущей силой, обуславливающей возникновение и развитие живой природы.

В качестве рабочей гипотезы можно допустить, что около 4 млрд. лет тому назад на Земле сложились такие материально-энергетические условия, когда плотность потока энергии, излучаемой поверхностью Земли в мировое пространство уменьшается. Возникает неустойчивое равновесие. Вполне возможно, что в это время и сложились физико-химические условия для возникновения жизни. Возникла биосфера, включающая в себя всю совокупность живого вещества, средой обитания которого являются атмосфера, гидросфера и литосфера.

Эту ситуацию Ф. Энегельс описывал следующим образом: «Время, когда планета приобретает твердую кору и скопления воды на своей поверхности, совпадает с тем временем, начиная с которого ее собственная теплота отступает все более и более на задний план по сравнению с теплотой, получаемой ею от центрального светила. Атмосфера становится ареной метеорологических явлений в современном смысле этого слова, ее поверхность - ареной геологических изменений, при которых вызванные атмосферными осадками отложения приобретают все больший перевес над медленно ослабевающими действиями вовне ее раскаленного-жидкого внутреннего ядра.

Наконец, если температура понизилась до того, что по крайней мере на каком-нибудь значительном участке поверхности она уже не превышает тех границ, внутри которых является жизнеспособным белок, то при наличии прочих благоприятных химических предварительных условиях образуется живая протоплазма.» (49).

В истории планеты произошел качественный скачок. Доминирование на поверхности планеты процессов рассеивания энергии сменилось все более возрастающим по времени и пространстве влиянием процессов концентрации энергии. Произошла первая планетарная перестройка от неустойчивого равновесия к устойчивому неравновесию.

Можно было бы допустить, что после того, как некоторая часть лучистой энергии перешла в потенциальную форму энергии живого вещества на поверхности нашей планеты, процесс дальнейшего накопления этой энергии будет остановлен. Однако исторический анализ эволюции живого вещества (т.е. совокупности всех живых организмов, включая людей) показывает, что такой тенденции по ходу эволюции не обнаруживается. За 4 млрд. лет эволюции живого вещества на поверхности Земли процесс жизни не только не обнаруживает тенденции затухания, а наоборот, охватывает всё большую и большую часть вещества биосферы. Не исключено, что был момент «когда количество живого вещества на поверхности нашей планеты в биосфере исчислялось граммами, а теперь мы имеем 1015т. При среднем содержании химической энергии порядка 4 ккал на грамм живого вещества обнаруживаем всё прогрессирующее увеличение химической энергии живого вещества».

Каков механизм, обеспечивающий этот рост? Рассмотрим его вначале на примере жизнедеятельности первичного примитивного живого организма. Допустим, что таким организмом являются архебактерии. Примитивный организм, получая с питанием поток энергии, преобразует его в процессе жизнедеятельности с некоторым коэффициентом полезного действия и производит продукты своей жизнедеятельности, важнейшим из которых является идентичное воспроизводство себе подобных – самокопирование. В этот процесс примитивный организм вовлекает необходимый ему поток элементов косного вещества, энергетическая мощность которого измеряется затратами энергии организма на его вовлечение. Кроме самокопирования организм производит и некоторую побочную продукцию, измеримую перенесённой на эту продукцию энергией. Часть потребляемой организмом энергии рассеивается в окружающей среде (например, на теплообмен с окружающей средой). Вновь образованные живые организмы (копии) включаются в описанный процесс воспроизводства, чем и обеспечивается рост потока свободной энергии.

Для осуществления этого роста необходимо, чтобы за время жизни организма им было произведено не менее двух копий (для сообщества живых организмов достаточно, чтобы этот коэффициент воспроизводства был больше единицы). Таким образом, примитивный организм характеризуется потребляемой мощностью, коэффициентом полезного действия, временем цикла самокопирования и временем жизни. Нетрудно убедиться в том, что эти характеристики являются существенными не только для примитивных организмов, но и для любых живых организмов и их популяций. Две последние из них определяют темпы роста свободной энергии в целом. Как известно, описанный механизм процесса воспроизводства может быть представлен геометрической прогрессией. При этом популяция самокопирующихся организмов способна очень быстро и, как показал Вернадский, в течение нескольких дней заполнить всё пространство планеты, если имеются необходимые условия для существования.

Поскольку величина потока необходимых для жизнедеятельности популяции ресурсов на планете ограничена, максимальная площадь популяции так же ограничена. С истощением запасов невозобновляемых ресурсов мощность популяции будет снижаться. Кроме того, снижение темпов роста популяции происходит в связи с накоплением побочной продукции в окружающей среде, которая оказывает угнетающее воздействие на рост популяции в целом.

