1.4. Відкритість і стаціонарність системи

Відкритість системи. Будь-які перетворення системи потребу­ють від неї витрат енергії. Тим більш неминучі енергетичні ви­трати при трансформаціях так званого прогресивного типу (тоб­то від простого до складного, від нижчого до вищого і т.д.). Таким чином, розвиток також може трактуватися як процес накопичення і перетворення енергії.

Отже, для забезпечення свого розвитку будь-яка система має «вирішити» дві принципові проблеми. По-перше, вона повинна десь отримувати енергію. По-друге, вона має бути певним чи­ном внутрішньо структурована (організована). Ця організація має поряд з іншими забезпечити здатність накопичувати, закрі­плювати і перетворювати енергію. Усе це потрібно, у кінцевому рахунку, для здійснення тих самих незворотних, спрямованих і закономірних змін.

Шлях вирішення першої проблеми очевидний. Система має бути відкритою, тобто мати обмін із зовнішнім середовищем. Тільки за такої умови система може забезпечити приплив енергії.

28

Відкритість системи - це її здатність здійснювати обмін (мета­болізм) із зовнішнім середовищем.

Метаболізм (від грец. metabole - зміна, перетворення) - це обмін речовиною, енергією та інформацією системи з зовнішнім середовищем, а також окремих частин системи між собою. За­вдяки метаболізму система вилучає із зовнішнього середовища енергію чи енергонасичені речовини і скидає туди відходи своєї діяльності (у тому числі енергію та енергетично збіднені речо­вини). Крім того, завдяки тому ж метаболізму, але вже всере­дині самої системи (обмін між субсистемними утвореннями) від­бувається перетворення речовини і трансформація одних ви­дів енергії в інші.

Цифри і факти_____________________________________________

Метаболізм є основою життєзабезпечення живих істот. Завдяки метаболіз­му відбувається вся сукупність перетворень у живих організмах. Вони забез­печують ріст, життєдіяльність, відтворення, постійний контакт і обмін з навко­лишнім середовищем. Завдяки метаболізму відбувається розщеплення (ка­таболізм) і синтез (анаболізм) молекул, що входять до складу клітинних структур і міжклітинної речовини. Наприклад, у людини половина всіх тканин­них білків розщеплюється і відтворюється заново в середньому протягом 80 діб, білки печінки і сироватки крові наполовину оновлюються кожні 10 діб, а окремі ферменти печінки - кожні 2—4 години.

Метаболізм безпосередньо пов'язаний із процесами перетворення енергії: потенційна енергія хімічних зв'язків складних органічних молекул у резуль­таті хімічних перетворень переходить в інші види енергії, яка використовуєть­ся на синтез нових спопук, для підтримання структури і функцій клітин, тем­ператури тіла, здійснення роботи і т.ін. Для кожного біологічного виду хара­ктерний особливий, генетично закріплений метаболізм, визначений умовами його існування (Биологический, 1989).

Таким чином, відкритість системи та її метаболізм форму­ють енергетичний базис процесів розвитку.

Відкритість системи - основа її енергетичного забезпечення.

Значний час енергетична функція вважалася єдиноюфунк-цією обміну. Мало хто замислювався про мету існування самої системи і про глибинний зміст процесів її розвитку.

29

Примітка

І це справді так, якщо основною функцією існування системи вважати про­цес її матеріального нарощування. Згадаємо, як нас зважували на початку і наприкінці зміни в піонерському таборі. Вважалося, що місяць не минув для дитини марно, якщо приріст її ваги склав декілька сот грамів. У випадку ж, якщо збільшення ваги перевищувало кілограм, піонерське літо для щасливця можна було вважати абсолютно вдалим. Сьогодні всі розуміють наївність такого погляду. Кількісне збільшення кожного з параметрів системи не зав­жди означає поліпшення ЇЇ якісного стану. Це давно зрозуміли ті, хто ціною неймовірних зусиль сьогодні бореться (часто безуспішно) за те, щоб позбу­тися зайвих кілограмів своєї ваги.

Як бачимо, у світогляді людей відбувається еволюція погля­ду на співвідношення кількості і якості в системі.

Одним із перших на цю проблему звернув увагу Нобелівсь­кий лауреат Е. Шредінгер, коли у своїй лекції в 1944 році рап­том заявив, що біологічні істоти живляться «негативною ентро­пією». Інакше кажучи, вони вилучають із зовнішнього середо­вища порядок і експортують туди безладдя, що утворилося в їхньому організмі. По правді кажучи, навіть сьогодні це зву­чить, як мінімум, незвично, хоча і змушує замислитись...

У чому ж головна особливість погляду вченого? А в тому, що нарівні з матеріальними компонентами процесів обміну (тобто з речовиною та енергією) він запропонував враховувати також інформацію. Адже саме інформаційна характеристика системи є мірою її впорядкованості.

