На мой взгляд, однако, большую ценность для понимания эволюции представляют переходы первого рода. Они лучше соответствуют явлениям новообразования, когда исходная суммативная система, достигнув критического состояния, преобразуется в совершенно новую, не имевшую ранее аналога, целостность. Дело в том, что между этими двумя родами переходов есть существенная разница. Теоретически она заключается в том, что, как показал Ландау, фазовые переходы первого рода двумодальны, а второго – одномодальны. Отсюда следует, что в первом случае возможны метастабильные состояния, во втором – нет. Второй род протекает c непрерывным изменением термодинамических параметров, а скачок конфигурации системной взаимосвязи происходит почти мгновенно, как только бывает превышен критический рубеж. Примерно также в теории диссипативных систем сразу после точки бифуркации устанавливается одно из возможных состояний. Но вот для первого рода преодоление точки фазового перехода недостаточно. Система может долго оставаться в исходной фазе, хотя это состояние для нее не является устойчивым. Иначе говоря, одних только сверхпороговых термодинамических параметров недостаточно, чтобы возникло новое качество. Вследствие этого в камере Вильсона сохраняется пересыщенный пар; путем изобарического нагрева жидкости можно получить метастабильную перегретую жидкость; переохлажденная вода может оставаться водой даже при отрицательных температурах.

Этот момент в акте формирования новых интеграций, на мой взгляд, имеет ни с чем не сравнимую ценность, в особенности для живых существ. На уровне физических и химических явлений как-то скрадывается значение «центра нуклеации»; ему просто предоставляют роль случайного фактора, способствующего зародышеобразованию.

Но даже в этом аспекте проблема зародыша превращается в самостоятельную головоломку, так как надо на сей раз изучить условия появления отдельного зачатка новой фазы, объединяясь вокруг которого частицы системы формируют новую структуру. У теорий фазового перехода и так есть масса проблем с согласованием микроскопического и макроскопического анализа. В теоретических попытках вывести макросостояния из микросостояний обычно пользуются описанием и тех и других одними и теми же параметрами. Микроскопические теории принимают в качестве единиц анализа компоненты системы, группы частиц, допускающие применение «малого параметра», через который можно выйти на всю их сумму, макросистему. Этот подход в ряде случаев позволяет оценить среднее значение макропараметра и функцию отклонений, флуктуаций. Флуктуациям Пригожим придает наибольшее значение в поведении системы после бифуркации. Действительно, в преобразованиях, аналогичных переходам второго рода, именно они оказывают воздействие, определяющее конечный результат. Но когда обращаемся к переходам первого рода далеко не всегда можно замкнуться на внутренних отклонениях. Центр нуклеации имеет отличные от остальных частиц собственные свойства. Поэтому необходимо отвлечься от единых параметров и выделить отдельные признаки данной частицы – центра. Иначе говоря, отстраниться от системных качеств, т.е. того, что только и может участвовать в уравнениях, и обратиться к многообразным случайностям внешней среды. К тому же и флуктуации свидетельствуют о внешних воздействиях, не говоря уже о наличии всевозможных примесей, способствующих переходу первого рода.

Роль системы по отношению к флуктуациям сводится скорее всего к относительной упорядоченности отклонений. Внутри системы они частично усредняются благодаря тем хаотическим столкновениям, которые так или иначе случаются. Частицы с чрезмерным отклонением, положим по энергии, плотности и т.п., удаляются из системы. Сами отстраняются от суммативной системы, а из целостной их отстраняют насильно. И на клеточном, и на организменном уровне имеется немало механизмов вывода несоответствующих норме элементов. В системе сохраняются только слабые отклонения от присущих ей средних значений параметров. Переход к новой интеграции происходит при определенных сочетаниях степени метастабильности и степени флуктуационного своеобразия, притом в обратной пропорции. К примеру, то, что называют гомогенным зародышеобразованием, происходит при значительно углубленной метастабильности, но вот гетерогенное, благодаря примесям, может начаться сразу после преодоления порога фаз. Вода в водоемах замерзает, как правило, раньше, чем дистиллированная вода.

