Обратимые и необратимые процессы в природе.                                        Понятие энтропии.

  "Естественная природа воды  -

   быть мокрой и течь вниз,

   а  естественная природа огня –

   гореть и подниматься вверх”    

              Древнекитайская мудрость.           

  Как следует  из эпиграфа, еще китайские мудрецы понимали, что в природе существует некая предопределённость   процессов и преобразований. 

Многие проблемные аспекты феномена жизни,  живого   связаны с тем, что жизнь существует вопреки этой предопределённости.

      При   разработке теории тепловых двигателей в 19в. было установлено, что тепловые процессы имеют определённую направленность, заложенную в самой природе вещей. Они  идут сАМОПРОИЗВОЛЬНО, НЕОТВРАТИМО, НЕОБРАТИМО. Позднее стало очевидно, что  именно ТАКОВЫМ  является естественный ход всех природных процессов. Оказалось, что  процессы в природе протекают только в одном определённом направлении, а в обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут. Так, тепло всегда переходит от горячего тела к холодному; газ, просочившийся из баллона, никогда самопроизвольно не сконцентрируется там обратно; камень упадёт вниз, но не взлетит обратно, вода всегда потечёт вниз, органическое вещество  когда-то превратится в минеральное.

   Особо отметим такое свойство самопроизвольных процессов, как  их неотвратимость: как бы мы ни старались сохранить горячим чай, помещая его в термос, он всё равно остынет, т.к. процесс выравнивания температур, перетекания тепла к менее нагретым объектам неотвратим, как неотвратимо и разрушение органического вещества.

   Принципиально важной особенностью таких естественных, самопроизвольных процессов является, как оказалось, ещё то, что они всегда ведут к упрощению, старению системы, к её разрушению. Из своего жизненного опыта мы знаем, что всё, предоставленное самому себе, постепенно стареет, приходит в беспорядок, портится, разрушается....

   Для определения степени того, насколько  эти самопроизвольные процессы состарили, упростили, испортили систему,  в физике стали использовать новый термин – энтропия.    

    ЭНТРОПИЯ  ХАРАКТЕРИЗУЕТ  СТЕПЕНЬ  ПРОСТОТЫ,    БЕСПОРЯДОЧНОСТИ ИЛИ ХАОТИЧНОСТИ СИСТЕМЫ в противоположность организованности и целесообразности. Чем более просто устроена система, тем выше уровень энтропии, а чем более она сложна, упорядочена, организована, тем энтропия ниже.

   Понятно, что любая система, сформированная вопреки самопроизвольным процессам, вынуждена постоянно противостоять этому  предопределённому самопроизвольному  ходу событий. Чем более сложно организована система ( т.е., чем ниже её энтропия), тем более катастрофичны могут быть последствия от не соблюдения условий, делающих возможным само её существование. Достаточно вспомнить события на Чернобыльской АЭС в мае 1986 года,  катастрофические события в Краснодарском крае летом 2012 и на Дальнем Востоке летом 2013 годов или ежегодные лесные пожары. Почему человек бессилен перед подобными стихиями? Потому что эти процессы отвечают естественному, самопроизвольному ходу событий. Горит лес, (углерод из вынужденного соединения с водородом в составе древесины  самопроизвольно переходит в соединение с кислородом в составе СО₂), прорвало плотину (естественная природа воды взяла верх над преградой), реактор вышел из-под контроля – власть взяла энтропия. Её называют иногда всепоглощающим монстром. Ещё говорят, что человек всю жизнь борется с энтропией.

   Потому понятие энтропии и проникло в биологию, что живые организмы и системы существуют вопреки самопроизвольному, естественному ходу событий. Они являются низкоэнтропийными (не самопроизвольными), сложно организованными структурами.  По степени сложности своей организации живые организмы находятся на принципиально ином уровне, чем любая самая сложная электронная система, созданная человеком. Возьмём, к примеру, такой аспект, как постоянное обновление белковых и иных молекул в клеточных структурах. Время жизни молекулы в клетке колеблется от 20 до 60 секунд. Как ни парадоксально, но разрушение (сопряжённое с последующим созиданием) является главным условием жизни. Засушенный лист тем и отличается от живого, что молекулы его клеток уже не обновляются, всё время оставаясь теми же самыми. Представим теперь, возможно ли создать механизм, детали которого будут ежеминутно разрушаться и воссоздаваться, и мы почувствуем пропасть между творениями природы и творениями человека даже с точки зрения одного рассмотренного аспекта. (Показательно в этом отношении cомнение великого датского физика Н.Бора: “…. можно ли, вообще, понять тенденцию к созданию таких образований, через которые на протяжении ограниченного времени «протекает» материя с весьма определёнными и сложными химическими свойствами?”  Часть и целое. В.Гейзенберга. стр. 101)

   Именно здесь наиболее чётко можно провести грань между живыми и косными системами:  

  Чрезвычайно низкий уровень энтропии – это важнейшая отличительная характеристика живого. А как следствие – чрезвычайная уязвимость живых систем и абсолютная зависимость от факторов, делающих возможным само их существование. Для примера сравним робота и человека.                          

· Отключение от источника питания не угрожает механизму, но гибельно для человека

· Самые резкие колебания давления, температуры порой не опасные для одного, могут быть опасны и губительны для другого.

·  Состав воздуха, гибельный для человека (например, атмосфера угарного газа, отравляющих веществ, бактериологического оружия), безвреден для механизма.                                                                              

Таким образом, мы узнали, что:

• энергетические процессы в природе изначально имеют определённую направленность и всегда ведут к переходу систем в более простое, хаотичное состояние.                           

• степень простоты, беспорядочности, хаотичности системы характеризуется понятием энтропии.                                       

• Все биологические структуры и системы, существуя вопреки самопроизвольному ходу  событий,  обладают чрезвычайно низким уровнем энтропии и находятся в абсолютной зависимости от факторов, обеспечивающих их существование. К таким факторам относится в первую очередь энергетический.

   Энергия необходима и для создания, и для запуска биологических процессов и систем, и для их поддержания. Механизмом, через который энергия целенаправленно и непрерывно поступает в организм Биосферы, является ФОТОСИНТЕЗ, – первичный антиэнтропийный фактор, который заставляет бессмысленно рассеивающуюся солнечную энергию совершать полезную работу по построению органического вещества Биосферы.

Рекомендованная литература

1.     Естествознание. 10 класс. под ред.  Алексашиной И.— М.: Просвещение 2007.

     2.  Мякишев Г., Буховцев Б. и др. Физика. 10 класс. — М.:Просвещение. 2004.

     3.  Философский энциклопедический словарь. —  М.: Советская энциклопедия. 1983.

4.  Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики. — Москва-Ижевск: РХД. 2001.