Новости Библиотека Учёные Ссылки Карта сайта О проекте


Пользовательский поиск





предыдущая главасодержаниеследующая глава

ПОДВОДЯ ИТОГИ

ТЕРМОДИНАМИКА - КИБЕРНЕТИКА - ЖИЗНЬ

ЛЕОН БРИЛЛЮЭН

Как может существовать жизнь в мире, который управляется таким физическим законом, как Второе начала термодинамики? Законом, ведущим прямо к смерти и уничтожению?

Этот вопрос давно уже задавали себе многие ученые в частности швейцарский физик С. Гюи, изложивший свои соображения по этому поводу в очень интересной книге «Физико-химическая эволюция». Эта же проблем; обсуждалась в 1938 г. на научной конференции в Коллеж де Франс; собравшиеся там физики, химики и биологи пытались согласовать свои точки зрения. Окончательного согласия они так и не достигли, но к концу дискуссии удалось выделить три довольно хорошо определившиеся группы мнений:

А. Наши нынешние познания в физике и химии основном полны, и известные нам физические и химические законы должны вскоре привести к выяснению феномена жизни, не прибегая к какому-либо специальному «жизненному началу».

Б. Конечно, в физике и химии мы уже знаем очень многое, но утверждать, будто мы знаем в этой области все, было бы самонадеянно. Допустимо, что среди предстоящих открытий будут именно те, которые позволят нам понять феномен жизни. Жизнь не противоречит уже известным физическим и химическим законам, но в то же время показывает, что нужно узнать еще что-то, чтобы понять это явление. И неважно, назовем ли мы то что должны узнать, «жизненным началом» или еще как-нибудь.

В. Феномен жизни невозможно понять, не прибегая к «жизненному началу». Поведение живых организмов принципиально отличается от поведения, свойственного неживой материи. Наши законы термодинамики, особенно Второй, относятся только к мертвым, инертным объектам; жизнь этому закону не подчиняется, а новое «жизненное начало» должно будет выявить те условия, в силу которых жизнь противоречит Второму закону термодинамики.

Еще одно обсуждение этой проблемы происходило в 1946 г. в Гарварде, но привело к тем же результатам и подтвердило такое же расхождение мнений.

Излагая вкратце эти три точки зрения, я ввел, конечно, известные упрощения; насколько помню, мнения Л и Б были сформулированы достаточно ясно и недвусмысленно. Что же касается мнения В, то его никто не осмелился сформулировать так четко и ясно, как это сделал я. Однако если вспомнить некоторые высказывания или туманные намеки, допущенные в дискуссии, то покажется очевидным, что их источником была именно такая точка зрения. На чем она основана?

Будем рассуждать следующим образом. Вот перед нами живой организм. Он обладает некоторыми особенностями, позволяющими ему избегать гибели, залечивать ранения и вылечиваться от случайных болезней. Странный образ действий, особенно если вспомнить, что у неживой материи ничего такого не наблюдается. Является ли такой образ действий исключением из Второго закона термодинамики? Похоже на то, по крайней мере внешне. Значит, мы должны приготовиться к тому, чтобы признать какой-то «жизненный принцип», позволяющий в некоторых случаях не подчиняться Второму закону; а именно этот закон требует полного уничтожения живого организма. Тогда у организма исчезает устойчивость к болезням, способность к заживлению ран - распад идет неудержимо и заканчивается в очень короткие сроки.

Итак, мы приходим к выводу, вернее к вопросу: как относится жизнь ко Второму закону термодинамики? Не дремлет ли в организме какая-то сила, позволяющая ему противостоять этому закону?

О научном отношении

Указанные выше группы мнений можно сравнить с тремя типами отношения ученых к проводимым ими исследованиям:

A. Отношение явно консервативное, не желающее никаких перемен, заинтересованное только в развитии и применении хорошо обоснованных методов и принципов.

Б. Отношение прогрессивное, свойственное ученым с открытым мышлением, способным воспринять новые открытия и идеи.

B. Отношение восторженное, с сильной склонностью к поспешным выводам и к удовлетворению теориями, не имеющими прочного экспериментального фундамента.

В упомянутой дискуссии большинство неспециалистов примкнуло к группе Б. Это легко понять, учитывая, что для физиков нашего века характерно ощущение «неведомого» и что они постоянно должны остерегаться излишней самоуверенности.