ЭФФЕКТ СЛУЧАЙНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МЕТАСТАБИЛЬНУЮ СИСТЕМУ

В теории диссипативных систем возможное поведение системы после бифуркации известно как два варианта последующего состояния системы. Случайность задает переход к тому или другому варианту, флуктуации лишь «выбирают» ветвь, которой будет следовать система (2, с.119). Возможно наращивание последующих бифуркаций (последовательность Фейгенбаума) (2, с. 112). Между их последовательными точками поведение системы соответствует моделям равновесного и слабо неравновесного состояния, что в целом предсказуемо. В ряде случаев теория способна и на большее: определить, что, «если до точки бифуркации управляющий параметр был невелик и шло медленное увеличение его, то вероятнее переход на устойчивую ветвь, вниз. Высокий и быстрый проще перейдет на неустойчивую ветвь. Но в целом переход случаен. Не помогает ни макроскопическое ни микроскопическое описание» (2, с. 154).

Казалось бы, пока мы имеем дело с внутренними флуктуациями в системе с конечным количеством элементов, то только наше незнание параметров состояния каждого из них не позволяет сделать вывод о результате скачка. Конечно, известная проблема взаимодействия трех и более частиц, ставит предел возможностям математического описания того, что произойдет. Но это проблема формализации. Если вообразить, что мы знаем все микросостояния, то можно быть уверенным, что феноменологическое описание справится с предсказанием состояния конечной системы. Конечно, такое можно предположить, если достаточно действие внутренних сил. Однако даже воображаемое всезнайство не поможет, если иметь в виду влияние внешнего мира с его бесконечно многообразным воздействием на любую естественную систему. «Флуктуации окружающей среды могут воздействовать на бифуркации и, что более важно, порождать новые неравновесные переходы, не предсказуемые феноменологическими законами эволюции» (там же). А в переходах первого рода именно такое воздействие надо учитывать.

Обратим внимание на то, что когда речь идет о переходе пар-жидкость, влияние центра нуклеации ограничивается его ролью в создании зародыша новой фазы. Неважно, будет ли инициирована первичная капля воды примесной частицей, или ионом, или элементарной частицей, как в камере Вильсона, эффект касается лишь возникновения зародыша достаточного размера. Теоретические рассуждения ведутся относительно поверхностного натяжения, поверхностной энергии и диффузии, а специфические свойства ядра не представляют какой-либо ценности. К тому же и после полного превращения пара в воду центр уже ничем себя не проявляет. Любая вода нами воспринимается как просто вода. Во всяком случае, о тонкостях возможного различия и зависимости от зародыша ничего определенного не известно.

Иначе обстоит дело с переходом жидкость-кристалл. На сей раз при оценке зародыша выделяют большее количество признаков, чем при конденсации пара. Учитывают определенную огранку, имея в виду различные поверхностные натяжения для каждой грани. В качестве признаков примеси (подложки), на которой образуется зародыш, отмечают такие факторы, как форму ее структуры, химическую природу поверхности подложки. Эти признаки определяют краевой угол между подложкой и твердой фазой зародыша, а тем и эффективность гетерогенного зарождения кристалла. По сравнению с переходом в жидкость формирование кристалла, как более сложной интеграции, требует более специфичных параметров внешнего влияния, способных разрешить метастабильное состояние системы. Надо полагать, для еще более высокого уровня интеграции, потребуется также более специфичные факторы внешнего воздействия.

Обратим теперь внимание на те изменения, которые задаются привнесенным веществом. Для теории фазового перехода ценность представляли лишь стадии единого процесса до и после превращения. Когда же концентрируются на том, что представляет собой твердое тело, то на первый план выходит описание формы его внутренней взаимосвязи. И тогда приходится иметь дело не только с общими термодинамическими параметрами, но с тем единичным элементом, который повлиял на возникшую структуру. Конфигурация кристаллической решетки в некоторой степени обязана той «затравке» в виде примеси или частички ранее образовавшегося кристалла, который не только снижает или снимает барьер зародышеобразования, но и способствует формированию кристалла. Влияние температурных градиентов, направленности и скорости изменения температуры и давления имеет немаловажное значение для образования той или иной модификации решетки. Этот фактор относим к состоянию системы в целом. Однако свой вклад в структуру вносит и тот случайный элемент, чаще всего примесь, под определенные признаки которой подстраивается зародыш, и далее весь кристалл. Что именно следует отнести к заслуге примесной частицы, а что к свойствам системы, трудно определить. Подбор определенных «примесей» для получения нужных свойств, легирование металла и полупроводниковых материалов специальными веществами – все это есть использование «чужих» элементов для формирования новых качеств.