Следовательно, развитие популяции однотипных организмов не обеспечивает выполнение закона роста свободной энергии в течение геологического времени, а это в свою очередь означает, что для дальнейшего роста должны существовать дополнительные механизмы. Такие механизмы описываются вторым биогеохимическим принципом В.И.Вернадского: «При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают свободную энергию». Отсюда следует, что значащими мутациями могут быть: увеличение КПД организма или изменение спектра потребляемых веществ и энергии, приводящие к использованию новых источников энергии, приводящие к использованию новых источников энергии или новых строительных веществ, в том числе побочной продукции жизнедеятельности существующих организмов и популяций (например, появление гетеротрофов).

Эволюция по пути увеличения КПД организмов и популяций приводит последовательно к специализации структур организмов и к появлению информационных механизмов их сбалансированной регуляции с окружающей средой (защитные реакции, управление движением) – нервной системы. Высшим продуктом этого направления эволюции явилась трудовая функция разумного существа – человека.

Тем не менее существует различие между совокупностью всего живого, населяющего поверхность нашей планеты и отдельной живой системой.

Имеется ряд свойств, присущих процессу жизни и не присущих отдельному индивидууму. К их числу относится смертность индивидуума и геологическая вечность явлений жизни в процессе эволюции.

Любая живая система (клетка, растение, животное, человек) в процессе своего существования проходит определённый «жизненный цикл»: рождение, развитие, стагнация, смерть.

Рождение любой живой системы всегда связано с появлением у этой системы возможности совершать полезную внешнюю работу. Живая система перестаёт существовать, если её полезная мощность обращается в нуль.

На этапах рождения и развития любой живой объект ведёт себя как неравновесная система, удаляющаяся от состояния равновесия. На этих этапах «жизненного цикла» доминируют антидиссипативные процессы. На этапах деградации и смерти любой живой объект ведёт себя как неравновесная система, приближающаяся к состоянию равновесия. На этих этапах доминируют диссипативные процессы.

Таким образом, жизнь отдельного организма определяется взаимодействием диссипативных и антидиссипативных процессов. Соотношение этих процессов в живом организме находится под контролем изменения его способности совершать полезную внешнюю работу.

Как показал Э.Бауэр, свободная энергия живой системы достигает максимума при условии:

Где m– масса живой системы, ϻ - свободная энергия единицы живой массы, m0 – начальная масса, ϻ0 – начальная свободная энергия.

Продолжительность существования любой живой системы определяется временем, в течение которого эта система способна совершать полезную внешнюю работу.

В процессе эволюции биосферы наблюдается всеобщая борьба за существование, приводящая к смене одних видов другими, обладающими большей способностью совершать внешнюю работу, большим темпом роста полезной мощности, а значит, большей организованностью и сложностью.

Около 2 миллиардов лет назад на смену бактериям и сине-зелёным водорослям пришли простейшие одноклеточные и примитивные грибки. 1,5-1- миллиард лет назад возникли беспозвоночные кишечнополостные, черви и моллюски. 500 миллионов лет назад – хордовые рыбы. 300-400 миллионов лет назад появились земноводные. 200-300 миллионов лет назад – рептилии. 100 миллионов лет существуют млекопитающие. 20 миллионов лет назад – обезьянолюди, рамапитеки, гоминиды. И лишь 40-100 тысяч лет тому назад в результате жестокой борьбы со смертью появился вид HomoSapiens, обеспечивающий посредством труда больший поток свободной энергии, чем любой другой вид.

В 1930 г. Р.Фишер вывел основную формулу естественного отбора, согласно которой более активные особи вытесняют в процессе смены поколений менее активных особей. Аналогичный вывод следует из второго биогеохимического принципа В.И.Вернадского и принципа устойчивой неравновесности Э.С.Бауэра.

Каков механизм этой смены?

В период рождения новой системы её полезная мощность существенно меньше полезной мощности старой. Однако темп роста новой системы выше, т.е. имеет место неравномерность развития, проявляющаяся в рассогласовании темпов роста полезной мощности. С течением времени это рассогласование в скорости развития постепенно приводит к уменьшению разрыва в соотношении их мощностей. Наступает такой период, когда в результате неравномерности развития, рассогласования в темпах роста происходит пересечение мощностей. Мощность новой системы временно становится равной мощности старой системы: наступает период устойчивой неравновесности. Такой период уместно назвать переходным или критическим в процессе борьбы живых систем.

В условиях переходного периода созревают предпосылки победы новой системы и поражения старой. Поэтому переходный период всегда является критическим. За пересечением мощностей, т.е. их временным равновесием, следует больший темп роста победившей системы и замедление роста мощности системы, потерпевшей поражение. Происходит перестройка от неустойчивого равновесия к устойчивому неравновесию. Отсюда следует, что новая система побеждает при двух условиях: 1) соотношение мощностей становится в пользу новой системы; 2) темп роста полезной мощности новой системы выше темпов роста полезной мощности старой системы.

