Диссипативная структура — структура живых систем

Описывая паттерн жизни как автопоэзную сеть, Матурана и Варела делают основной акцент на организационной закрытости этого паттерна. Когда структуру живой системы описывает Илья Пригожин, он, наоборот, уделяет главное внимание открытости этой структуры потоку энергии и материи. Таким образом, живая система как открыта, так и закрыта — она открыта структурно, но закрыта организационно. Через систему непрерывно протекает поток материи, но она поддерживает устойчивую форму и обеспечивает это автономно посредством самоорганизации.

Чтобы подчеркнуть это кажущееся парадоксальным сосуществование изменений и устойчивости, Пригожин ввел термин «диссипативные структуры». Я уже упоминал, что не все диссипативные структуры являются живыми системами, и, чтобы наглядно показать сосуществование непрерывного потока и структурной устойчивости, удобнее обратиться к простым, неживым диссипативным структурам. Одна из простейших структур такого типа — завихрение в потоке воды, например, водоворот в сливном отверстии ванны. Вода непрерывно проходит сквозь водоворот, и все же его характерная форма, хорошо известные спирали и сужающаяся воронка остаются замечательно устойчивыми (рис. 7-4). Это — диссипативная структура.

Более близкое рассмотрение источника и прохождения такого водоворота вскрывает ряд достаточно сложных феноменов". Представьте себе ванну с неглубокой и неподвижной водой. Когда сток открывается, вода начинает вытекать, образуя радиальный поток в направлении стока и ускоряясь под влиянием гравитационной силы по мере приближения к сливному отверстию. Таким образом, устанавливается плавный, единый поток. Однако плавное состояние потока удерживается недолго.

Рис. 7-4 Воронка при сливе воды в ванной

Мелкие нерегулярности в движении воды, движении воздуха над поверхностью воды и возмущения в трубе стока приведут к тому, что с одной стороны стока окажется немного больше воды, чем с другой, и тогда в потоке появляется вихревой, круговой компонент движения. По мере того как частицы воды движутся вниз в направлении стока, их радиальная и круговая скорости нарастают. Радиально они ускоряются под действием силы гравитации, а скорость вращения возрастает оттого, что уменьшается радиус вращения: так фигуристка ускоряет обороты, прижимая руки к телу при выполнении пируэта¹². В результате частицы воды движутся вниз по спиральным траекториям, образуя сужающуюся трубку линий потока, известную как воронка.

Так как основной поток все еще радиален и направлен к центру, воронка непрерывно сдавливается под напором воды со всех сторон. Это давление уменьшает ее радиус и еще больше ускоряет вращение. Используя язык Пригожина, можно сказать, что вращение вносит неустойчивость в изначально однородный поток. Сила тяготения, давление воды и постоянно уменьшающийся радиус воронки — все это, вместе взятое, непрерывно ускоряет вихревое движение жидкости.

Это беспрерывное ускорение завершается, однако, не катастрофой, а новым устойчивым состоянием. По достижении определенной скорости вращения в игру вступают центробежные силы: они отталкивают воду от стока по радиусу. Как результат, на изначально плоской поверхности воды над стоком образуется углубление, которое быстро превращается в воронку. В конце концов внутри водоворота формируется миниатюрный воздушный торнадо, а на водной поверхности воронки возникают достаточно сложные нелинейные структуры — барашки, волны и завихрения.

Через некоторое время сила тяготения, влекущая воду вниз в направлении стока, давление воды, направленное внутрь потока, и центробежные силы, расталкивающие поток в стороны, уравновешивают друг друга; устанавливается устойчивое состояние, в котором тяготение поддерживает поток энергии высокого уровня, а трение рассеивает некоторую небольшую ее часть. Действующие силы теперь взаимосвязаны через самобалансирующиеся петли обратной связи, которые обеспечивают устойчивость структуре водоворота в целом.

Подобные высокоустойчивые диссипативные структуры образуются иногда во время грозы при особых атмосферных условиях. Ураганы и торнадо представляют собой вихри бешено вращающегося воздуха; они могут перемещаться на огромные расстояния и высвобождать разрушительные силы, не проявляя значительных изменений в структуре своего вихря. Подробности процессов в этих атмосферных вихрях гораздо богаче, чем в случае воронки воды в ванной, поскольку здесь появляется несколько новых факторов — разница температур, расширение и сжатие воздуха, эффекты влажности, конденсация и испарение и т. п. Соответственно, гораздо более сложными и разнообразными, чем в водоворотах, оказываются структуры воздушных вихрей и режимы их поведения. Грозы могут превращаться в диссипативные структуры характерных размеров и форм; при особых условиях некоторые из них даже разделяются на два отдельных урагана.

Метафорически мы можем представить себе и живую клетку как некий вихрь, т. е. устойчивую структуру, которую постоянно пронизывает поток материи и энергии. Но силы и процессы, действующие в клетке, совершенно другие и гораздо более сложные, чем в вихре. Если балансирующие силы в вихре имеют механический характер, причем доминирует сила тяготения, то соответствующие силы в клетке — химической природы. Точнее говоря, именно каталитические петли в автопоэзной сети клетки действуют как самобалансирующиеся петли обратной связи.

Подобным же образом, источник неустойчивости в водовороте носит механический характер и возникает как следствие начального вращательного импульса, а в клетке существуют различные типы неустойчивости, и их природа — химическая, а не механическая. Они тоже берут начало в каталитических циклах, составляющих главную особенность всякого метаболического процесса. Важнейшим свойством этих циклов является то, что они действуют не только как самобалансирующие, но и как самоусиливающие петли обратной связи, способные толкать систему все дальше и дальше от равновесия, пока она не достигнет порога устойчивости. Этот порог называется тонкой бифуркации, или точкой неустойчивости; в таких точках могут спонтанно возникать новые формы порядка, полагая начало развитию и эволюции.

Математически точка бифуркации представляет резкое изменение траектории системы в фазовом пространстве¹³. Внезапно может появиться новый аттрактор — и поведение всей системы идет в новом направлении. Тщательное изучение Пригожиным точек бифуркации выявило еще некоторые замечательные свойства диссипативных структур, о чем пойдет речь в следующей главе¹⁴.

Диссипативные структуры, формируемые водоворотами или ураганами, могут поддерживать свою устойчивость лишь до тех пор, пока через структуру проходит устойчивый поток материи из окружающей среды. Точно так же, живая диссипативная структура, например организм, нуждается в постоянном проходящем сквозь систему потоке воздуха, воды и пищи из окружающей среды, чтобы оставаться живой и поддерживать свой порядок. Обширная сеть метаболических процессов поддерживает систему в далеком от равновесия состоянии и, через содержащиеся в ней петли обратной связи, вызывает бифуркации, обеспечивая тем самым развитие и эволюцию.