Выдающиеся ученые старшего поколения - соответствующего началу нашего века - почти все относятся к группе А, т. е. разделяют распространенное в их эпоху мнение, что все уже познано и что будущим поколениям ученых останется только совершенствовать эксперименты и повышать точность измерений на одну-две дальнейшие цифры в значениях физических постоянных. А ведь вскоре после этого были открыты кванты, теория относительности, радиоактивность...

Итак, для группы А характерна осторожность. Прежде чем отказываться от безопасной позиции прочно установившихся понятий, говорит осторожный физик, нужно доказать, что эти понятия, в сущности, не подтверждаются экспериментально. Именно так обстояло дело с опытом Майкелсона и Морли. И именно эти двое физиков были особенно упорными в неприятии теории относительности.

Отношение Б является, по-видимому, более конструктивным; оно свойственно некоторым тенденциям в научных исследованиях, характерных для прошлых столетий. Отношение типа В, несмотря на несколько мистический оттенок, тоже не лишено оснований и не остается бесплодным. Мы знаем много примеров новых открытий, приводивших к значительному ограничению ранее известных «законов». Кроме того, научный закон или принцип - это не «декрет», установленный какой-то сверхприродной силой, а выражение систематизации какого-то количества экспериментальных данных. Следовательно, пределы действия такого закона ограничены - он охватывает всю область эксперимента (и, быть может, кое-что сверх того), но мы должны быть готовыми к самым странным видоизменениям его, как только наши знания охватят более широкую область, чем охватывает самый закон. В подтверждение этому можно привести немало примеров из истории. Классическая механика когда-то была одной из самых обоснованных теорий. Но ей пришлось видоизмениться, когда она должна была описать поведение сверхбыстрых частиц (теория относительности), структуру атома (квантовая теория), явления космического масштаба.

Чтобы вернуться к проблеме жизни и термодинамики, обратимся к более оригинальной линии рассуждений, представленной в книге знаменитого физика Эрвина Шредингера «Что такое жизнь?». Это линия очень интересная, и здесь можно найти много тонких наблюдений. Некоторые из них мы обсудим. Согласно приведенной нами классификации, Шредингер несомненно относится к группе Б. Он говорит: «Не следует ожидать, что «законов физики», полученных из него [т. е. Второго начала термодинамики] и его статистической интерпретации, будет нам достаточно, чтобы найти простое объяснение поведению живой материи... Мы должны быть готовыми искать физический закон нового типа, управляющий этим явлением. И неважно, назовем ли мы его нефизическим или сверхфизическим». Причины, по которым Шредингер занял именно такую позицию, он очень хорошо изложил сам, так что заниматься ими сейчас не нужно. Тот, кто решит проработать его книгу, найдет там много материалов для размышления и дискуссии. Здесь укажем только, что речь идет о проблеме «Жизнь и Второй закон термодинамики». И выводы здесь не самоочевидны. Итак, приступим теперь к обсуждению этой проблемы.

Второй закон термодинамики: успехи и неудачи

Никто не может усомниться в правильности Второго закона термодинамики больше, чем это возможно, например, относительно основных законов механики. Проблемой тут является, однако, уточнение пределов применимости этого закона - тех отраслей науки или того класса проблем, к которым он приложим наверное. Будем же обращать особое внимание на все те случаи, когда этот закон «отделывается молчанием». Характерная черта Второго закона состоит в том, что ему придана форма неравенства. Некоторая физическая величина, называемая энтропией, не может уменьшаться (в определенных условиях, которые будут уточнены ниже), но мы не знаем, когда она остается постоянной, когда увеличивается и с какой скоростью увеличивается. Именно поэтому ответы, которые нам дает Второй закон, нередко носят уклончивый, двусмысленный характер. Нам ничего не известно о каком бы то ни было физическом эксперименте, противоречащем Второму закону, но столь же легко мы можем найти и много примеров, когда этот закон бесполезен. Попытаемся же систематизировать эти ограничения и недостатки Второго закона, так как именно ими обозначаются пределы области, в которой господствует жизнь.

Оба закона термодинамики относятся только к изолированным системам, замкнутым в сосудах, в которые не может проникнуть ни тепло, ни излучение; стопки такого сосуда не позволяют производить какую-либо работу с этой системой и не пропускают материю ни в том, ни в другом направлении. Первый закон термодинамики гласит, что общая энергия такой системы остается постоянной. Второй же закон оперирует другой величиной, так называемой энтропией (S), которая в такой системе должна возрастать или хотя бы оставаться постоянной,- уменьшаться она ни в коем случае не может. Эту ситуацию можно было бы объяснить и иначе: в такой системе количество энергии сохраняется, зато не сохраняется ее качество. Энергия может принимать «высококачественную» форму, т. е. такую, которую можно превратить в механическую работу или в работу электрического поля (речь идет, например, об энергии сжатого воздуха или заряженного электрического аккумулятора); существуют, однако, и «низкокачественные» формы энергии, например теплота. Поэтому Второй закон иногда считают законом «деградации» энергии, так как рост энтропии означает снижение «качества» общей энергии, содержащейся в изолированной системе.

