7. Енергетичні та ентропійні процеси (енергетика) життя

Існує дві думки щодо застосування другого початку термодинаміки (розглядалося у розділі 3) до живих систем. Одні вчені впевнені у правомірності застосування, інші - ні. Перші стверджують це, не сумніваючись у тому, що взагалі фізичні закони достатні для опису живих систем, тому, зокрема, і другий початок цілком можна застосувати до живих систем. Так, наприклад, французький біолог, не фізик, зауважимо, Ж. Моно зазначає, що «життя не випливає з законів фізики, але сумісна з ними». Другі відкидають застосовність другого початку до живих систем, оскільки вважають, що це закон, регулюючий теплові процеси, а в живому організмі джерелом роботи є не теплова енергія.

Ймовірно, для з'ясування істини необхідно більш широке, ніж термодинамічне або статистичне, визначення ентропії. Тому-то ми розглядаємо це питання тут, у розділі біологічних концепцій.

Ентропія і еволюція. Ймовірно, зародження проблеми взаємозв'язку між ентропією і еволюцією відбулося в 1854 р., коли Гельмгольц і Больцман першими звернули увагу на протилежні спрямованості закону зростання ентропії і законів теорії еволюції. Закон зростання ентропії свідчить про збільшення безладу і «теплової смерті» Всесвіту, тоді як теорія еволюції живих систем свідчить про процеси переходу від простих систем до більш складних систем, тобто вказують шлях зростання порядку. Після цього виникло багато різних напрямків в науці, що пов'язують ентропію, фактично друге початок, і еволюцію. Розглянемо їх, по можливості, послідовно.

Перший напрямок: некритичне сприйняття другого початку. Даний напрямок характеризується тим, що закон зростання ентропії з його прогнозом теплової смерті Всесвіту, зокрема, не має сенсу узгоджувати з що спостерігається еволюцією світу в бік ускладнення.

Другий напрямок: флуктуаційна гіпотеза. У 1886 р. Больцман передбачав теплову смерть Всесвіту, однак у 1898 році він висуває знамениту флуктуаційну гіпотезу: навколишнє нас макроскопічна область є нерівноважної флуктуацією у Всесвіті, в цілому перебуває в рівноважному стані.

В даний час ця гіпотеза Больцмана не є популярною в силу своєї антіеволюціонності.

Третій напрямок: другий початок діє не скрізь. Суть цього напряму полягає в тезі незастосовності другого початку до живих систем, хоча експериментальних доказів несправедливості другого початку по відношенню до живих систем не існує. Але трактування другого початку, як фізичного закону, ймовірно в цьому випадку не зовсім правильна, є штучною. Природа не знає поділу змінних на «фізичні» і «структурні», цей поділ справляє людина, що вивчає природу. Якщо про другий початку говорити в широкому сенсі, коли ентропія має і фізичну і структурну складові, то тоді, мабуть, закон зростання «такий« ентропії поширюється і на живі системи.

Четвертий напрямок: концепція Шредінгера (до речі, того самого Шредінгера, одного із засновників квантової механіки, батька основного рівняння в ній). Це загальноприйнята в даний час концепція, але має певні труднощі. В основі концепції Шредінгера лежать дві ідеї.

Перша ідея полягає в тому, що жива система є суто нерівноважної. Іншими словами, ця ідея виражає принцип сталого нерівноваги живих систем.

Друга ідея, розвиваючи першу, полягає в тому, що жива система зберігає неравновесность за рахунок зовнішнього середовища, черпаючи в ній необхідну впорядкованість, тобто негентропії (негативну ентропію). Шредінгер формулює цю ідею так: організм залишається живим «тільки шляхом, постійного вилучення з його навколишнього середовища негативною ентропії. Негативна ентропія - ось те, чим організм харчується ».

Наріжним каменем концепції є розуміння ентропії як міри безладдя. Певні труднощі концепції якраз пов'язані з цим положенням. Згідно Шредінгера, живі системи мають властивість черпати порядок з навколишнього середовища. Наша планета отримує високоякісну енергію від Сонця (якість енергії визначається малим потоком ентропії за рахунок високої температури поверхні Сонця), переробляє її, що, звичайно, супроводжується зростанням ентропії в навколишньому середовищі, і викидає в космічний простір разом з напрацьованою ентропією. Саме ця обставина забезпечує життєдіяльність на Землі. Сталість негентропійної раціону Землі в доступному для огляду інтервалі часу, мабуть, і лежить в основі відкритого Вернадським закону збереження біомаси на Землі. Таким чином, на рівні загальних уявлень проблема існування життя на Землі зрозуміла. Однак питання молекулярної самоорганізації, принципи відбору та еволюції як і раніше вимагають пояснення на фізичному або фізико-хімічному рівні. Розвиток подій в останні десятиліття XX століття показали обмеженість спрощеного уявлення ентропії як міри безладдя.