Про стаціонарність і гомеостаз. Іншу проблему, пов'язану з внутрішньою структуризацією системи та її самоорганізацією, природа вирішила на основі стаціонарності системи.

Стаціонарним станом у фізиці називають стан системи, при якому деякі істотні для характеристики системи величини не змінюються з плином часу. Для розглянутих систем, що са-моорганізуються, такою істотною характеристикою є рівень го­меостазу. Тільки при ньому система може існувати, залишаю­чись тим, чим вона є.

Приклад__________________________________________________

Лише при температурі тіла в межах 36,6 °С людина може існувати як біологі­чний організм. Відхилення температури тіла на кілька градусів у той чи інший бік є фатальним для відкритої стаціонарної системи за назвою «людина». Хоча межі цих припустимих змін у кожного організму можуть бути власними.

зо

Стаціонарний стан також називається динамічною рівнова­гою, чи квазірівноважним станом.

Примітка

Префікс «квазі-» (від лат. quasi - нібито, начебто) - частина складних слів, що означає «удаваний», «несправжній», «такий, що нагадує».

Стаціонарний стан, дійсно, лише зовні схожий на рівноважний. При остан­ньому, згадаємо, частки знаходяться у відносному спокої, і їх характеристи­ки тривалий час залишаються незмінними. У стаціонарному стані, хоча і до­сягається зовнішня подібність стійкого (незмінного) стану параметрів систе­ми, проте забезпечується це впорядкованим рухом, який ні на мить не при­пиняється. Саме він підтримує стійку різницю потенціалів: по-перше, між системою і середовищем; по-друге між окремими частинами самої систе­ми. Основна ж відмінність рівноважного і стаціонарного (квазірівноважного) стану системи полягає ось у чому. У рівноважній системі врівноважені між собою (за характеристиками параметрів) усі компоненти системи. У стаціо­нарній же системі всі компоненти знаходяться в стані стійкої иерівноваги по відношенню один до одного. Що ж тоді в системі урівноважене? Урівнова­жені сили впливу на кожний компонент системи (напр., підведення і відведен­ня тепла, підвищення і падіння тиску, ін.). Рівновага - але динамічна. Тому стаціонарний стан називають також стійкою нерівноважністю.

Стан стаціонарності системам вдається забезпечити завдяки підтриманню гомеостазу,

Гомеостаз (від грец. homoios - подібний, однаковий і statis - нерухомість, стан) - динамічна відносна сталість складу і вла­стивостей системи.

Гомеостаз необхідний системі з двох причин. По-перше, окремі складові ланки системи (її підсистеми) можуть функціо­нувати лише у відносно вузькому інтервалі своїх параметрів. По-друге (що безпосередньо пов'язано з першою причиною), для такого функціонування потрібне підтримання у відносно вузь­ких інтервалах різниці потенціалів як між системою і зовніш­нім середовищем, так і між окремими частинами системи.

Примітка__________________________________________________

При відхиленні параметрів системи від значень теоретичного оптимуму (це, зокрема, може відбуватися через зміну параметрів зовнішнього середови­ща) ефективність функціонування системи знижується. Чим більший інтервал відхилення, тим нижча ефективність. Якщо інтервал відхилення буде збільшу­ватися, система неминуче припинить своє існування (функціонування). При цьому події можуть розвиватися за одним із двох сценаріїв. Якщо параметри

31

середовища і системи значно нижчі від значень оптимуму, діяльність систе­ми блокується через брак енергії для підтримання функцій системи. Якщо параметри середовища і системи істотно перевищують значення оптимуму, система руйнується через перевантаження.

Про причини цього можуть якоюсь мірою дати уявлення два приклади, що випливають з однієї і тієї ж ситуації. Побутовий прилад, розрахований на напругу 220 вольт, включається в мережу з напругою: а) 110 в; б) 380 в. У першому випадку прилад працювати не зможе через недостатнє енергоза­безпечення. У другому прилад вийде з ладу. У кращому разі це відбудеться внаслідок руйнування запобіжного захисту; у гіршому - у результаті полом­ки самого приладу. Чому - пояснювати не потрібно.

Напруга у 220 В відображає оптимальне значення параметрів зовнішньо­го середовища для системи за назвою прилад. їй відповідає оптимальний внутрішній енергетичний стан приладу. А взаємозв'язок характеристик внут­рішніх складових припаду (потужність двигуна, параметри обмотки його ро­тора, опірність електропроводки тощо) і є тим, що можна умовно назвати гомеостазом системи «прилад». За визначенням (див. визначення гомеоста­зу) даний гомеостаз відрізняється від гомеостазу стаціонарних систем, що самоорганїзуються, тільки двома словами (за якими прихована глибока істо­тна відмінність). По-перше, розглянутий гомеостаз не є динамічним. (Зви­чайно, якщо ця технічна система не забезпечена засобами саморегулюван­ня і самоналагодження. Наш прилад не здатний змінюватися і є «застиглою» системою. Виходить, і його гомеостаз не може бути динамічним). По-друге, з цієї причини сталість складу і властивостей системи не може бути відно­сною. Вона абсолютно постійна, бо це задано ще виробником приладу. Розглянута система не в змозі реагувати на зміну умов зовнішнього середо­вища. Можна сказати, що гомеостаз приладу сталий, а природної системи — стійкий.

