ФИЗИКА ЖИЗНИ

Жизнь - процесс сохранения неравновесного состояния органической системы извлечением энергии из окружающей среды.

Основная идея Шредингера заключалась в том, что «живая материя уклоняется от деградации к равновесию». 

Но равновесие в изолированной, замкнутой системе характеризуется в рамках классической термодинамики максимумом энтропии. Значит, если система «уклоняется» от равновесия, то она должна постоянно компенсировать производство энтропии какой-то энергией, с точки зрения физики - своей свободной энергией:

F=U-TS

где F - свободная энергия, S - энтропия, U - внутренняя энергия системы, TS - связанная энергия. 

Из этого следует, что энергия состоит из свободной и связанной энергии.

Как нам известно из физики, все превращения энергии описываются термодинамическими законами, которые при правильно сформулированных физических ограничениях и адекватных физических моделях применимы и для жизненных процессов. 

Уже из выше приведенного простого физического соотношения, вытекает представление, что уменьшение энтропии (возникновение отрицательной энтропии - негэнтропии, по Шредингеру) в живом организме при взаимодействии его с окружающей средой связано с ростом свободной энергии. А термодинамика говорит, что увеличение свободной энергии происходит с упорядочением системы, ее усложнением и отклонением от равновесия.

Сам Э.Шредингер считал, что живые организмы «извлекают упорядоченность из окружающей среды», питаются структурированной, упорядоченной пищей, а отдают природе менее структурированные «отходы производства» своей жизнедеятельности. 

Биологи это общее положение развивают как возникновение специфической упорядоченности для разных видов животных. Сначала поступающая пища расщепляется до низкомолекулярных веществ: аминокислот, углеводов, сахаров и т.д., общих для всей живой природы, а затем за счет поглощения энергии извне из «элементарных кирпичиков» жизни организмы строят присущие лишь им белки. Поэтому каждому организму и характерна неповторимая, именно ему присущая комбинация белковых молекул, своя специфичная упорядоченность.

Энтропия выступает как мера хаоса, неопределенности усреднения поведения объектов, установления стабильного состояния и даже определенного единообразия. 

Надо отметить, что простые примеры из жизни биологических объектов показывают, что они не хотят подчиняться термодинамическому закону для изолированных систем. Одним из биологических законов развития является как раз разнообразие видов и разновидностей различных организмов, что неумолимо должно приводить к уменьшению энтропии в живых системах. 

Кстати, гипотетическое появление белой вороны в стае черных также означает уменьшение энтропии стаи. А увеличение неопределенности в статистических хаотических состояниях с максимальной энтропией - враг номер один для человека: возникают психическая напряженность, дискомфорт, неудовлетворенные потребности, отрицательные эмоции. 

Поэтому наш организм и стремится минимизировать именно энтропию. 

"Принцип производства минимума энтропии Гленсдорфа - Пригожина" - в стационарном состоянии производство энтропии внутри термодинамической системы при неизменных внешних параметрах является минимальным и постоянным. Если система не находится в стационарном состоянии, то оно будет изменяться до тех пор, пока скорость производства энтропии, или, иначе, диссипативная функция системы не примет наименьшего значения.

Неустойчивость становится одним из главных факторов развития самоорганизующихся систем, в том числе и биологических. Она началась из хаотического состояния, но законы неравновесной термодинамики привели ее к направленному ходу. Становление новых форм происходит тогда, когда система в ходе своих внутренних перестроек и усложнений приобретает признаки неустойчивости. 

Это приводит к качественным изменениям через точки бифуркации, и характер этого механизма именно нелинейный. Причем под неустойчивостью можно понимать и возникновение режимов сверхбыстрого нарастания развития («режимы с обострением») процессов с нелинейной положительной связью, а не просто попадание системы в точки бифуркации. 

Живой организм - это открытая система, но если ее рассматривать вместе с внешней средой, то они образуют общую закрытую систему, в которой в целом, согласно даже классической термодинамике, энтропия возрастает при усложнении живого. 

Физический закон сохранения энергии работает и здесь. 

В живом организме уменьшается энтропия при росте свободной энергии, которая нужна для энергетических процессов в нем, а в окружающей среде она растет. Закон сохранения энергии вместе с законом сохранения вещества определяют также постоянный круговорот веществ и энергии между неорганической (косной) и органической (живой) материей на Земле.

Таким образом, живая природа избегает повышения энтропии и повышает ее в окружающей среде при общении живого организма с ней. 

Энтропия - «омертвленная» энергия, которую нельзя превратить в работу. 

По законам классической термодинамики в изолированных системах тепло полностью не переходит в работу, оно рассеивается, т.е. процесс идет от порядка к хаосу. Для живых организмов как открытых систем, с физической точки зрения, акт творения живого будет состоять «в спонтанной трансформации тепловой энергии необратимых флуктуаций в целенаправленную механическую работу создания высокоорганизованной системы».

При всяком превращении энергии энтропия возрастает. 

Отсюда можно сделать два вывода: 

Первый - энтропия для живого организма не нужна, для выполнения его целевых функций нужна свободная энергия и он за нее «борется», а ненужную, бесполезную для него энтропию «сбрасывает» в окружающую среду. 

Второй - из этого же термодинамического подхода следует, что для выполнения любой работы необходим избыток энергии. 

Жизнь - это способность некоего фрагмента информации ("репликатора", information vehicle) к самокопированию с использованием ресурсов внешней среды. 

Следовательно: Оба эти определения можно сочетать через фреймируемое условиями окружающей среды (информацией о ее состоянии) поведение системы, направленное на поддержание неравновесного состояния, через обмен веществ (поддержание гомеостаза в обособленной системе). 

Именно в усложнении поведения по отношению к окружающей среде, необходимого для поддержания гомеостаза с окружающей средой в системе, из физических компонентов, связанных в своих изменениях причинно-следственными связями и состоит "повышение инормационной насыщенности системы", а так же и повышение интеллектуальности ее "пользователей".

В продолжение темы: Физика жизни.