
§
9.5. ТЕРМОДИНАМИКА И ЭВОЛЮЦИЯ 501
Мы
видим, что уравнения
(9.32)
и
(9.33)
описывают эволюцию
системы в разных шкалах времени. Уравнения
(9.32)
и
(9.36)
представляют быструю продукцию нового вещества Y при прак-
тически постоянных значениях {л:}, уравнения (9.33)—медлен-
ное
изменение {х} после того, как у достигло своего стабильного
значения,
отвечающего
G({x},
у, 0) = 0. Тем самым селекция
должна происходить весьма быстро. С термодинамической точки
зрения
ситуация эквивалентна представленной на рис. 9.4 — из-
быточная продукция энтропии, созданная флуктуациями, т. е.
добавочная диссипация, становится отрицательной. Энтропия и
ее продукция являются стохастическими функциями флуктуи-
рующих переменных, и термодинамические величины получаются
путем усреднения этих функций. При появлении нового веще-
ства Y можно построить функцию состояния, связанную с вводи-
мой
таким образом диссипацией. Для устойчивой системы эта
функция
имеет минимум. Эволюция возникает, если функция
имеет более чем один экстремум или
седловую
точку. Это — ва-
риационный
принцип, характеризующий эволюцию. После точки
перехода продукция энтропии возрастает, так как система пере-
ключается на путь быстрого синтеза вещества Y.
В случае, характеризуемом ю
п
-ц ~ е (см. (9.31)), уравнения
(9.34)
и
(9.35)
описывают (при неустойчивости) медленную эво-
люцию вещества Y к новому режиму. Сравнение с уравнением
Эйгена
(9.14)
показывает, что фактор е можно интерпретиро-
вать как среднюю скорость мутаций, причем неустойчивость не-
посредственно определяется ошибками копирования. В
случае
(о„+1
~ е~' (см. (9.30)) роль мутаций состояла во введении свя-
зей
между
старыми и новыми переменными. Эволюция через
неустойчивость определялась появлением новых элементов, как,
например,
новых ферментов.
Положим
в уравнении
(9.34)
G\ = 0, т. е. допустим, что но-
вое вещество производится только мутациями. Исходная си-
стема
(9.29)
может стать неустойчивой, если
G%
— возрастаю-
щая
функция у вблизи
({х
0
},
у, 0), где х
0
— решения- исходной
системы. В точке перехода добавочная диссипация, вводимая Y
и
соответствующими изменениями x
t
, становится отрицательной.
Наиболее интересно положение, относящееся к
случаю
(9.30),—
когда система, эволюционируя к новому устойчивому режиму,
увеличивает свою диссипацию. Такое поведение противоположно
поведению вблизи стационарного состояния, не сильно удален-
ного от равновесия и устойчивого по отношению к флуктуациям.
После
достижения нового режима система вновь стремится
уменьшить свою диссипацию.
Эти представления можно иллюстрировать простой кинети-
ческой моделью [53, 54]. Рассмотрим открытую систему, в кото-
рой
имеется поток мономеров
двух
видов (скажем, нуклеотидов)