Самоорганизация в неравновесных системах - Николис Г.
Скачать (прямая ссылка):
Несомненно, что определение структуры биологических макромолекул и открытие генетического кода решили значительное
Введение
29
число проблем в биологии, а также помогли поставить ряд задач на более твердую н конкретную основу. Однако Пцлшпин-ство этих задач относится к внутриклеточным явленням на ферментативном или генетическом уровнях. Рассмотрим теперь другой тип явлений, таких, как развитие оплодотворенного яйпа до взрослого организма, функционирование мозга высших млекопитающих, иммунный ответ организма высших позвоночных или главную проблему биолої ни — эволюцию бщщо.чимеров п происхождение жизни. Во всех этих случаях общим является макроскопическое, надмолекулярное (и даже над клеточное) проявление цепи событий, зарождающихся на уровне отдельных молекул.
При поиске новых концепций н новых идей полезными здесь могут оказаться физика и физическая химия. В самом деле, для этих наук характерна взаимосвязь между макроскопическим уровнем описания и свойствами отдельных атомов, причем эта связь настолько органична, что объяснение наблюдаемых свойств макроскопических тел (теплоемкости, теплопроводности и т. д.) через свойства атомов и их взаимодействия стало предметом изучения статистической механики отдельной области физики. Дли нас одним из наиболее важных выводов, полученных при такого рода анализе макроскопических систем, является гот факт, что при макроскопическом описании возникают' некоторые новые качественные аспекты- Рассмотрим, например, прохождение тепла через слой жидкости, к которому Приложена разность температур AT. Все частицы жидкости участвуют в неупорядоченном тепловом движении. Тем не менее в целом за счет наложенных на систему внешних условий через жидкость проходит макроскопическое количгсто энергии, в хорошем приближении пропорциональное Л Г. Естественно, что такие макроскопические свойства прекрасно согласуются с микроскопическими законами движении отдельных частиц. Другое дело, что описание на микроскопическом уровне становится неадекватным, коль скоро рассматриваемые явления характеризуются достаточно большим масштабом.
Наш подход к изучению биологических » других сложных Систем осуществляется в точном соответствии с изложенным выше положением. Чтобы установить аналог упочщпаишегося выще понятия «микроскопический уронень», сначала обсуж-йяются результаты молекулярной биологии. Долее рассматриваются крупномасштабные явления, я также поеіроеппе моделей, содержащих несколько переменных, каждая из которых относится к особому молекулярному событию. Мы пытаемся Получить удовлетворительное описание ряда макроскопических свойств живых систем, отряжающее влияние таких факторов, как размер, геометрия, граничные условия и т. д. (см. также
за
Глава 1
замечания в Общем введении). Подчеркнем, что сейчас эта программа стала достижимой благодаря бурному развитию молекулярной биологии.
Какие же средства будут использоваться для реализации этой программы? естественно, наш основной постулат состоит в том. Что все жизненные явления могут изучаться с учетом физических законов, справедливых как в нелинейных системах, так и в условиях сильной неравновеепоети. Кроме того, уже сам тот факт, что мы интересуемся моделированием макроскопических явлений, позволяет ввести наиболее существенное упрощение, согласно которому при описании системы можно ограничиться небольшим числом наблюдаемых переменных, таких, как концентрации химических компонентов клетки (р)1-",р.ч) И температуря Т, не учитывая более тонкие характеристики тина распределенни мгновенных значений скоростей или взаимного расположения молекул.
Таким образом, наша нель — объяснить биологическую упорядоченность, ограничиваясь законами физики, т. е. но существу законами термодинамики Как обычно, однако, эти законы необходимо дополнить уравнениями, описывающими эволюцию во времени макроскопических переменных типа р,, ,.., рч и Т. Обоснование этих уравнений, рассматриваемых подробно в гл. 2, 4 и части II. выходит за рамки данной книги, поскольку чтот вопрос является типичной задачей статистической механики. В общем случае эти уравнения имеют следуютцип вид:
^Г-ЬШ -----т. ?Т, *'а7\ -•-), (1.0
где в наиболее общем случае Г, — нелинейный функционал соответствующих переменных. Типичными примерами таких уравнении являются уравнения, вытекающие из законов сохранения вещества, энергии, колшестна дннження и т. д. Эти уравнения описынают временную эполюцяю только средних значений. Помимо средних, часто приходится обсуждать флуктуации макро-переменных. Соответствующий математический аппарат излагается в части Ш,
Определив свою точку зрения, возвратимся несколько назад н проанализируем в свете изложенного некоторые новые аспекты, которые читатель может встретить в книге. Нам хотелось бы, используя законы физики макромира, объяснить происхождение и поддержание чрезвычайно тонкой упорядоченности, характеризующей живые существа. Отметим, что большинство физиков всегда непоколебимо верили в то, что эволюция физико-химической системы должна ней шенпо приводить \: равновесному состоянию, полностью ке упорядоченному кт молекулярном уровне.