О значимости внешнего воздействия говорит и тот факт, что кристалл в процессе роста повторяет своеобразие зародыша, а в случае с затравкой в виде частицы кристалла, повторяет форму решетки последнего. Например, при дендритном росте каждый дендрит растет из одного центра кристаллизации, отчего все его ветви имеют одинаковую ориентировку, а весь дендрит со своими ветвями представляет собой монокристалл. Также и при не дендритном росте образование ориентированных зародышей приводит к образованию ориентированных кристаллов.

ПРИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ ПЕРВОГО РОДА ПРОИСХОДИТ «ОТРАЖЕНИЕ» ВНЕШНЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Можно указать на аналогию между явлениями физического уровня и отражением живых существ, поскольку при формировании нового качества в них сказывается особое значение случайных для системы признаков внешнего объекта. Неравновесное метастабильное состояние системы соответствует напряженности, возникающей при «неразрешенной активности» в живой природе, когда прежние механизмы оказываются неспособны восполнить «недостаток» в данных условиях среды. Схожая напряженность и неспецифическая активация мозга возникает и при бесплодном решении задач.

Как уже было сказано, плодотворная интеграция не может состояться в системе абсолютно гомогенных элементов. Взаимодействие, необходимое для взаимосвязи, может осуществиться, если элементы находятся в противоположных состояниях, иначе говоря, в случае гетерогенности гомогенных элементов. Противоположение в такой системе возникнуть не может. Для этого потребуется случайное для системы воздействие внешнего объекта или даже прямое включение инородного тела в образуемый целостный объект. Такое намеренно делается при легировании для получения требуемых качеств металлов или полупроводников. При этом существенным вкладом является не сам внесенный субстрат, а некоторый его признак, обеспечивающий особенность состояния элементов для их взаимосвязи и тем самым определенное качество формирующейся интеграции. Возникшая структура уже без примесного тела может дуплицировать себя во всем объеме кристалла. Именно благотворный признак внешнего следует считать «отраженным» в новом качестве системы.

В истории развития живых организмов также включения требуемых элементов среды в новообразованные интеграции были вполне распространенным явлением. Органоиды формировались благодаря вовлечению не только клеточных элементов, но и свободных ионов и катионов находящихся в среде их существования. Более того, в последующем усложнении организмов присовокуплялась к клеткам и часть прежней среды с теми элементами, которые были нужны для постоянного воспроизведения деятельности клеток. Поэтому внеклеточная среда повторяет ионные параметры морской воды. «Интернализация» инородного вещества присуща многим морфологическим образованиям. При этом вещество вносит то самое «нечто», что формирует новую интеграцию. К тому же наличие внешнего субстрата или его какого-либо признака поддерживает при каждом распаде и восстановлении данной интеграции (клеточных элементов, клеток, органов) условия «отражения» прежнего воздействия. Но что именно, какие параметры воздействующего объекта, оказываются отраженными в интеграции, отметить не так-то просто.

В принципе подобная проблема стоит и при познании. Только в экспериментах точно знаешь сигнальные раздражители, порождающие условный рефлекс. В естественных условиях выделить событие, оказавшее решающий эффект на когнитивный акт, редко когда удается.

Можно указать и на другую немаловажную аналогию. Структурированная благодаря внесистемному воздействию новая интеграция в последующем проявляет собственную активность в соответствующей форме. При этом как-то проявляется и «интернализованное» внешнее свойство. Кристалл оказывает на среду воздействие, специфика которого задана структурой, а значит и особенностью «иного», ставшего «своим». В благоприятных условиях кристалл растет, подстраивая внешние элементы под свою конфигурацию. Подобным образом ведет себя животное, обученное рефлексу. В соответствующей обстановке при данной мотивации она воздействует на окружающие объекты по выработанному образцу. Проявляется закрепленная система с отраженными сигнальными параметрами.