Рассмотрим некоторую химическую систему (например, электрическую батарею) и измерим ее энтропию.

Потом опечатаем ее и оставим на некоторое время в покое. Если потом систему вскрыть и снова измерить ее энтропию, то окажется, что последняя в известной мере увеличилась. Если перед опечатыванием батарея была полностью заряжена, то теперь мы увидим, что она потеряла часть своего заряда и уже не может выполнить такое же количество работы, какое могла раньше. Это изменение может быть маленьким или его может вовсе не быть - достоверно лишь то, что в процессе хранения батарея не могла увеличить свой заряд, так как для этого в системе должны были бы произойти какие-то добавочные химические реакции, создающие определенный избыток энергии.

Однако жизнь основана на «высококачественной» энергии, иначе говоря, па «отрицательной энтропии» (Шредингер): уменьшение «высококачественной» энергий для живых организмов равнозначно отсутствию питания. Иначе говоря, живые организмы систематически расходуют высококачественную энергию, становясь таким образом одним из механизмов действия Второго закона. Предположим, например, что у пас есть живые клетки, остающиеся в строгой изоляции. Легко можно убедиться, что некоторое время они еще будут способны питаться благодаря доступным для них запасам энергии; однако рано или поздно эти запасы будут исчерпаны и наступит неотвратимая смерть.

Таким образом, Второй закон говорит о смерти вследствие изоляции.

Жизни непрестанно угрожает смерть, и единственный способ избежать ее состоит в том, чтобы избегать изоляции. Существование понятия «полной изоляции» предполагает существование способов, могущих обеспечить такую изоляцию,- значит, должны существовать идеальные стенки, способные воспрепятствовать какому бы то ни было перемещению материи. Но знаем ли мы какой-либо способ построить такую «непроницаемую стенку», которая не пропускала бы внутрь никакого излучения, не выпускала бы никакого излучения наружу? Теоретически это почти невозможно. Практически же это осуществимо в любой физической или химической лаборатории. Правда, тут возникает некоторое ограничение применимости Второго закона, если мы имеем дело с очень жестким излучением (например, космическим или жестким гамма-излучением), но я не думаю, чтобы такое излучение было как-нибудь связано с проблемой жизни; поэтому здесь нет надобности обсуждать такие случаи.

Время и Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики действительно равносилен смертному приговору, но это приговор, совершенно неопределенный во времени, и именно в этом состоит его самая странная черта. Второй закон гласит, что в замкнутой системе энтропия (S) будет возрастать, а «высококачественная энергия» - убывать. Нельзя предвидеть, однако, с какой скоростью это будет происходить. Нужно даже добавить ту возможность, что в системе вообще не будет ничего происходить, и величина S будет оставаться постоянной. Итак, Второй закон - это словно стрела, летящая все время в одну сторону, где нет ни нижнего, ни верхнего предела скорости. Химическая реакция может произойти за долю секунды, но может затянуться и на миллионы лет.

Хотя время не является фактором, явно входящим в состав Второго закона, но между этим законом и определением времени существует известная связь. Одна из важнейших характеристик времени - его необратимость: время идет и никогда не поворачивает вспять. Физиков этот факт наполняет изумлением. Все физические законы принципиально обратимы, т. е. зависят от времени, но не от его знака. Все они с таким же успехом могли бы действовать и в обратном направлении. Единственной физической ситуацией, в которой мы встречаемся с понятием о необратимости времени, является именно Второй закон термодинамики и связанные с ним физические явления (трение, диффузия, перепад энергии). Этот закон, как мы уже видели, постулирует, что время всегда идет в одном направлении и не может повернуть обратно. Если бы в нашей изолированной системе, где величина энтропии (S) возрастает, время можно было повернуть вспять, то энтропия начала бы уменьшаться, а это невозможно, так как всякая эволюция идет только в одном направлении...

Это фундаментальное наблюдение сделали уже создатели термодинамики. Так, лорд Кельвин описал его следующим образом:

«Если бы Природа могла повернуть вспять.

