Энтропия и эволюция живых существ
Излагаются термодинамические основы биологической эволюции. Подчеркивается принцип иерархического развития жизни и взаимозависимость энтропии и информации в процессе эволюции. Викладено термодинамічні основи біологічної еволюції. Підкреслюється принцип ієрархічного розвитку життя і взаємозалежність...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Дата: | 2005 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2005
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61489 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Энтропия и эволюция живых существ / А.А. Долинский, Б.Х. Драганов // Промышленная теплотехника. — 2005. — Т. 27, № 6. — С. 7-9. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859998887626932224 |
|---|---|
| author | Долинский, А.А. Драганов, Б.Х. |
| author_facet | Долинский, А.А. Драганов, Б.Х. |
| citation_txt | Энтропия и эволюция живых существ / А.А. Долинский, Б.Х. Драганов // Промышленная теплотехника. — 2005. — Т. 27, № 6. — С. 7-9. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Излагаются термодинамические основы биологической эволюции. Подчеркивается принцип иерархического развития жизни и взаимозависимость энтропии и информации в процессе эволюции.
Викладено термодинамічні основи біологічної еволюції. Підкреслюється принцип ієрархічного розвитку життя і взаємозалежність ентропії й інформації в процесі еволюції.
Thermodynamic bases of biological evolution are considered. The principle of hierarchical life development and interdependency of entropy and information in the evolution process is emphasized.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:35:15Z |
| format | Article |
| fulltext |
Живые существа функционально и морфоло;
гически являются наиболее сложными и высоко;
организованными из всех природных объектов.
Необходимо отметить, что живые системы, в том
числе на клеточном уровне, с точки зрения термо;
динамики ведут себя как неравновесные объекты
с сильными неоднородностями.
На эволюцию этих систем влияет изменение не;
которых характерных параметров, обусловленных
влиянием внешних факторов, которые могут быть
названы управляющими. Для равновесного состоя;
ния, в наиболее простом случае, эволюция парамет;
ров системы описывается соотношением [1]
, (1)
где Fi — сколь угодно сложная функция, завися;
щая от макроскопических переменных системы
и параметров λ.
Это соотношение справедливо при определен;
ных ограничениях. Например, законы эволюции
должны быть таковы, чтобы выполнялись требова;
ния положительности температуры и химической
концентрации, характерные для этой системы.
Как известно, для неравновесных систем ха;
рактерна тенденция к необратимости, которая
характеризуется энтропией S, определяемой как
логарифм числа W возможных состояний систе;
мы при заданных условиях:
S = K lnW. (2)
Возможное состояние системы определяется
физическим параметром K. Величина W может
быть сложной функцией признаков и условий.
Если возможное состояние системы характе;
ризует функция распределения f(x, t), то зависи;
мость (2) примет вид
. (3)
При этом, в зависимости от конкретного ви;
да K и характера осреднения при записи f(x, t) вы;
ражение (3) может описывать энтропию в форме
Больцмана, Шеннона, или Гиббса. В частности,
на этой основе в [2] вводится соответствующая
функция распределения для энтропии.
Определение больцмановской информации
(энтропии) всегда связано с вариационной задачей
lnS(t) - K f(x,t) f(x,t)dx= ∫({ }, ) 0i sF X λ =
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 6 7
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Викладено термодинамічні основи
біологічної еволюції. Підкреслюється
принцип ієрархічного розвитку життя і
взаємозалежність ентропії й інформації
в процесі еволюції.
Излагаются термодинамические ос+
новы биологической эволюции. Под+
черкивается принцип иерархического
развития жизни и взаимозависимость
энтропии и информации в процессе
эволюции.
Thermodynamic bases of biological
evolution are considered. The principle of
hierarchical life development and interde+
pendency of entropy and information in the
evolution process is emphasized.
УДК 536 (075.6):53
А.А. ДОЛИНСКИЙ1, Б.Х. ДРАГАНОВ2
1 Институт технической теплофизики НАН Украины
2 Национальный аграрный университет Украины
ЭНТРОПИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ
D – индукция электрического поля;
E – функция напряженности поля;
F – термодинамический потенциал;
F(x, t) – функция распределения;
p – давление;
S – энтропия;
t – время;
T – температура;
v – объем;
W – параметр состояния системы;
x – координата;
Xi – макроскопические переменные;
Zk – ценность генетической информации;
λ – управляющий параметр.
Индексы:
ген – мера генетической информации;
сам – мера информации самоорганизации.