По существу, смена одних видов другими в ходе естественно-исторического процесса всегда сопровождалась переходными или перестроечными периодами, которые фиксировали пространственно-временную границу доминирования одних видов над другими. На этих границах происходит качественный скачок в эволюции живого на Земле. На смену одним видам приходят новые, способные совершать большую полезную работу, обладающие большей полезной мощностью, обеспечивающие устойчивость развития жизни.

Так проявляется принцип устойчивой неравновесности в явлениях жизни, незатронутых трудом и разумом Человека.

Со времени отделения рода HomoSapiensот других живых организмов человечество охватило всю планету. Это явление нельзя назвать случайным. Его корни лежат глубоко и подготавливались всем ходом естественно-исторического процесса, связанного, по мнению В.И.Вернадского, с созданием человеческого мозга. Если выделение человека из всех живых организмов есть проявление длительного природного процесса, то этот процесс получает особое геологическое значение благодаря тому, что он создал новую геологическую силу – труд и мышление человека.

Но зачем природе понадобилось создавать эту новую силу? Какие энергетические условия породили труд и человеческий разум?

Надо сказать, что в истории биосферы не раз складывались критические ситуации, или, как назвал их Вернадский, критические периоды, когда для поддержания жизнедеятельности, а, следовательно, устойчивой неравновесности живого вещества, геологическая деятельность в самых разнообразных её проявлениях усиливалась в своём темпе. Создавались новые формы организованности живого вещества, более совершенные и развитые, но и более сложные, чем предыдущие. Это было, например, в кембрии, когда появились крупные организмы с кальцитовым скелетом. Так было в третичное время, когда создавались леса и степи, развивалась жизнь крупных млекопитающих.

Нечто подобное произошло и несколько миллионов лет назад, когда наступившее на Земле оледенение создало критическую ситуацию и существование живого вещества планеты оказало под угрозой. Естественно, что в таких условиях для поддержания и дальнейшего развития понадобилось дополнительное тепло. Но откуда это тепло взять? В силу сложившейся ситуации это тепло можно было получить только за счёт увеличения эффективности использования доли энергии Солнца., аккумулированной на поверхности Земли. По-видимому, только в этом случае живое вещество могло выйти из критической ситуации. Но для этого нужна была такая перестройка, которая усилила бы способность живого совершать полезную внешнюю работу. Появляется новая форма организованности живого, которая обладает способностью увеличивать эффективность использования аккумулированной энергии Солнца. Такой новой формой и является труд, создавший новую геологическую силу – человека, наделённого разумом.

Общеизвестно, что для жизнедеятельности человеческого организма как биологического вида необходимо потреблять в среднем не менее 2500 ккал в сутки, из которых, как минимум 500 ккал человек расходует на совершаемую им внешнюю работу, около 2000 ккал идёт на основной обмен организма человека. Другими словами, каждый день человек получает из внешней среды 2500 ккал, а отдаёт только 500. Это означает, что человек вступает в неэквивалентный обмен с природой, получая 5 ккал за одну.

Так было на заре человечества, так было бы и теперь, если бы не одно «но». Если бы не было развития человеческой популяции, роста возможностей цивилизации воздействовать на окружающую среду. В нестоящее время на одного человека в среднем приходится не 2500 ккал, как это было в далёком прошлом, а 250 000 ккал в сутки. Ведь человек потребляет не только пищу, но и материальные и духовные блага, предоставляемые ему цивилизацией, которые в пересчёте на калории дают указанную величину. По образному выражению Бёша, последнее означает, что в современном мире на каждого человека как бы работает сто невидимых рабов. На лицо эмпирически установленный факт – гигантский рост гигантский рост возможностей человека в ходе его исторического развития. Что же является причиной и движущей силой неубывающего роста возможностей?

В наиболее простом виде ответ на этот вопрос хорошо знаком ещё со школьной скамьи: труд человека и его разум являются движущей силой роста возможностей общества, причиной удовлетворения его увеличивающихся потребностей. Труд породил человека, разум обеспечил его развитие. Каково место труда и разума в естественно-историческом процессе?