...Поэтому если бы движение каждой частицы материи во Вселенной стало вдруг совершаться в обратном направлении, то тем самым пошли бы вспять и все процессы в природе. Пенные буруны у подножия водопада снова превратились бы в воду; тепловые движения моле-кул снова превратились бы в энергию и взметнули свои массы кверху, сливаясь в сплошную, бьющую вверх струю воды. Теплота, возникшая при трении тел и рассеявшаяся вследствие теплопроводности и излучения, а затем поглощенная, собралась бы снова в точке соприкосновения этих тел, а тогда отбросила бы их друг от друга с такой же силой, какая раньше была к ним приложена. Каменные глыбы вернули бы себе из болот материалы, нужные им для восстановления прежней угловатой формы, а потом воссоединились бы с горным хребтом, от которого некогда отвалились. А если верна и материалистическая гипотеза о возникновении жизни, то и живые существа начали бы развиваться обратно,- сохраняя знание о будущем, но лишенные памяти о прошлом,- пока не превратились снова в нерожденных.

Однако реальные феномены жизни бесконечно превышают человеческую науку, и размышлять о таком воображаемом обратном развитии совершенно бесцельно.

Движения же материи, не связанные с жизнью, обратимы. Элементарное обсуждение их может привести нас к полному выяснению теории рассеяния тепла».

Это блестящее наблюдение окончательно укрепляет нас в том убеждении, что лорд Кельвин тоже относился к группе Б, ибо он уверен, что в феномене жизни есть что-то недоступное для нашей нынешней науки. Для приведенного лордом Кельвином описания предлагались различные иллюстрации. В кино мы можем наблюдать водопады, устремляющиеся вверх, или прыгунов, выскакивающих из воды прямо на трамплин; в принципе, однако, кинооператоры опасаются показать на экране жизнь, идущую «задним ходом», быть может, из страха перед цензорами. Во всяком случае это поразительное совпадение: именно жизнь и Второй закон термодинамики являются двумя важнейшими примерами невозможности обратного хода времени, что указывает на какую-то внутреннюю связь между ними. Однако эту проблему мы рассмотрим позже.

Статистическое толкование Второго закона термодинамики

Естественную тенденцию энтропии к росту истолковывают в настоящее время как проявление развития структур от менее вероятных к более вероятным. Теория, блестяще развитая Больцманом, Гиббсом и Максвеллом, объясняет энтропию как физическое выражение «вероятности» и бросает яркий свет на все термодинамические процессы.

Именно эта сторона проблемы очень хорошо рассмотрена и выяснена в книге Шредингера, так что повторять ее здесь не нужно.

Остановимся, однако, на одном особенно интересном вопросе. В статистической теории энтропия получает очень точное математическое выражение как логарифм вероятности. Этот логарифм можно рассчитать теоретически, если у нас есть данная физическая модель. Затем расчетную величину можно сравнить с экспериментальной.

Если окажется, что все сошлось, то эту же физическую модель можно использовать для анализа проблем, выходящих за рамки классической термодинамики, и, в частности, проблем, связанных со временем. Оказывается, что скорость диффузии газов в смеси, теплопроводность газов или скорость химических реакций можно рассчитать теоретически.

В этой области уже сделаны большие успехи, и во многих случаях мы можем определить, с какой скоростью будет возрастать энтропия. Как и следует ожидать, можно будет найти соответствующие модели для всех важнейших физических и химических проблем; но они еще не найдены, и нам пока приходится различать те проблемы, для которых уже разработаны методы применения статистической термодинамики, и те, для которых модели еще не удалось найти и при исследовании которых мы должны довольствоваться классической термодинамикой. В первой из этих групп подробная статистическая модель позволяет ответить на самые сложные вопросы; во второй - вопросы, связанные со временем, пока вообще нельзя рассматривать.

Деление на два класса экспериментов, в которых энтропия остается постоянной

Как мы уже говорили, в замкнутой системе энтропия должна, как минимум, оставаться постоянной. Если она возрастает, то в системе происходят необратимые изменения; если же эти изменения обратимы, то энтропия остается постоянной; к этому классу относятся обратимые циклы, рассматриваемые в учебниках термодинамики, или обратимые химические реакции.