определения максимума вероятностей, решение
которой приводит к отысканию множителей Лаг;
ранжа. Это значит, что для больцмановской инфор;
мации существует тождественное механическое
описание на основе энергии со свойствами потен;
циала сил, характеризуемых множителями Лагран;
жа, и количеств в виде самой энтропии.
Напомним, что множители Лагранжа — это пе;
ременные, с помощью которых строится функция
Лагранжа при исследовании задач на экстремум.
В вариационном исчислении с помощью мно;
жителей Лагранжа удобно получать необходимые
условия оптимальности в задаче на условный экс;
тремум как необходимое условие безусловного
экстремума некоторого составного функционала.
Классические открытые термодинамические си;
стемы характеризуют главным образом взаимодейст;
вие энергии и информации. В живых системах нет
обмена между энергией и информацией или потоков
непосредственно информации, которые бы сами по
себе играли существенную роль в процессах жизни.
Для неизолированных систем, обмениваю;
щихся с внешней средой энергией и веществом,
изменение энтропии представляет собой сумму
двух членов. Один из них deS обусловлен проис;
ходящими обменами. Другой diS обусловлен про;
цессами внутри системы [3]:
. (4)
Для изолированной системы deS = 0 и уравне;
ние (4) сводится к зависимости dS = diS = ≥ 0.
Для необратимых процессов (химические реак;
ции, теплопередача, диффузия, вязкая диссипация и
т.д.) можно определить соответствующий внутрен;
ний поток Iк, отражающий скорость течения процес;
са, а также движущую силу Хк, отражающую соответ;
ствующее неравновесное ограничение. Между Iк и Хк
может быть установлена линейная зависимость:
, (5)
где Lкl — феноменологические коэффициенты.
В соответствии с принципом Онзагера для
уравнения (3) выполняется дополнительное со;
отношение Lкl = Llк [4].
В зависимости от характеристики системы
величина deS может быть как положительной, так
и отрицательной. Если deS отрицательно и пре;
вышает по абсолютной величине diS, то опреде;
ленные стадии эволюции могут происходить при
общем понижении энтропии:
. (6)
Это означает, что в ходе эволюции упорядо;
ченность уменьшается за счет оттока энтропии.
Отличительная особенность энергетики жизни
от технических тепловых процессов заключается в
том, что она использует электрохимические термо;
динамические циклы. При этом живые системы
используют не внутреннюю энергию (как тепловая
машина), а свободную энергию F — термодинами;
ческий потенциал, дифференциал которого (с уче;
том химической и электрической энергии)
, (7)
где ni — концентрация; μі, — химический потенциал.
Принципиальная особенность свободной
энергии состоит в том, что энтропия S не входит в
число независимых переменных задач. Это озна;
чает, что взаимодействие энергии и количества
информации, поступающих из вне, не есть опре;
деляющим для процесса жизни и ее эволюции.
Для генетических механизмов главное — свойство
вещества, и, следовательно, при описании про;
цесса независимой переменной должен быть хи;
мический потенциал. В живых системах имеет ме;
сто превышение производства энергии над ее
диссипацией, а избыток энергии аккумулируется.
Жизнь без механизма производства энергии
для метаболизма существовать не может. Главная
особенность жизни как открытой термодинами;
ческой системы в том, что внешняя среда взаимо;
действует с ее формами и процессами на основе
синтеза информации путем изменения нормиров;
ки энтропии. Поскольку синтез информации есть
изменение признаков и условий в определении
энтропии, отличительной особенностью синтеза
генетической информации является иерархич;
ность [5, 6]. Это означает, что каждый раз измене;
ние признаков и условий создает локальный путь
отсчета энтропии. Морфологическая иерархич;
ность — это все более укрупняющийся симбиоз.
Иерархический ряд для энтропии как меры
информации был записан в виде
, (8)0 1 2 ...[0, 1, 2, ...( 1)]kS S S S k= + + + −
i i
i
dF -SdT dp EdD - n d= + ν + μ∑
0dS
dt
<
i ed S d SdS
dt dt dt
= +
8 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 6
ТЕПЛО+ И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
где энтропия k;го вида живого
Sк = Sк,ген + Sк,сам , (9)
где Sк,ген — сумма меры генетической информа;
ции; Sк,сам — мера информации о процессах са;
моорганизации, для которых свойства элементов
системы создают величины Sк,ген.
Число, показывающее во сколько раз умень;
шается количество информации при переходе к
следующей иерархии синтеза информации, на;
зывается ценностью генетической информации
Zk = Sк,ген / S(к+1),ген . (10)
Ценность генетической информации падает
по мере эволюции жизни [5].
