В данной работе рассматривается теория диссипативных структур, разработанная Ильёй Пригожиным, в контексте эволюции биосферы. На примере массового вымирания динозавров и последующего формирования новой биосферы демонстрируется, как хаотические события могут приводить к возникновению новых форм организации и порядка в живой природе. Анализируются ключевые понятия неравновесной термодинамики, такие как диссипация, флуктуации и бифуркации, и их роль в эволюционных процессах.

Илья Пригожин, лауреат Нобелевской премии по химии, внёс фундаментальный вклад в понимание неравновесных процессов и самоорганизации в сложных системах. Его теория диссипативных структур показала, что порядок может возникать из хаоса благодаря диссипации энергии и случайным флуктуациям.

В данной работе мы применим эту теорию к эволюции биосферы, рассматривая её как диссипативную структуру, подверженную хаотическим воздействиям и способную к самоорганизации. В качестве примера будет рассмотрено массовое вымирание динозавров и последующее формирование новой биосферы.

 

I. Теория диссипативных структур Пригожина

● Неравновесные системы: Классическая термодинамика изучает равновесные системы,     находящиеся в состоянии покоя. Пригожин показал, что в открытых системах, обменивающихся энергией и веществом с окружающей средой, могут возникать сложные структуры и явления самоорганизации.

● Диссипация энергии: Рассеяние энергии (диссипация) играет ключевую роль в формировании диссипативных структур. Именно благодаря диссипации система может переходить в новое, более упорядоченное состояние.

● Флуктуации и бифуркации: Случайные отклонения от среднего состояния(флуктуации) могут усиливаться в неравновесных системах и приводить к возникновению новых структур. Точки бифуркации – это критические моменты, когда система может выбрать один из нескольких путей дальнейшего развития.

 

II. Биосфера как диссипативная структура

Биосфера, как глобальная экосистема, представляет собой сложную неравновесную систему, постоянно обменивающуюся энергией с Солнцем (основной источник энергии) и веществом с окружающей средой (атмосфера, гидросфера, литосфера). Внутри биосферы происходят непрерывные процессы обмена энергией и веществом между живыми организмами и окружающей средой, поддерживая её динамическое, но не статичное равновесие. Это равновесие постоянно нарушается различными факторами, такими как изменения климата, геологические процессы, конкуренция между видами и т.д. Таким образом, биосфера является типичной открытой системой, находящейся в состоянии динамического неравновесия и постоянно диссипирующей энергию.

 

III. Массовое вымирание как хаотическое событие

Массовые вымирания, такие как вымирание динозавров в конце мелового периода, представляют собой хаотические события в том смысле, что они резко увеличивают неопределённость в состоянии биосферы. Они создают условия, в которых множество различных путей развития становятся возможными. Хаос в данном контексте не означает полного отсутствия закономерностей, а характеризуется высокой чувствительностью к начальным условиям (небольшие изменения могут привести к большим последствиям) и непредсказуемостью точного хода развития. Катастрофа, вызванная падением астероида, привела к резким изменениям климата (температурные колебания, кислотные дожди), пожарам, выбросам пыли и сажи в атмосферу, что нарушило фотосинтез и привело к разрушению пищевых цепей. Эти процессы сопровождались масштабной диссипацией энергии в виде теплового излучения, химических реакций горения и разложения органических веществ.

 

IV. Формирование новой биосферы как процесс самоорганизации

После массового вымирания биосфера попадает в состояние сильного неравновесия, выходя из области притяжения старого аттрактора (предыдущего стабильного состояния). Система начинает поиск нового устойчивого состояния, двигаясь к новому аттрактору. В этот период случайные флуктуации играют решающую роль. Мутации в генах выживших организмов, случайные изменения в поведении, случайные благоприятные условия – все это может стать отправной точкой для формирования новых адаптаций и новых видов. В точках бифуркации эти флуктуации «выбирают» один из множества возможных путей развития. Например, освобождение экологических ниш, ранее занимаемых динозаврами, создало возможности для развития млекопитающих. Случайная мутация, позволившая одному из видов млекопитающих лучше адаптироваться к новым условиям, могла дать ему значительное преимущество и привести к его быстрому распространению. Этот процесс сопровождается диссипацией энергии в виде метаболических процессов, роста и размножения организмов.

● Освобождение экологических ниш: Вымирание доминирующих видов освобождает экологические ниши, которые могут быть заняты другими видами.

● Адаптация и эволюция: Выжившие виды адаптируются к новым условиям, а также могут возникнуть новые виды, занимающие освободившиеся ниши. Мутации и генетические изменения играют роль флуктуаций, которые могут привести к появлению новых адаптаций.