Самым существенным качеством и фазовых переходов, и формирования условных рефлексов, и познания является их принадлежность к актам развития. Новые интеграции во всех подобных явлениях представляют собой новое качество, не сводимое к сумме своих элементов; тем самым они создают целостность нового уровня. В меру вовлечения в свою структуру дотоле «чуждого» внешнего фактора система повышает устойчивость в окружающей среде.

Этот комплекс аналогий позволяет предположить, что отражение внешнего воздействия и для неживой и для живой природы заключено в «интернализации» каких-то его параметров при образовании новой интеграции.

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ, АНАЛОГИЧНЫЕ ФАЗОВЫМ ПЕРЕХОДАМ

Известно немало процессов, происходящих в живом организме, которые хорошо подпадают под тип переходов второго рода. Таковы многие конформационные преобразования, явления изомеризации. В частности, изомеризация зрительного пигмента, ретиналя, от конфигурации 11-цис-ретиналя до транс-ретиналя и обратно. Схожим образом возникает потенциал действия у нейронов. При описании белковых превращений спираль – клубок используют распространенную одномерную модель Изинга, удачно оценивающую переход второго рода. Конечно, если для физических систем можно достаточно строго разделить отмеченные два рода, то для столь сложных систем, каковыми являются белковые и нуклеиновые вещества, не говоря уже о клетках и органах, едва ли корректно отмечать только лишь один вариант переходов. В непрестанно совершаемых в организме преобразованиях задействованы многообразные превращения, в которых можно выявить и тот, и другой род.

Но меня вместо строгих характеристик привлекает один момент: отсутствие метастабильности, мгновенные переходы из одного состояния в другое внутри организма. С подобными переходами не только второго, но и первого рода мы часто встречаемся в природе. К примеру, без задержек происходят превращения вода – лед в обычных земных условиях. Множество примесей в водоемах позволяет воде при низких градусах сразу же затвердеть. Стало для нас привычным, что изменения климата сопровождаются обратимыми круговоротами вода – пар – вода, вода – лед – вода. Как только температура достигает критической отметки, вода замерзает, обычно не впадая в метастабильность.

Незамедлительные превращения и в ту или другую сторону объясняются тем, что биосфера, как более широкая система, в которой существует система водоема, содержит требуемые для этих преобразований средства.

Подобное качество среды оказывается одним из наиболее важных факторов деятельности организма. Когда происходят повторные превращения, данная интеграция, будучи не раз воспроизведенной, вновь восстанавливается уже при наличии благоприятных обстоятельств. Облегченные переходы означают, что произошли помимо прочего сопряженные изменения самой среды. Количественно разросшиеся и умножившиеся новые объекты влияют со своей стороны на окружающую их природу. Увеличивается не только количество возникающих целостных объектов, но и частей их распада, каждая из которых несет в себе влияние структуры целого и оттого способна стать материалом или, еще лучше, матрицей для нового воспроизводства. Примерно так, как частицы разломанного кристалла могут быть самым удобным зародышем для последующей кристаллизации. В сопряженно-развитой среде значительно облегчаются превращения по типу переходов первого рода.

Что же касается новообразований, иначе говоря, того, чего ранее в природе не существовало или не существовало в данной среде, то процесс интеграции не будет столь простым и скорым. Метастабильное состояние высоковероятно, если разнообразие среды и флуктуации состояний в ней соответствуют уровню прежнего рода объектов. Гетерогенность наличных объектов лишь при глубокой метастабильности может удовлетворить новую целостность. Но при таком состоянии системы нужно ожидать, что в нее вовлечется множество оказавшихся активированными элементов, в том числе и таких, которые не обязательны для устойчивого существования и гомеостатического функционирования возникающей интеграции. Последующая история воспроизводства однородных объектов уже на основе матричных компонентов, что особо важно для живых организмов, будет очищать их от балласта ненужных элементов, приближая компонентный состав к требуемому для функционирования минимуму. Этот процесс в высшей степени затрагивает древние элементы и подсистемы организма, на базе которых формировались интеграции более высоких уровней.