Дисипативна структура – структура живих систем
Описуючи патерн життя як автопоезну мережу, Матурана та Варела роблять основний акцент на організаційній закритості цього патерну. Коли структуру живої системи описує Ілля Пригожин, він, навпаки, приділяє головну увагу відкритості цієї структури потоку енергії та матерії. Отже, жива система як відкрита, і закрита — вона відкрита структурно, але закрита організаційно. Через систему безперервно протікає потік матерії, але вона підтримує стійку форму і забезпечує автономно за допомогою самоорганізації.
Щоб підкреслити це парадоксальне співіснування змін і стійкості, Пригожин ввів термін «дисипативні структури». Я вже згадував, що не всі дисипативні структури є живими системами, і щоб наочно показати співіснування безперервного потоку та структурної стійкості, зручніше звернутися до простих, неживих дисипативних структур. Одна з найпростіших структур такого типу - завихрення в потоці води, наприклад, вир у зливному отворі ванни. Вода безперервно проходить крізь вир, і все-таки його характерна форма, добре відомі спіралі і воронка, що звужується, залишаються чудово стійкими (рис. 7-4). Це дисипативна структура.
Ближчий розгляд джерела і проходження такого виру розкриває ряд досить складних феноменів". Уявіть собі ванну з неглибокою і нерухомою водою. Коли стік відкривається, вода починає витікати, утворюючи радіальний потік у напрямку стоку і прискорюючись під впливом гравітаційної сили в міру наближення до зливу Таким чином, встановлюється плавний, єдиний потік, проте плавний стан потоку утримується недовго.
Мал. 7-4 Вирва при зливанні води у ванній
Дрібні нерегулярності у русі води,рух повітря над поверхнею води і обурення в трубі стоку призведуть до того, що з одного боку стоку виявиться трохи більше води, ніж з іншого, і тоді в потоці з'являється вихровий, круговий компонент руху. У міру того, як частинки води рухаються вниз у напрямку стоку, їх радіальна і кругова швидкості наростають. Радіально вони прискорюються під дією сили гравітації, а швидкість обертання зростає від того, що зменшується радіус обертання: так фігуристка прискорює оберти, притискаючи руки до тіла під час піруету12. В результаті частки води рухаються вниз по спіральних траєкторіях, утворюючи трубку ліній потоку, що звужується, відому якворонка.
Так як основний потік все ще радіальний і спрямований до центру, вирва безперервно здавлюється під тиском води з усіх боків. Цей тиск зменшує її радіус та ще більше прискорює обертання. Використовуючи мову Пригожина, можна сказати, що обертання вносить нестійкість спочатку однорідний потік. Сила тяжіння, тиск води і радіус воронки, що постійно зменшується, — все це, разом узяте, безперервно прискорює вихровий рух рідини.
Це безперервне прискорення завершується, проте, не катастрофою, а новим стійким станом. Після досягнення певної швидкості обертання у гру вступають відцентрові сили: вони відштовхують воду від стоку по радіусу. Як результат, спочатку плоскій поверхні води над стоком утворюється поглиблення, яке швидко перетворюється на вирву. Зрештою всередині вир формується мініатюрний повітряний торнадо, а на водній поверхні вирви виникають досить складні нелінійні структури - баранчики, хвилі і завихрення.
Через деякий час сила тяжіння, що тягне воду вниз у напрямку стоку, тиск води, спрямоване всередину потоку, тавідцентрові сили, що розштовхують потік у сторони, врівноважують одна одну; встановлюється стійке стан, у якому тяжіння підтримує потік енергії високого рівня, а тертя розсіює деяку її невелику частину. Діючі сили тепер взаємопов'язані через петлі зворотного зв'язку, що самобалансуються, які забезпечують стійкість структурі виру в цілому.
Подібні високостійкі дисипативні структури іноді утворюються під час грози при особливих атмосферних умовах. Урагани і торнадо являють собою вихори повітря, що шалено обертається; вони можуть переміщатися на великі відстані і вивільняти руйнівні сили, не виявляючи значних змін у структурі свого вихору. Подробиці процесів у цих атмосферних вихорах набагато багатші, ніж у випадку вирви води у ванній, оскільки тут з'являється кілька нових факторів — різниця температур, розширення та стиснення повітря, ефекти вологості, конденсація та випаровування тощо. Відповідно, набагато складнішими та різноманітнішими , ніж у вирі, виявляються структури повітряних вихорів та режими їхньої поведінки. Грози можуть перетворюватися на дисипативні структури характерних розмірів та форм; за особливих умов деякі з них навіть поділяються на два окремі урагани.
Метафорично ми можемо уявити і живу клітину як певний вихор, т. е. стійку структуру, яку постійно пронизує потік матерії та енергії. Але сили та процеси, що діють у клітині, зовсім інші і набагато складніші, ніж у вихорі. Якщо балансуючі сили у вихорі мають механічний характер, причому домінує сила тяжіння, відповідні сили у клітині — хімічної природи. Точніше кажучи, саме каталітичні петлі в автопоезній мережі клітини діють як петлі, що самобалансуються.зв'язку.
Подібним чином, джерело нестійкості у вирі носить механічний характері і виникає як наслідок початкового обертального імпульсу, а клітині існують різні типи нестійкості, та його природа — хімічна, а чи не механічна. Вони теж беруть початок у каталітичних циклах, що становлять головну особливість будь-якого метаболічного процесу. Найважливішим властивістю цих циклів і те, що діють як як самобалансирующие, а й як самоусиливающие петлі зворотний зв'язок, здатні штовхати систему дедалі далі від рівноваги, доки вона досягне порога стійкості. Цей поріг називається тонкою біфуркації, або точкою нестійкості; у таких точках можуть спонтанно виникати нові форми порядку, вважаючи початок розвитку та еволюції.
Математично точка біфуркації представляє різку зміну траєкторії системи у фазовому просторі13. Несподівано може з'явитися новий атрактор — і поведінка всієї системи йде у новому напрямку. Ретельне вивчення Пригожиним точок біфуркації виявило деякі чудові властивості диссипативних структур, про що йтиметься у наступному главе14.
Дисипативні структури, що формуються вирами або ураганами, можуть підтримувати свою стійкість лише доти, поки через структуру проходить стійкий потік матерії з навколишнього середовища. Так само, жива диссипативна структура, наприклад організм, потребує постійного потоку повітря, води і їжі з навколишнього середовища, що проходить крізь систему, щоб залишатися живою і підтримувати свій порядок. Широка мережа метаболічних процесів підтримує систему в далекому від рівноваги стані і через петлі зворотного зв'язку, що містяться в ній, викликає біфуркації, забезпечуючи тим самим розвиток і еволюцію.