Пассивные связи скелет, границы, сети

Заметки об общей теории эволюции систем

     В предыдущей заметке говорилось, что внутренние пассивные связи высвобождают энергию. Это, по сути, и делает возможным существование систем, обеспечивает их устойчивость. Хотя росту сложности сопутствует увеличение удельного энергетического потока (показателя Чейссона Фm), энергия каждой отдельной связи падает: сильное взаимодействие, определяющее связи квантового уровня, мощнее электромагнитных сил, склеивающих молекулы; им уступает гравитация, связывающая космические системы. Биологические связи слабее гравитации, а социальные устои слабее инстинктов животных. Но падение энергии связей компенсируется в сложных системах их удельной плотностью, быстро растущей со сложностью. Проследим некоторые другие особенности  отдельных классов пассивных связей.
     Единство систем опирается на тот или иной стержень, фундамент или скелет. Фиксируя положения подсистем, они гарантируют упорядоченность, присущую данной системе. Другим важным классом связей являются дороги, каналы, сети – связи в самом прямом смысле слова, соединяющие части системы. Это пассивные связи высшего уровня, они обеспечивают или облегчают возможность действия активных связей, ради которых и создаются. К этому классу относятся и капилляры, удивительные движители без моторов, обеспечивающие циркуляцию жидкостей во всех растительных и животных организмах.
     Но основной класс составляют связи типа границ, о которых стоит поговорить подробнее. С ростом энергетических запасов  растёт разность потенциалов, как между системой и средой, так и между частями системы. Это приводило бы к быстрому росту энтропии, если бы не разделители – границы и иные ограничения.
     В 1871г. Дж. К. Максвелл предложил мысленный эксперимент: разделить систему перегородкой с небольшим отверстием и поставить возле него "демона", сортирующего частицы так, чтобы с одной стороны собирались быстрые,  а с другой – медленные. В результате энтропия должна снижаться (для этого нужен не только активный демон, но и пассивная перегородка). Однако, как показал Л. Бриллюэн, демон произведёт её больше, чем ликвидирует (см., например, [Чернавский, 2016, с.32]).
     А что будет, если систему, содержащую элементы разных видов, разделить глухой перегородкой? Известен  парадокс  Дж. Гиббса, который Чернавский описывает так: «В случае, если в начале в разных отсеках частицы смешаны равномерно и концентрации их одинаковы, то после удаления заслонки концентрации не изменятся (хотя сам процесс перемешивания конечно произойдёт). Энтропия системы в этом случае не изменится» [там же, с.62]. Если же концентрации их различны, энтропия системы увеличится на величину энтропии смешения, не зависящую от различия концентраций. То есть ничтожное изменение концентрации приведёт к скачку энтропии, а при дальнейшем росте различий энтропия меняться не будет. «Отсюда следует, что энтропия смешения - понятие условное (равно как и энтропия в целом)» – делает вывод Чернавский.
     Но парадокс Гиббса основан на искусственном предположении о наличии в  системе и одинаковых, и различных частиц. Если все частицы одинаковы (например, в фотонном газе разных фотонов нет), энтропия смешения равна 0. Если же все частицы различны (например, их можно перенумеровать), энтропия смешения будет всегда. Это значит, что, по меньшей мере в биологических и социальных системах, элементы которых уникальны, границы всегда замедляют рост энтропии. Более того, рост энтропии замедляется уже в силу того, что границы могут прекращать процессы и уменьшать потоки энергии. В термодинамике говорят о росте энтропии в замкнутых или изолированных системах лишь потому, что в них он не зависит от посторонних факторов – с ними проще разбираться. Но в открытых системах, где нет границ, энтропия растёт гораздо быстрее. Смысл карантинов, сейфов и шуб именно в том, что изоляция уменьшает рост энтропии.
     Разделение большой системы на отграниченные подсистемы даёт сокращение энтропии, растущее с численностью элементов. Энтропия системы, состоящей из изолированных подсистем, всегда меньше энтропии неразделённой системы. Это отлично знают политики, действующие по принципу «разделяй и властвуй», строители и теплотехники, использующие пористые материалы для теплоизоляции и пр.
     Как выяснили биологи, из-за отсутствия границ в "первичном бульоне" из простейших РНК, белков и нуклеотидов жизнь развиваться не могла. Дело в том, что для копирования молекулы РНК должны получать упорядоченную, а не случайную смесь нуклеотидов. Выручали тонкие слои глины, служившие, вероятно, ограждением, за которым две молекулы РНК могли уединиться и провести упорядоченное копирование. Успешные РНК делали свои копии, а неудачные не могли [Никитин, 2018, гл.6].
     Сам процесс создания перегородок, как и любых пассивных связей, безусловно, требует затрат энергии и увеличивает энтропию; неправильная конструкция или неверное расположение могут снизить их эффективность и привести к большим затратам на эксплуатацию, но если всё сделано верно, длительное использование позволяет многократно окупить любые расходы.
     Границы не только защищают от внешней энтропии. Если силовое поле действует по обе стороны границы, то на ней может возникнуть разность потенциалов, как, например, в электрическом конденсаторе или на створе речной плотины. Тогда преодоление границы запускает пиковый или стабильный кооперативный процесс (см. следующую заметку), который может использоваться для восходящего развития или стабильного существования.
     Ограничения могут создаваться также полями и регулярными активными связями. Так, сильное, электромагнитное и гравитационное взаимодействия порождают центростремительные силы, фиксирующие границы систем изнутри, а два первых не допускают и слипания частиц, т.е. удерживают границы и снаружи. Благодаря существованию этих границ вещество имеет атомарное строение, светят звёзды, действуют законы химии и создаются предпосылки для возникновения жизни.
     Но многие неорганические процессы и явления никак не разграничены между собой, и именно поэтому фиксация и накопление информации в них невозможны. В органическом мире и социуме границ гораздо больше. И клетки, и все органеллы в них окружены мембранами, роль которых подобна роли демонов Максвелла – они должны различать входящие и выходящие молекулы, одни пропускать, другие нет. Разумеется, при этом создаётся дополнительная энтропия, но живые организмы имеют запас энергии, достаточный доя оплаты этой работы. Зато внутрь не попадают "нарушители", способные дезорганизовать работу клетки. Кора и кожа, гнёзда и норы, стены и иные сооружения, одежда и обувь защищают животных и людей, сокращая поток энтропии извне. Мораль и право ограничивают энергию взаимодействий в социуме, именно в той части, которая могла бы увеличить его энтропию.
     Сознание не было бы возможным без разграничений. Каждое слово имеет особый смысл, отграниченный, за редкими исключениями, от смысла других слов. Это позволяет снизить энтропию мышления, перейдя от затратного конкретно-образного к сжатому и точному (хотя и неполному, сухому, обеднённому) абстрактно-логическому. Самым низким уровнем энтропии обладает предельно сухое научное, особенно математическое мышление, чему способствует строгое разделение понятий.
     Наличие границ любого рода обеспечивает, как мы видим, фиксацию, запоминание, а в их отсутствие происходит немедленное забывание. Но в условиях внешней нестабильности забывание иногда необходимо. Снижение энтропии из-за ограничений означает и уменьшение потенциальной информации. Ослабление внешних потоков замедляет рост функциональной сложности, которому способствуют случайные взаимодействия. Поэтому эволюция необходимо циклична: накопленная информация фиксируется границами, но для дальнейшего развития требуется выход за пределы, иногда невозможный без их разрушения. Этим, в частности, определяется неизбежность смены поколений: новая система (вид, организм, институт, теория и т.п.) легче преодолевает накопленные ограничения, чем старая, их создавшая или к ним приспособившаяся.