● Формирование новых экосистем: В результате процессов адаптации и эволюции формируются новые экосистемы, отличающиеся от предыдущих.

 

V. Применение теории Пригожина к вымиранию динозавров

После катастрофы начался процесс восстановления, в результате которого доминирующие позиции заняли млекопитающие, что привело к формированию новой биосферы. Например, млекопитающие, обладавшие небольшими размерами и способностью к ночной активности, получили преимущество в условиях после катастрофы, когда дневная температура резко колебалась, а растительность была сильно повреждена. Развитие шерсти и теплокровности также стало важной адаптацией к изменившимся климатическим условиям. Эти адаптации, возникшие как случайные флуктуации, оказались решающими для выживания и дальнейшей эволюции млекопитающих. Палеонтологические данные подтверждают резкое увеличение разнообразия млекопитающих после вымирания динозавров.

● Состояние до катастрофы (порядок): Существовала относительно стабильная и сбалансированная экосистема с доминированием динозавров.

●  Катастрофа (хаос): Падение астероида вызвало глобальные изменения, приведшие к массовому вымиранию. Это событие можно рассматривать как сильную флуктуацию, выведшую биосферу из равновесия.

●   Восстановление (новый порядок): После катастрофы начался процесс восстановления, в результате которого доминирующие позиции заняли млекопитающие, что привело к формированию новой биосферы. Этот процесс можно рассматривать как самоорганизацию в неравновесной системе.

 

 

VI. Философские выводы Ариэля

 

Применение теории Пригожина к эволюции биосферы и формированию планет позволяет сделать следующие философские выводы, выходящие за рамки простого констатирования факта «порядка из хаоса»:

●  Хаос не является исключительно деструктивным: Хаотические события, такие как массовые вымирания или столкновения планетезималей, могут быть не только разрушительными, но и конструктивными, создавая условия для возникновения новых форм организации и развития. Хаос – это не антоним порядка, а скорее его предшественник, потенциал для новых возможностей. Это созвучно идеям диалектики, где борьба противоположностей (в данном случае, хаоса и порядка) является движущей силой развития.

●  Эволюция – это не только постепенное накопление изменений: Эволюция может происходить скачкообразно, в результате хаотических событий, выводящих систему из равновесия и открывающих новые пути развития. Эти скачки, или бифуркации, не являются полностью детерминированными, а зависят от случайных флуктуаций. Это противоречит линейным представлениям об эволюции как о непрерывном и направленном процессе и сближается с концепциями синергетики, которая изучает процессы самоорганизации в сложных системах. Синергетика, подобно теории Пригожина, подчёркивает роль случайности, нелинейности и обратных связей в эволюции.

●   Случайность играет не просто пассивную роль фона, а является активным фактором эволюции, определяя выбор системой одного из возможных путей развития в точках бифуркации. Случайность не означает отсутствие закономерностей, а является неотъемлемой частью динамики сложных систем. Именно случайные флуктуации «выбирают» из множества возможных путей развития, предопределяя тем самым дальнейшую судьбу системы. Это поднимает важный философский вопрос о соотношении детерминизма и индетерминизма в природе. Теория Пригожина показывает, что детерминированные законы (например, законы термодинамики) и случайные события (флуктуации) не исключают, а дополняют друг друга, определяя траекторию развития сложных систем.

●    Связь с теорией сложности: Теория Пригожина тесно связана с теорией сложности, которая изучает системы, состоящие из большого количества взаимодействующих элементов, демонстрирующих эмерджентные свойства, то есть свойства, которые не сводятся к свойствам отдельных элементов. Биосфера и формирующиеся планеты являются примерами сложных систем, где взаимодействие множества факторов (биологических, геологических, физических) приводит к возникновению новых, более сложных уровней организации. Теория Пригожина объясняет, как именно в таких сложных системах может происходить самоорганизация и возникновение порядка из хаоса.

●  Необратимость времени: Диссипация энергии, лежащая в основе теории Пригожина, указывает на необратимость времени. В отличие от классической механики, где время симметрично, в неравновесных процессах существует «стрела времени», указывающая направление развития системы. Эволюция биосферы и формирование планет – это необратимые процессы, каждый из которых является уникальным и неповторимым.

 

Таким образом, теория диссипативных структур Пригожина не только объясняет научные механизмы возникновения порядка из хаоса, но и имеет глубокие философские импликации, касающиеся природы эволюции, роли случайности, соотношения детерминизма и индетерминизма, а также необратимости времени.