Однако есть еще один случай, в котором изменений энтропии не наблюдается,- случай, обычно игнорируемый, о котором мы не найдем в учебниках ни единого слова просто потому, что ученые не могут найти ему объяснения. Это случай неустойчивого равновесия. Эту проблему легче пояснить на примерах,

Газовый кран в кухне закрыт неплотно. Просачивающийся газ смешивается с воздухом, образуя однородную смесь (неустойчивое равновесие). Ничего другого не происходит, пока в кухню не войдет какой-нибудь озорной малыш и не зажжет спичку, отчего весь дом взлетит в воздух. Вместо газа можно взять нефть, уголь или любой другой вид горючего: все наши запасы горючего находятся в состоянии неустойчивого равновесия. Камень может лежать на склоне горы годами, пока дожди не вымоют из-под него грунт, и тогда он скатится вниз. Если взять водопады или водохранилища, то мы будем иметь дело с запасами «белого угля». Уран оставался стабильным и спокойным миллионы лет, пока не появилась группа ученых, которые построили атомный котел, атомную бомбу и - как мальчишка-озорник в кухне - взорвали целый город.

Все это было бы невозможно, если бы Второй закон термодинамики был активным, а не пассивным принципом. Такие случаи не могли бы произойти в мире, в котором этот закон соблюдался бы строго.

Все эти рассуждения ведут к одному очевидному заключению: наши энергетические запасы сводятся к физическим системам, находящимся в состоянии неустойчивого равновесия. В действительности они являются запасами отрицательной энтропии - структурами, в которых «законный» рост энтропии не происходит пока не появится человек, развязывающий реакцию вследствие своего каталитического воздействия.

О таких системах, находящихся в состоянии неустойчивого равновесия, мы знаем очень мало. Никаких объяснений для них нет. Ученые на эту тему могут сказать лишь несколько невразумительных фраз о помехах, задерживающих реакцию, или о барьерах потенциала, стоящих между системами, которые должны были бы. реагировать между собою, по почему-то не реагируют. В этих туманных намеках, в сущности, есть зерно, и если развить его надлежащим образом, то оно может превратиться в полезную теорию. Несколько очень интересных опытов, основанных на истолковании катализа с помощью квантовой механики, вызвали в научных кругах большое возбуждение.

Остается, однако, нерешенным основной вопрос: Как могло случиться, что такие большие запасы отрицательной энтропии остались нетронутыми? Каков механизм этого отрицательного катализа, если он смог сохранить в целости такие мощные запасы энергии?

Жизнь и ее связи со Вторым законом термодинамики

В связи с изложенными выше проблемами возникло еще несколько чрезвычайно важных вопросов. Рассмотрим их один за другим в общем контексте проблемы механизма поддержания жизни.

Замкнутые системы. Во многих справочниках - иногда даже самых лучших - можно столкнуться с не очень ясным описанием проблемы роста энтропии. Обычно там встречаются утверждения типа: «энтропия Вселенной непрерывно растет». По моему мнению, такая формулировка выходит далеко за пределы наших современных познаний. Разве мы уже знаем, ограничена наша Вселенная или нет? Если ограничена, то каковы свойства этой границы? А знаем ли мы, замкнута наша Вселенная или нет? Поступают ли энергия и энтропия в нее или выходят из нее?

Не стоит, вероятно, говорить, что ответить на эти вопросы невозможно. Мы знаем, что Вселенная расширяется, но очень мало знаем о том, как и почему это про-

исходит. Расширение - это своего рода разрушение границ, т. е. их «таяние» (Под «границами» понимаются физические ограничения для экспансии материи: по мнению автора, вместе со своим расширением они теряют и свою «непроницаемость». - Примеч. ред.). Значит, ни энергия, ни энтропия не могут оставаться в их рамках постоянными. Лучше всего не говорить здесь вообще об «энтропии Вселенной». Выше мы упоминали об ограниченности физических законов и о том, что они надежно применимы лишь в определенных границах и в определенных масштабах величин. Вселенная как целое слишком велика для термодинамики и, наверное, выходит за пределы масштабов, в которых термодинамические законы могут быть применимыми. Доказательством этому мог бы служить тот факт, что теория относительности и все космологические теории, на ней построенные, всегда требовали абсолютного пересмотра и коренных изменений в термодинамических законах, чтобы эти последние можно было прилагать ко Вселенной как целому.

Итак, единственным разумным объектом дискуссии может быть в этом случае только энтропия некой воображаемой замкнутой структуры. Вместо того чтобы говорить о весьма загадочной Вселенной, поговорим лучше о том, что нам ближе, - о Земле. Здесь-то мы всегда стоим на твердой почве.

