Природа не однородна. Большая часть Вселенной сложна и состоит из различных подсистем—автономных систем внутри большего целого. Микроскопические клетки и их окружение, например, можно разделить на множество различных подсистем: рибосому, клеточную стенку и внутриклеточную среду, окружающую клетку.

Второй закон термодинамики говорит нам, что средняя энтропия замкнутой системы, находящейся в контакте с тепловой ванной,—грубо говоря, ее "беспорядок"— всегда возрастает с течением времени. Лужи никогда не замерзают обратно в компактную форму кубика льда, а яйца никогда не разбиваются. Но второй закон ничего не говорит о том, что происходит, если замкнутая система состоит из взаимодействующих подсистем.

Новое исследование профессора СФИ Дэвида Вольперта, опубликованное в новом журнале физики, рассматривает, как набор взаимодействующих подсистем влияет на второй закон для этой системы.

- Многие системы можно рассматривать как подсистемы. Ну и что? Зачем на самом деле анализировать их как таковые, а не как одну общую монолитную систему, для которой у нас уже есть результаты", - риторически спрашивает Вольперт.

Причина, говорит он, заключается в том, что если вы рассматриваете что-то как множество взаимодействующих подсистем, вы приходите к "более сильной версии второго закона", которая имеет ненулевую нижнюю границу для производства энтропии, которая является результатом того, как подсистемы связаны. Другими словами, системы, состоящие из взаимодействующих подсистем, имеют более высокий уровень производства энтропии, чем Единая однородная система.

Вся производимая энтропия-это тепло, которое должно быть рассеяно, а также энергия, которая должна быть потреблена. Таким образом, лучшее понимание того, как подсистемные сети влияют на производство энтропии, может быть очень важно для понимания энергетики сложных систем, таких как клетки, организмы или даже машины.

Работа Вольперта основана на другой его недавней работе, которая также исследовала термодинамику подсистем. В обоих случаях Wolpert использует графические инструменты для описания взаимодействующих подсистем.

Например, на следующем рисунке показаны вероятностные связи между тремя подсистемами—рибосомой, клеточной стенкой и внутриклеточной средой.

Подобно маленькой фабрике, рибосома производит белки, которые выходят из клетки и попадают во внутриклеточную среду. Рецепторы на клеточной стенке могут обнаруживать белки во внутриклеточной среде. Рибосома непосредственно воздействует на внутриклеточную среду, но лишь косвенно-на рецепторы клеточной стенки. Несколько более математически: A влияет на B, А B влияет на C, но A не влияет непосредственно на C.

Почему такая сеть подсистем имеет последствия для производства энтропии?

"Эти ограничения—сами по себе—приводят к усиленной версии второго закона, где вы знаете, что энтропия должна расти быстрее, чем это было бы без этих ограничений", - говорит Вольперт.

A должен использовать B в качестве посредника, поэтому он не может действовать непосредственно на C. Это ограничение и есть то, что ведет к более высокому уровню производства энтропии.

Остается еще много вопросов. Текущий результат не учитывает силу связей между A, B и C—только то, существуют ли они. Он также не говорит нам, что происходит, когда в сеть добавляются новые подсистемы с определенными зависимостями. Чтобы ответить на эти и другие вопросы, Вольперт работает с коллегами по всему миру, исследуя подсистемы и производство энтропии. "Эти результаты только предварительные", - говорит он.

ИСТОЧНИК