По существу, одним из первых, кто дал естественно-научный ответ на этот вопрос, был С.А.Подолинский, который в 1860г. показал, что человек является единственной известной в науке силой природы, которая определёнными волевыми актами способна увеличивать долю энергии Солнца, аккумулированной на поверхности Земли, и уменьшать количество энергии, рассеиваемой в мировое пространство. Здесь необходимо обратить внимание на то, что растения, которые фактически аккумулируют лучистую энергию в вещество собственного тела, в большинстве случаев сами по себе не могут превращать её в движение, а животные, начиная с простейших и кончая высшими (не включая человека), не могут тратить её так, чтобы увеличивать количество аккумулируемой энергии Солнца хотя бы временно. Только человек своим трудом, культивируя растения на новых землях или расширяя использование старых земель, ирригируя засушливые местности, применяя улучшенную систему культурных растений, применяя новые машины и технологии, добивается первой цели. Защищая растения от их естественных врагов и не допуская уничтожения растений, люди работают на достижение второй цели. Именно поэтому Подолинский и определил «труд, как такую затрату мускульной силы человека или используемых им животных и машин, результатом которой является увеличение энергии Солнца, аккумулированной на Земле». Но здесь возникает естественный вопрос. Если труд – это затраты прежде всего мускульной силы человека, то как же тогда квалифицировать труд умственный? Подолинский приходит к выводу, что любой интеллектуальный труд, будь это хоть труд гения, не может увеличивать аккумулируемую энергию на Земле, не оказывая влияния на рост производительности труда работающего, который и прилагает свои силы к новым изобретениям. Без затрат физического труда любое изобретение остаётся бесплодным. Поэтому для всех видов умственного труда единственный путь к увеличению количества энергии Солнца, удерживаемой на Земле, путь, который с помощью более совершенных машин и технологий делает физический труд более производительным.

Вспомни, что человек, потребляя из внешней среды 2500 ккал, затрачивает на внешнюю работу только 1/5 часть потребляемого количества калорий. Значит, величину 1/5 можно рассматривать как КПД человеческого организма по калорийности продуктов питания. Из этого следует, что удовлетворение самых необходимых потребностей поглощает энергии в 5 раз больше, чем мускульная работа, которая может быть выполнена человеком. Это различие и должно быть перекрыто внешней производительностью мускульного труда, управляемого разумом, использующего энергию как домашних животных, так и природных и искусственных двигателей. Отсюда следует, что разум человека, его мышление и научная мысль являются причинами возрастающей способности человека совершать внешнюю работу. В этом смысле разум человека – это его способность ускорять рост производительности труда, а значит, рост свободной энергии. Данное определение имеет глубокие основания, учитывая то, что мышление и сознание суть продукты человеческого мозга. Поэтому естественно, что, чем больше развит механизм мышления, тем большими потенциальными способностями обладает человек, порождающий научную мысль. Человеческое мышление, его научная мысль материализуются в орудиях труда, представляющих результат его умственной и физической деятельности. Применение в трудовом процессе машин и механизмов с более высоким КПД повышает эффективность использования вовлекаемых в этот процесс материальных потоков, повышает скорость его протекания, а, следовательно, ускоряет рост производительности труда. Этим и объясняется гигантский рост возможностей человека влиять на окружающую его (в том числе и космическую) среду.

Однако здесь возникает вопрос. Каким образом этот процесс влияет на КПД человеческого организма? Является ли он величиной постоянной или изменяется в процессе развития человеческой популяции?

Если сравнить КПД человеческого организма на самых низших ступенях цивилизации и КПД цивилизованного человека, то получится, что дикарь, который удовлетворяет свои потребности большей частью за счёт того, что дарит ему природа, имеет КПД больший, чем цивилизованный человек, так как расходует значительно большее количество мускульной силы на то, чтобы добыть себе пищу. Хотя мускульная работа, проделанная цивилизованным человеком, значительно меньше проделанной дикарём, но полезность работы намного больше, так как его труд удовлетворяет намного больше различных потребностей и в гораздо большей степени, чем труд дикаря.

В чём же причина такого противоречия? Ведь, несмотря на то, что КПД примитивного человека заметно выше, приходится считать его тело гораздо менее организованным механизмом, чем тело цивилизованного человека, который производит своим трудом гораздо больше продукции.

Анализируя работу человечества, Подолинский обнаруживает то, что Саади Карно назвал совершенной машиной, способной подавать себе необходимую тепловую энергию в топку и превращать тепло топки в работу. Поэтому мы должны заключить, что примитивный человек с его КПД около 1/5, как машина менее совершенен, чем цивилизованный человек, который имеет КПД только 1/10. Примитивный человек использует только бесплатные дары природы, а человек цивилизованный удовлетворяет почти все свои потребности с помощью мощных технических средств, в которых воплощена научная мысль человека. Это даёт возможность человечеству не только аккумулировать энергию на Земле, количество которой в тысячи раз превосходит силу его мускулов, но и обеспечить более высокие темпы роста свободной энергии. Человек, перерабатывая материальные потоки вещества и энергии, увеличивает скорость протекания процессов жизнедеятельности, а, следовательно, и скорость или темпы роста свободной энергии биосферы, обеспечивая неубывающий рост возможностей разума в окружающем мире. Этим определяется место труда и разума в естественно-историческом процессе эволюции биосферы.

Окончание второй части триптиха авторов.

В третьей части будут изложены следующие вопросы:

1. Проявление законов в развитии человечества;

2. Динамика мощности биосферы - человечество;