 

Анализ процессов геологии и формирования планет в контексте теории Пригожина:

Рассмотренные примеры эволюции биосферы после массового вымирания и формирования планет из протопланетного диска, несмотря на разный масштаб и природу процессов, демонстрируют общие фундаментальные принципы самоорганизации в неравновесных системах, описанные теорией диссипативных структур Пригожина. В обоих случаях мы наблюдаем переход от хаотического состояния к упорядоченному, благодаря диссипации энергии и действию случайных флуктуаций в точках бифуркации. Эти примеры подтверждают универсальность законов неравновесной термодинамики и их применимость к самым разным областям – от биологии и экологии до геологии и астрономии.

1.    Начальный этап (хаос): Ранняя Солнечная система была заполнена протопланетным диском – облаком газа и пыли, содержащим множество астероидов, планетезималей и других объектов. Столкновения между этими объектами были частыми и энергичными, приводя к фрагментации, слипанию и изменению орбит. Происходили интенсивные геологические процессы: вулканизм, тектонические движения, дифференциация вещества. Все это создавало крайне нестабильную и хаотическую среду.

Хаос: В данном случае хаос проявляется в высокой степени неопределенности траекторий, размеров и состава формирующихся планет. Результат каждого столкновения был во многом случайным и мог привести к разным исходам, включая полное разрушение протопланеты.

2. Диссипация энергии: Огромное количество энергии диссипировалось в процессе столкновений в виде тепла, излучения и кинетической энергии разлетающихся обломков. Эта диссипация играла ключевую роль в изменении состояния системы.

3. Флуктуации и бифуркации: Случайные флуктуации в распределении вещества в протопланетном диске и случайные процессы могли привести к формированию гравитационных центров, которые начинали притягивать к себе всё больше вещества, и изменению свойств. Эти моменты можно рассматривать как точки бифуркации, где случайные события определяли дальнейший ход развития системы, в данном примере, формировании планеты.

4.  Успокоение процессов и стабилизация (новый порядок): Со временем количество крупных объектов в Солнечной системе уменьшилось, частота столкновений снизилась. Процессы дифференциации вещества привели к формированию ядра, мантии и коры планет. Установились более стабильные геологические и климатические условия. Хаос постепенно сменился порядком.

○ Порядок: В результате сформировались планеты с определенными размерами, массами, орбитами и геологическим строением.

 

Связь с теорией Пригожина:

● Неравновесная система: Протопланетный диск представлял собой типичную неравновесную систему, обменивающуюся энергией с Солнцем и окружающим космическим пространством.

● Диссипативные структуры: Формирующиеся планеты можно рассматривать как диссипативные структуры, возникшие благодаря диссипации энергии и процессам самоорганизации в протопланетном диске.

●   Порядок из хаоса: Из хаотического движения и столкновений частиц в протопланетном диске возникли упорядоченные структуры – планеты с определенными характеристиками.

 

Аналогия с "варящимся супом" как пример Хаотичного движения частиц и процессов в полуоткрытой системе:

Аналогия с "варящимся супом" здесь очень удачна. Ингредиенты в кастрюле (частицы в протопланетном диске) сначала находятся в хаотическом движении, перемешиваясь и взаимодействуя друг с другом. Под воздействием тепла (диссипация энергии) происходят химические реакции и изменения в структуре ингредиентов. В итоге получается "суп" – упорядоченное блюдо с определенным вкусом и консистенцией (планета с определенными характеристиками и средой).

 

Дополнительные аргументы:

● Формирование спутников планет: Аналогичные процессы происходили и при формировании спутников планет, которые также возникали из дисков вещества, окружавших планеты.

●   Астероидный пояс: Астероидный пояс между Марсом и Юпитером можно рассматривать как пример "недоразвившейся" планеты, где хаотические столкновения так и не привели к формированию единого тела. Это подтверждает, что хаос не всегда приводит к порядку, но создает для него необходимые условия.

 

Вывод:

Формирование планет является ещё одним ярким примером того, как из хаоса может возникнуть порядок. Теория Пригожина о диссипативных структурах предоставляет мощный инструмент для понимания этого процесса, показывая, что диссипация энергии и случайные флуктуации играют ключевую роль в самоорганизации сложных систем, от биологических до геологических и астрономических (галактик, квзаров и т.п.).

 

Заключение

Теория диссипативных структур Пригожина предоставляет фундаментальный научный инструмент для понимания процессов самоорганизации в сложных системах, включая биосферу. Пример массового вымирания динозавров и последующего формирования новой биосферы наглядно демонстрирует, как хаос может быть источником нового порядка. Этот подход позволяет по-новому взглянуть на эволюцию и роль случайности в развитии живой природы.