II. Разные проявления самоорганизации и ее связь с альтернативным процессом организации 1. Процессы самоорганизации и организации как альтернативные направления упорядочения хаоса

Могут быть разные виды открытых микроскопических и макроскопических систем, в которых происходит обмен и трансформация энергии, в соответствии с (1) – (3), приводящие к самоорганизации.

Может быть обмен энергии без обмена веществ. Например, такой случай реализуется при образовании тепловых конвекционных «ячеек Бенара» [24] в тонком слое вязкой жидкости при вертикальном потоке тепла.

Может быть обмен и энергии и вещества.

Однако наиболее интересным и важным случаем для осуществления не только самоорганизации, но и прогрессивной эволюции является обмен веществ и энергии за счет веществ, реагирующих и освобождающих энергию внутри системы. Именно такой случай элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС) явился предметом исследований в эволюционном катализа [29–31], [45], [57]

A+B®{(A+B®C+D)/Ki}®C+D, (18)

где в фигурных скобках дана ЭОКС, существующая в ходе обмена веществ и энергии базисной каталитической реакции

А+В®С+D (19)

с большим элементарным сродством

f=–yG°/aNA [Дж]>0. (20)

ЭОКС существует в виде цепочки повторяющихся каталитических актов (n) на центре катализа Кi. Скорость базисной реакции определяется абсолютной каталитической активностью Кi

a = n/t = 1/t* = ckT/h [акт/с], (21)

а интенсивность (мощность) обменного процесса

I=af=c/akT/hNA [G°] =xH [Дж/с]; I = xH = Е. (22)

Это и является тем потоком свободной энергии, который в открытой системе трансформируется, в соответствии с (1) на поток внутренней полезной работы Q, направленной против равновесия и характеризующей меру самоорганизации и поток бесполезно рассеиваемого тепла Q. Из сказанного видно, что эндергонический процесс самоорганизации ЭОКС в результате внутренней полезной работы Q осуществляется за счет энергии Е экзергонической базисной реакции. При этом происходит сопряжение эндергонического процесса самоорганизации с экзергоническим процессом организации, имеющих противоположную направленность изменения степени неравновесия yr? и yr­, при условии

E ? Q. (23)

Открытые системы, исследуемые в эволюционном катализе, оказались весьма распространенными динамическими объектами химии, способными к самоорганизации и саморазвитию и удобными для экспериментальных и теоретических исследований в этой области. Как известно, такие исследования привели к разработке количественной теории образования ЭОКС, их устойчивости, гомеостазиса, самоорганизации и прогрессивной эволюции вплоть до формирования живых объектов (см. [30–31], [45] и нашу статью [57] в сборнике Синергетика. Вып. 2. 1999).

Кроме того, благодаря исследованию таких систем и разработке теории эволюционного катализа стало ясно, что в природе существуют отнюдь не экзотические, а весьма распространенные объекты с устойчиво и точно повторяющимися внутренними циклическими процессами [54], сочетающими в себе организацию и самоорганизацию, т. е. энтропийный и антиэнтропийный принципы. В каждом каталитическом акте благодаря кодирующему свойству Кi точно воспроизводится механизм базисного процесса, а, следовательно, и процесс самоорганизации неравновесного кинетического континуума веществ и реакций, образующий каталитическую систему. Поэтому при длительном существовании ЭОКС на К, с постоянной природой имеет место устойчивое неравновесие, т. е. постоянное сохранение самоорганизации ЭОКС за счет обмена веществ и энергии, что иллюстрирует рис. 2.

Рис. 2. Устойчивое неравновесие ЭОКС в ходе ее существования при аi, Ii, xi, Кi = const. 1 – Предельная степень неравновесия r=1; 2 – странный аттрактор устойчивого неравновесия при аi = const, yr­ = const в каждом каталитическом акте; 3 – странный аттрактор равновесных состоянии базисной реакции при yr?.

Устойчивое неравновесие ЭОКС аналогично устойчивому неравновесию живых организмов, считавшемуся Э.С. Бауэром [55] наиболее специфичным признаком жизни. Поэтому свойство самоорганизации неживых ЭОКС, обеспечивающее их устойчивое неравновесие, можно считать фундаментальным прототипом этого признака жизни.