Фактично властивість стаціонарності є тим, що робить кож­ну природну систему системою, надає їй вигляду неповторності та самобутності. Кожний біологічний вид має сталість відміт­них ознак, що відрізняють його від інших видів, у тому числі: середні вага і ріст, склад крові та інших рідин, температура тіла тощо. Варіації цих параметрів відрізняють окремі особини все­редині виду.

Гомеостаз є феноменальним винаходом і витвором природи. Саме завдяки гомеостазу вдається забезпечити передумови не­зворотності та спрямованості перебігу фізико-хімічних процесів. Роль стаціонарності та гомеостазу в процесах існування і розвит­ку систем стає добре зрозумілою на прикладі живих організмів.

Власне, гомеостаз - це те, що робить будь-яке ціле, складене з частин (а саме такий первісний зміст терміна «система»), си­стемою, що самоорганізується.

32

Стаціонарність і гомеостаз системи забезпечують її стій­кість і самобутність.

Будь-який рух чи зміна можливі тільки там, де є різниця потенціалів: гравітаційних, фізичних, хімічних. Де існує від­мінність: рівнів висоти, температур, тисків, хімічних характе­ристик, електромагнітних потенціалів. Саме нерівноважність є рушійною силою будь-яких процесів, а отже, змін.

Не менш важливо, щоб ця нерівноважність була стійкою. Тобто, щоб різниця потенціалів відтворювалася постійно. При­чому важливо, щоб самі значення різниці потенціалів істотно не змінювалися. Саме за таких характеристик створюються най­більш сприятливі умови усталеності процесів, що протікають, їх безперервності, незворотності, спрямованості й ефективності з погляду витрат енергії.

Усе це в кінцевому рахунку визначає швидкість перебігу процесів і темпи змін, що відбуваються. За відсутності подібних умов, тобто за постійної зміни різниці потенціалів можливі не тільки коливання темпів перебігу процесів, але навіть повна зміна їх спрямованості, за якої розвиток блокується взагалі.

Примітка__________________________________________________

Уявимо собі, що може відбутися при зміні (збільшенні чи зниженні) значення будь-якого параметра системи на певну величину. В умовах динамічної рів­новаги системи (що передбачає урівноваженість дії різних сил) це може привести до порушення симетричності дії сил, що може змінити І спрямова­ність самих процесів. Скажімо, зниження рівня води в ріці може привести до того, що в неї спрямуються води інших джерел. На якийсь час може зміни­тися навіть звичайний напрямок течії ріки. Утім, подібному наслідку може передувати й інша причина. Відомі Санкт-Петербурзькі повені були викликані тим, що при сильних вітрах з моря швидкість плину Неви (із суші в затоку) сповільнювалася до критичних значень: води затоки починали надходити в ріку, змінюючи напрямок її течії.

В обох випадках вихідна кількісна зміна параметрів системи спричиняла якісну зміну результатів процесів, коли змінювався навіть знак їх спрямова­ності.

Стаціонарність означає виконання триєдиної функції: ство­рити різницю потенціалів між системою і зовнішнім середови­щем; постійно утримувати її протягом певного часу; зберігати при цьому незмінний рівень потенціалів.

33

Термін «гомеостаз(ис)» запропонував У. Кеннон у 1929 році для характеристики станів і процесів, що забезпечують стій­кість організму. Однак ідея про існування фізіологічних меха­нізмів, спрямованих на підтримання сталості внутрішнього се­редовища організму, була висловлена ще в другій половині XIX ст. К. Бернаром. Він розглядав стабільність фізико-хіміч-них умов у внутрішньому середовищі як основу свободи і неза­лежності живих організмів у зовнішньому середовищі, яке за­знає постійних змін.

Виникнення життя на Землі, поява одноклітинних організ­мів були пов'язані з формуванням і безупинною підтримкою в клітині протягом усього життя специфічних фізико-хімічних умов, які відрізняються від умов навколишнього середовища. У багатоклітинних організмів з'являється внутрішнє середовище, у якому перебувають клітини різних органів і тканин, відбува­ється розвиток і удосконалення механізмів гомеостазу. У ході еволюції формуються спеціалізовані органи кровообігу, дихан­ня, травлення, виділення й ін., що беруть участь у підтриманні гомеостазу.

Виникнення на Землі живих організмів, які досконало опа­нували техніку управління гоместазом, стало колосальним по­штовхом у розвитку природи планети, який різко прискорив темпи еволюційних процесів.

34

Розділ 2

Першооснови формування систем

2.1. Зміст сутнісних начал природи