Синергетика як перша модифікація концепції Шредінгера. Термін «синергетика» запропонований Германом Хакеном для позначення підходу, в якому процеси самоорганізації вивчаються з різноманітних позицій, в тому числі, і з позиції теорії дисипативних структур, розробленої Іллею Пригожиним. Цей підхід розвивається у фізиці, хімії, біології і в інших дисциплінах. Синергетика вводить поняття дисипативної структури як нерівноважної структури, що виникає за рахунок відкритості системи та зобов'язаною, таким чином, своїм існуванням дихотомії системи і середовища: зменшення ентропії в системі (упорядкування) мислиться тут відбувається за рахунок зростання ентропії (безладдя) в середовищі. Основний зміст синергетики становить аналіз і рішення нелінійних рівнянь, що описують системи. Є деякі загальні риси рішень, будь це автокаталітіческій хімічна реакція Бєлоусова-Жаботинського (див. останній пункт в гол. 8) або біологічна система, або щось інше. Синергетика внесла в концепцію Шредінгера поправку: дихотомія типу «система - середовище» властива не тільки живим системам, але виявляється і в неживій природі - в гідродинаміці (комірки Бернара), фізики лазерів, хімії. Ці знахідки синергетики не руйнують концепцію Шредінгера, але все ж і не дають відповіді на основне питання - звідки береться порядок в тих системах, які служать «середовищем» для відкритих систем з утворюються в них дисипативних структурами?

Синергетика і природний відбір як друга модифікація концепції Шредінгера. Сьогодні роль природного відбору в еволюції не можна вважати до кінця зрозумілою. Ймовірно, природний відбір є одним з механізмів еволюції, впливає якимось чином на швидкість еволюції. Тут нас цікавить приватне питання: чи визначає природний відбір загальну спрямованість еволюції в бік ускладнення?

Відповідь на це питання в даний час негативна. Дійсно, в живому світі спостерігаються всілякі випадки: прогресивна еволюція в бік ускладнення (ароморфоз, він же арогенез чи морфофизиологический прогрес), або, навпаки, стабілізація рівня складності (идиоадаптация). І у всіх цих випадках природний відбір відповідальний за ці приватні форми еволюції. Таким чином, сам по собі природний відбір, хоча і є важливим (але не до кінця ясним) фактором еволюції, проте не відповідальний повністю за загальні напрямки еволюції.

Третя модифікація концепції Шредінгера: дихотомія «система - середовище» прискорює ріст ентропії. Дихотомія «система - середовище» знімає всі протиріччя еволюції, в бік ускладнення, з другим началом. Приміром, «якщо розглядати Сонячну систему як ізольовану, то ентропія її безперервно збільшується за рахунок випромінювання Сонця. На фоні цього грандіозного процесу зменшення ентропії у всіх живих організмах мізерно мало », - так стверджує відомий російський біофізик М. Волькенштейн.

Підіб'ємо підсумок обговорення концепції Шредінгера. Ця концепція виявилася плідною, сприяла розвитку синергетики. Але, відповідь на головне питання - звідки береться порядок, який потім споживається дисипативними структурами, - залишається. Дихотомія «система - середовище» не може бути єдиним джерелом порядку.

П'ятий напрям: зростання ентропії може супроводжуватися зростанням складності навіть в ізольованих системах. Даний напрямок є модифікацією першого напряму, в якому еволюція розуміється як розвиток у бік зростання ентропії. Зростання складності взагалі не суперечить зростанню ентропії. Пояснення цього твердження засноване на різних модифікаціях поняття ентропії.

Порядок з хаосу і хаос з порядку: дві гілки на дереві пізнання. У зазначеній проблемі можна виділити три положення, можуть представити інтерес.

Положення перше: розвинена структура має велику ймовірність, ніж хаос. Це твердження спирається на традиційні космологічні теорії виникнення Сонця і зірок (більш впорядковані структури) з розсіяних хмар газу і пилу (системи з великим безладдям) під дією сил гравітації. Тут реалізується ідея, згідно з якою порядок виникає з хаосу. У космологічних масштабах ця ідея не викликала сумніви не лише за часів Ньютона, але ще раніше в Стародавній Греції. Поряд з ідеєю «порядок з хаосу» існувало, в першу чергу, у фізиці, протягом «хаос із порядку», яке обгрунтовано у вигляді формулювання закону зростання ентропії. Таким чином, в історії людської думки спочатку борються дві лінії, які можуть бути ототожнені з ідеями «порядок з хаосу» і «хаос із порядку». Можна зробити висновок: більш ймовірна структура (яка має велику ентропію) може бути як більш розвиненою (складної), так і менш розвиненою, в залежності від конкретної ситуації. Ці дві лінії поступово зливаються.

Положення друге: те, що розвинена структура має велику ймовірність, ніж хаос, визначається дією взаємодії.

Третє положення: поширені уявлення про більшу ймовірність рівномірного розподілу («хаосу») пов'язані з не правомірним поширенням гіпотези про равновероятности мікростану за межі моделі ідеального газу.

Підводячи підсумок короткому обговоренню розвитку лінії людської думки «порядок з хаосу» і «хаос із порядку» приходимо до висновку: з зростанням ентропії може мати місце як утворення структур, так і їх руйнування. Але це може означати тільки одне: ентропія не є мірою безладу - складності.