Выводы:

- Пассивные связи могут высвобождать, собирать и сохранять энергию, обеспечивая этим существование систем. Представляя собой актуализированную ранее информацию, они способствуют накоплению разности потенциалов, замедляют рост энтропии, обеспечивают фиксацию новой информации;

- для дальнейшего роста функциональной сложности необходим циклически действующий механизм создания и преодоления границ, как правило, требующий замены устаревших систем новыми.


Другие заметки об общей теории эволюции систем:
Введение в общую теорию эволюции систем (http://proza.ru/2020/06/16/1776)
Эволюция и энтропия. «Тепловая смерть» Вселенной (http://proza.ru/2020/06/16/1790)
Э.Шрёдингер и эволюция, С. Хайтун и беспорядок   (http://proza.ru/2020/06/17/11)
Что такое информация? Взгляд эволюциониста (http://proza.ru/2020/06/17/33)
Ценность информации.Целеполагание произвольной системы (http://proza.ru/2020/06/17/36)
Что такое сложность? Взгляд эволюциониста(http://proza.ru/2020/06/17/47)
Зачем зажигают звёзды или энергетика связей (http://proza.ru/2024/04/26/1135)
Пассивные связи: скелет, границы, сети...  (эта заметка)
Активные связи. Кооперация и конкуренция (http://proza.ru/2020/06/17/54)
Из чего состоит и куда идёт эволюция?(http://proza.ru/2020/07/23/700)
Общая теория эволюции систем. Некоторые итоги  (http://proza.ru/2020/06/17/73)

Литература:

Никитин, М. 2018, «Происхождение жизни. От туманности до клетки». М., Альпина нон-фикшн. url: https://ours-nature.ru/lib/b/book/2929307426

Чернавский, Д.С., 2016, «Синергетика и информация: Динамическая теория информации»  Изд. 5-ое, М., ООО "Леннанд".