Память среды и ванна энтропии живых систем

Оригинал: "Non-Markovian Entropy Dynamics in Living Systems from the Keldysh Formalism"
arXiv:2603.12184 · 2026-03-12 · CC BY 4.0 · 2 мин
Жизненный цикл организма — это кривая энтропии в форме ванны, и память среды управляет тем, как мы стареем.

Ванна с водой — простая вещь. Наполняешь её, и уровень держится, а потом медленно уходит в сток. Так же ведёт себя энтропия — мера беспорядка — в живом организме на протяжении жизни. Сначала, в детстве и юности, организм наводит порядок: клетки делятся, органы растут, энтропия падает. В зрелости порядок держится на плато, как вода в ванне. К старости беспорядок накапливается, и энтропия растёт, пока система не исчерпает себя.

Но у этой ванны есть особенность, о которой часто забывают. Вода в ней не просто стоит, а помнит, что было раньше. Среда, с которой обменивается организм, оставляет следы: эпигенетические метки на ДНК, накопленные повреждения, изменения в белках. Эти следы не исчезают мгновенно, а влияют на будущее. Физики называют такую память «цветным шумом» — в отличие от «белого шума», который забывает прошлое сразу. В новой теоретической работе авторы встроили эту память в математическое описание жизненного цикла и посмотрели, что изменится.

Главный инструмент — келдышевский формализм. Это способ описывать неравновесные системы, где система и среда рассматриваются на равных, а не как фигура и фон. Из него рождается ядро памяти — математический объект, который говорит, как сильно прошлое влияет на настоящее.

Результат оказался наглядным. Без памяти кривая энтропии — гладкая ванна: спуск, ровное дно, подъём. С памятью на спуске появляются колебания: организм как будто пробует разные варианты порядка, прежде чем выбрать один. На плато зрелости возникает медленный дрейф и усиленные коррелированные флуктуации — мелкие возмущения, которые тянутся друг за другом. А при старении подъём становится круче и получает длинный хвост: следы прошлой упорядоченности сохраняются дольше, чем можно было бы ожидать.

Эти изменения можно измерить по одному тонкому признаку. В равновесии связь между спонтанными флуктуациями и откликом на внешнее воздействие строго определена — это флуктуационно-диссипационная теорема. В живых системах она нарушается, и степень нарушения зависит от частоты. В молодости низкочастотные флуктуации подавлены: организм активно гасит случайные возмущения. В зрелости поведение почти равновесное. К старости низкочастотный шум усиливается — система теряет способность сопротивляться медленным сбоям.

Ещё одна деталь: авторы ввели «повреждённую переменную» — абстрактный счётчик накопленных поломок. Её динамика показывает критическое замедление: время возвращения к норме растёт, и вблизи критической точки система как будто замирает. Это и есть термодинамический признак приближения к смерти.

Так ванна энтропии перестаёт быть просто метафорой. Она становится точной кривой, которую можно рассчитать, если знать, как среда общается с организмом. Работа не даёт рецепта вечной жизни, но предлагает язык, на котором можно говорить о старении как о потере динамической устойчивости, а не только как о накоплении поломок. И в этом языке память среды — не помеха, а ключевой игрок.

В модели энтропийная ванна не универсальна: при увеличении времени памяти кривая старения приобретает длинный хвост, который означает, что организм дольше сохраняет следы своей прошлой упорядоченности после начала распада.

X_{AB}(\omega) = \frac{S_{AB}(\omega)}{\coth(\omega/2T_{\mathrm{ref}})\chi''_{AB}(\omega)}
Отношение спектра флуктуаций к диссипативной части отклика, нормированное на эталонную температуру; отклонение от единицы показывает неравновесность.
\langle \dot{S}_{\mathrm{tot}} \rangle = \int_{-\infty}^{\infty} \frac{d\omega}{2\pi} \frac{\omega^2}{T} |\chi(\omega)|^2 [S_\xi(\omega) - 2T\,\mathrm{Re}\,\tilde{\gamma}(\omega)]
Производство энтропии пропорционально нарушению флуктуационно-диссипационной теоремы, взвешенному квадратом восприимчивости.
\tau_{\mathrm{rel}} \sim |\mu - \mu_c|^{-\nu}
Вблизи критической точки время релаксации расходится степенным образом, что отражает замедление динамики при старении.
Учёные
Ludwig BoltzmannRudolf ClausiusJacob BekensteinStephen HawkingJames Clerk MaxwellEdward Witten
Понятия
энтропия Больцмана экосистема динамические системы моделирование биологических ритмов естественная изменчивость энтальпия стохастические дифференциальные уравнения динамика плавания микроорганизмов уравнение Больцмана стохастическая динамика в биологии энтропия неравновесное состояние тепловое равновесие флуктуационно-диссипационная теорема термодинамика второй закон термодинамики марковская цепь действие лагранжиан экологическая устойчивость