Убедиться в справедливости этого положения можно на примере динамики экономизации энергетических трат при выполнении физических упражнений по мере совершенствования мастерства спортсмена. Эта экономизация реализуется не только за счет физических качеств приспособления и совершенствования биохимических процессов и различных функций организма, но и технико-тактического мастерства. Это обстоятельство имеет чрезвычайное значение для того свойства стационарного состояния, которое можно назвать аутостабилизацией. Аутостабилизация стационарного состояния лежит в основе обратной связи, обязательной для всех существующих в природе форм регуляции и саморегуляции. Она обеспечивает как стационарное, так и вещественное и термодинамическое неравновесное состояние открытых систем, т. е. гомеостаз. Например, концентрация тех или иных веществ и открытых системах (в данном случае в живых организмах, см. рис. 10) существенно отличается от таковой в окружающей среде (в том числе и в поглощаемой пище). Причем концентрация веществ в организме достаточно постоянна, несмотря на весьма существенные изменения ее в окружающей среде. Такое свойство называется эквифинальностью. Удивительным примером эквифинальности открытых неравновесных живых систем является факт довольно длительного сохранения в них нормального содержания и соотношения различных химических веществ не только в условиях ограничения или избытка питания, но и при полном голодании. Нарушение состава химических веществ развивается сравнительно медленно, а для белкового обмена существенное нарушение наступает практически накануне гибели биологической системы. Следовательно, для того чтобы открытая система нарушила свою эквифинальность, вещественно-термодинамическую неравновесность, асимметричность со средой, недостаточно просто воздействия внешних сил. Необходимо, чтобы эти силы достигли такого критического уровня, при котором система не могла бы сопротивляться воздействиям, т. е. утратила бы свойство неравновесности, эквифинальности.

На основании изложенного можно определить важнейшее свойство неравновесных систем — пороговость. Оно заключается в том, что для изменения состояния неравновесности системы в отличие от стационарного состояния необходима критическая сила — порог воздействия. Под влиянием порогового и тем более сверхпорогового воздействия неравновесное состояние биосистемы может быть сведено к нулю, что означает гибель ее; может также возникнуть и качественно новое, иногда прямо противоположное, неравновесное состояние. Например, потенциал действия, при котором соотношение ионов К+ и Na+ на поверхностях мембраны становится обратным соотношению, характерному для условий потенциала покоя. По существу потенциал действия — это трансформированный под влиянием порогового раздражения потенциал покоя. Смена состояний неравновесности ионов имеет пространственно-временные промежуточные стадии. Для приведенного примера такой стадией будет местный потенциал.

Противоречит ли свойство пороговости неравновесных состояний свойствам беспороговости и индискретности стационарных состояний открытых систем? Разумеется, нет. Эти свойства тесно взаимосвязаны и взаимопереходящи (потенциал покоя — местный потенциал — потенциал действия — местный потенциал — потенциал покоя). Между ними имеются качественно-количественные различия в динамике развития какого- либо процесса, возникающего или существующего во взаимоотношениях открытой системы со средой.

Резюмируя, приходим к следующим выводам.

  1. Все закрытые системы, кроме вселенной, идеальны.
  2. Все реальные системы, кроме вселенной, открытые.
  3. Все открытые системы стационарны.
  4. Все открытые системы неравновесны.
  5. Для каждой открытой системы присуща специфическая стационарность и вещественно-термодинамическая неравновесность, отличающая ее от всех окружающих, в том числе и от себе подобных, систем.
  6. Стационарные состояния, которые способна приобретать открытая система, характеризуют возможности ее адаптировать свое поведение во взаимоотношениях со средой.
  7. Во всех случаях открытая стационарная неравновесная система стремится к минимально возможному приращению энтропии.

Противоречат ли свойства неравновесности и стационарности открытых систем второму закону термодинамики, требующему всеобщего уравновешивания и максимума энтропии? Формально противоречат, так как открытые неравновесные стационарные системы и особенно биологические ведут себя внешне явно антиэнтропийно. Следует ли из этого, что живые организмы не накапливают энтропию, а напротив, негэнтропичны, т. е. являются накопителями, а возможно и продуцентами свободной энергии? Нет, не следует: как было отмечено, живые организмы постоянно находятся в «долгу» у природы, поддерживая свой высокий энергетический потенциал, и это заставляет их сопротивляться фатальной силе второго закона термодинамики. Однако сопротивляться — не значит не подчиняться. Живые организмы не могут уйти из сферы влияния второго закона термодинамики. Они лишь в состоянии продлить или сократить свое существование. В этом отношении огромную роль на уровне человека играют социально-экономические факторы, и среди них физическая культура и спорт занимают не последнее место. «Индивидуальная жизнь, ее зарождение, детство, юность, зрелость — это как бы перерывы в непрерывности действия принципа энтропии, но старость и смерть все же отражают именно этот принцип, его индивидуальный вариант. Старость — это рассеивание или нейтрализация энергии, невозможность метаболических или трансформированных процессов на высоком биологическом уровне. Старость — это начало процесса индивидуальной энтропии, завершение этого процесса — биохимические превращения и молекулярный распад — является необходимой прелюдией развития новой жизни» (И. В. Давыдовский, 1966). Как, в каком темпе и качестве совершится эта непременная цепь событий для человека — дело разума самого человека!

Итак, с позиции физики, в частности с позиции второго закона термодинамики, все живое действительно не только подчиняется, но и сопротивляется этому закону. Чем дольше сохраняется такая способность, тем более продолжительна и относительно «независима» жизнь животных и растений в неблагоприятных условиях. Таким образом, живые существа действительно подчиняются всеобщему закону биологии — принципу устойчивого неравновесия живых систем, основным выражением которого является способность живых объектов сохранять свой гомеостаз.

Источники и литература

  • Логинов А. А. Очерки по общей физиологии. Основные свойства и закономерности живых систем. Минск, «Вышэйш. школа», 1976.