Из (18) и рис. 2 видно, что в химии объекты с равновесной структурной организацией (А, В, Кi) легко могут превратиться в объекты с неравновесной структурной организацией (ЭОКС), а последние, релаксируя после каждого каталитического акта, в свою очередь, легко превращаются в объекты с равновесной структурной организацией (С, D, Кi). Каждое из этих превращений является процессом самоорганизации (yr­) и организации (yr?). Обобщая весь материал химии, можно сказать, что в каждом химическом акте активационного характера (каталитическом и некаталитическом) образуются объекты с неравновесной организацией, элементарные химические системы (ЭХС). Это так называемые «переходные состояния», являющиеся неполным и неточным понятием, отражающим реально образующиеся нсравновесные ЭХС.

Не вызывает сомнения установленный [31], [45] факт, что в химии существуют два типа легко превращающихся друг в друга элементарных объектов разной физической природы. Объекты с равновесной организацией (стабильные молекулы, комплексы, полимеры, кристаллы), получающиеся в результате энтропийных процессов организации (yr?, E­, yG°<0) и объекта с неравновесной структурной организацией (неравновесные полимолекулярные химические системы — ЭХС, ЭОКС), получающиеся в результате антиэнтропийных процессов самоорганизации (yr­, E?, yG° > 0). Объекты первого типа при их образовании подчиняются энтропийному принципу организации, который соответствует принципу Больцмана

S = kБlogP ® max [Дж/К М],

G = H – TS ® min [Дж/М] (M = const). (24)

Объекты второго типа при их образовании подчиняются антиэнтропийному принципу самоорганизации, соответствующему принципу максимальной внутренней полезной работы против равновесия при максимальном рассеянии свободной энергии обменного процесса открытой системы

I = хН > 0 [Дж/сМ]

Ir = xrH > 0 [Дж/cM] (25)

It = xtH ® max [Дж/М]

Т = const; H = const M ? const

Т ® max\ yМ/yt = const (стационар.)

Ir ? I; 0 < r ? 1 yМ/yt ? const (нестационар.)

В эволюционном катализе на примере ЭОКС по существу впервые было доказано [31] энергетически связанное существование двух типов структурной организации вещества, подчиняющихся разным физическим принципам: энтропийному и антиэнтропийному и узаконены естественные антиэнтрипийные процессы. После этого логичным был следующий шаг обобщения [45]: все процессы упорядочения хаоса в природе могут иметь альтернативную направленность: равновесную (yr?) и неравновесную (yr­), причем в первом случае происходит уменьшение степени неравновесия (yr?), а во втором ее возрастание (yr­). Процессы организации и самоорганизации, соответствующие этим разным направлениям изменения неравновесия, различаются и по их энергодинамике (см. рис. 3). При этом они различаются не только по вектору изменений свободной энергии (в процессах организации энергия выделяется (E­, yGo<0), а в процессах самоорганизации поглощается (E?, yG° > 0), но и по динамике энергетических изменений во времени. В период образования объектов при упорядочении хаоса (I на рис. 3) имеют место динамические процессы в обоих случаях, различающиеся по направленности изменения неравновесия yr и освобожденной энергии Е.

Рис. 3. Энергодинамика нсравновесного (1, 3) и равновесного (2) упорядочения хаоса (4). I – период образования, II – существования во времени упорядоченных состояний. II, 1 – динамика существования самоорганизованного объекта. II, 2; II, 3 – статика существования равновесно организованного объекта (2) и самоорганизованного солитона (3).

В период существования объектов во времени (П на рис. 3) в случае «организации» (кривая 2) динамизм утрачивается, и объект существует как статический без изменения энергии; в случае «самоорганизации» объект продолжает существовать как динамический с затратой энергии E?, пропорциональной времени (кривая 1); в частном случае «самоорганизации» при образовании солитонов (кривая 3) объект продолжает существовать как статический без затраты энергии.

Из сказанного ясно, что такая характеристика как динамизм без учета разных фаз существования образующихся объектов, не может быть определяющей только для явления самоорганизации. Различать самоорганизацию и организацию при анализе сложных явлений можно только на основе различий их физической сущности, связанной с разной направленностью изменений r и Е.

Таким образом развитие работ в области эволюционного катализа внесло вклад не только в понимание физической сущности явления самоорганизации и его отличия от альтернативного явления организации, но также и в утверждении новой парадигмы естествознания, узаконивающей антиэнтропийный принцип наряду с энтропийным и дуалистичность мира объектов с равновесной и неравновесной структурной организацией веществ, образующихся в пассивном и активном направлениях упорядочения хаоса.