Генетическая информация как запоминание
случайного выбора всегда возникает в результате
взаимодействия с окружением, когда реализация
запоминания в виде многократного воспроизве;
дения происходит на основе процессов, принци;
пиально отличных от тех, которые создали ис;
ходную генетическую случайность. Такой
ступенчатый синтез информации носит иерархи;
ческий характер и описывается энтропией. Ее
определяют условия вероятности, поэтому по ме;
ре усложнения форм жизни уменьшается энтро;
пия в пределах данной ступени иерархии.
Надо полагать, Дж. Николис и A.M. Хазен
правы [5, 6], когда утверждают, что жизнь обус;
ловлена иерархическим синтезом случайностей,
причем для каждой последующей иерархии син;
тезируются свои условия, отличные от условий на
предыдущих ступенях. В результате к энтропии,
описывающей предыдущее состояние системы,
добавляется энтропия, создаваемая новыми со;
стояниями, которые регулируют новые условия.
Поэтому эволюция жизни в сторону более органи;
зованных форм есть процесс иерархического
увеличения суммарной энтропии. Жизнь — ес;
тественный процесс (поэтому самопроизволь;
ный) увеличения энтропии. Иерархия синтеза
информации и есть эволюция жизни.
Выводы
Указывается, что иерархический характер
синтеза информации в процессе эволюции и раз;
вития живых существ (Дж. Николис, А. Хазен)
описывается энтропией. Эволюция жизни в сто;
рону более организованных форм есть процесс
ступенчатого увеличения суммарной энтропии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Николис Г., Пригожин И. Познание сложно;
го. Введение: Пер. с англ. – М.: Мир, 1990. – 344 с.
2. Климонтович Ю.Л. Турбулентные движе;
ния и структура хаоса. – М.: Наука, 1990.
3. Пригожин И. Введение в термодинамику
необратимых процессов. – М.: ИЛ.; 1960. – 127 с.
4. Де Гроот С., Мазур П. Неравновесная тер;
модинамика. – М.: Мир, 1964. – 456 с.
5. Николис Дж. Динамика иерархических систем.
Эволюционное представление: Пер. с англ. / Предис;
ловие Б.Б. Кадомцява. – М.: Мир, 1989. – 488 с.
6. Хазен А.М. Происхождение и эволюция
жизни и разума с точки зрения синтеза информа;
ции // Биофизика. 1992. Том 37, вып. 1, с. 105;121.
Получено 19.10.2005 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 6 9
ТЕПЛО+ И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61489 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:35:15Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Долинский, А.А. Драганов, Б.Х. 2014-05-06T15:11:43Z 2014-05-06T15:11:43Z 2005 Энтропия и эволюция живых существ / А.А. Долинский, Б.Х. Драганов // Промышленная теплотехника. — 2005. — Т. 27, № 6. — С. 7-9. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61489 536 (075.6):53 Излагаются термодинамические основы биологической эволюции. Подчеркивается принцип иерархического развития жизни и взаимозависимость энтропии и информации в процессе эволюции. Викладено термодинамічні основи біологічної еволюції. Підкреслюється принцип ієрархічного розвитку життя і взаємозалежність ентропії й інформації в процесі еволюції. Thermodynamic bases of biological evolution are considered. The principle of hierarchical life development and interdependency of entropy and information in the evolution process is emphasized. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные процессы Энтропия и эволюция живых существ Entropy and evolution of living beings Article published earlier |
| spellingShingle | Энтропия и эволюция живых существ Долинский, А.А. Драганов, Б.Х. Тепло- и массообменные процессы |
| title | Энтропия и эволюция живых существ |
| title_alt | Entropy and evolution of living beings |
| title_full | Энтропия и эволюция живых существ |
| title_fullStr | Энтропия и эволюция живых существ |
| title_full_unstemmed | Энтропия и эволюция живых существ |
| title_short | Энтропия и эволюция живых существ |
| title_sort | энтропия и эволюция живых существ |
| topic | Тепло- и массообменные процессы |
| topic_facet | Тепло- и массообменные процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61489 |
| work_keys_str_mv | AT dolinskiiaa éntropiâiévolûciâživyhsuŝestv AT draganovbh éntropiâiévolûciâživyhsuŝestv AT dolinskiiaa entropyandevolutionoflivingbeings AT draganovbh entropyandevolutionoflivingbeings |