Земля - это не замкнутая система: она постоянно получает отрицательную энтропию и энергию извне (сюда относятся тепловое излучение Солнца, гравитационная энергия от Солнца и Луны, вызывающая океанские приливы, затем космическое излучение из неизвестных источников и т. д.). Наблюдается также и некоторое уменьшение этих величин, так как Земля тоже излучает энергию и энтропию. Каким же оказывается окончательный баланс этих величин? Положительный он или отрицательный? Чрезвычайно сомнительно, чтобы какой-либо ученый смог ответить на этот вопрос. Тем менее вероятным кажется, чтобы на него можно было ответить в масштабе всей Вселенной.

Итак, жизнь ведет себя как катализирующий фактор, способствующий процессам разрушения всех структур, находящихся в состоянии неустойчивого термодинамического равновесия. Однако это катализатор очень своеобразный - он «выигрывает» от хода вызванной им реакции. Если для развязывания химической реакции применить платиновый катализатор, то платина «не заинтересована» в ее ходе и ничего от этой реакции не выигрывает. Живое же существо заинтересовано в пище, так как, используя ее, может поддерживать состояние собственного неустойчивого равновесия. К этому факту мы еще вернемся в нашей дискуссии.

Из приведенных рассуждений можно в конце концов сделать тот вывод, что приговора «смерть через изоляцию» в мире живых существ можно избежать, если этот мир является неограниченной и незамкнутой системой.

Роль времени. Мы уже упоминали о случаях «молчания» Второго закона термодинамики. Мы также знаем, что если ход каждой реакции бывает задан, то ее скорость остается неопределенной: она может быть нулевой (неустойчивое равновесие), малой или очень большой. Катализаторы служат обычно для увеличения скорости реакций. Найдено, однако, несколько примеров «антикатализа», или «отрицательного катализа», т. е. замедления некоторых важных реакций (например, окисления).

Живые организмы и самый феномен жизни представляют собой важнейший тип катализа. Систематическое исследование явлений положительного и отрицательного катализа может оказаться чрезвычайно полезным - чтобы не сказать «необходимым» - для понимания явлений жизни.

Главными инструментами при построении теории катализа являются, несомненно, статистическое истолкование энтропии и квантовая механика. Эти исследования раньше или позже должны привести нас к пониманию механизмов, поддерживающих неустойчивое равновесие. Новооткрытые отрицательные катализаторы могли бы даже помочь стабилизировать некоторые неустойчивые системы, подвергающиеся сейчас спонтанному разложению; можно было бы таким образом создавать новые источники энергии и отрицательной энтропии - совершенно так, как мы научились делать это с пищевыми продуктами.

Мы уже говорили о роли живых организмов как катализаторов с давно уже известными свойствами. Каждый биохимик привык смотреть на ферменты или дрожжи как на своеобразные живые катализаторы, которые помогают преодолевать те или иные препятствия и развязывают реакции в системах, находящихся в состоянии неустойчивого равновесия. Живые существа, как и катализаторы, работают у предела Второго закона термодинамики. Здесь нужно добавить, однако, что каталитическое действие само по себе не является чем-то, не подчиняющимся Второму закону. Правда, катализатор ускоряет химическую реакцию, но о характере этого ускорения Второй закон попросту умалчивает. И именно поэтому мы видим, что жизнь балансирует у самого предела применимости Второго закона.

Однако для жизни характерна и еще одна черта, быть может еще более важная: это проблема рождения и воспроизведения, о которой мы до сих пор умалчивали. Рассмотрим взрослый экземпляр растения, животного или человека. Это самый необычайный пример химической системы в состоянии неустойчивого равновесия. Его неустойчивость не подлежит сомнению, поскольку система отличается чрезвычайно сложной организацией и является, в строгом смысле слова, наименее вероятной как система с очень низкой энтропией (а согласно статистическому истолкованию этой величины именно такие системы имеют очень малую вероятность существования). Ее неустойчивость проявляется в день смерти; тогда вся система оказывается вдруг предоставленной самой себе, лишается той таинственной силы, которая придавала ей целостность; в очень короткие сроки организм распадается на части и (если верить Священному писанию) обращается в прах, из которого возник.

Итак, живой организм - это химическая система, находящаяся в состоянии неустойчивости (термодинамического) равновесия, которое поддерживается некоей загадочной «жизненной силой», являющейся своеобразным отрицательным катализатором. Пока в организме тлеет жизнь, он способен поддерживать свою неустойчивую структуру, тем самым избегая разрушения; следовательно, он обладает способностью в значительной мере (точнее говоря - на протяжении всей жизни) задерживать нормальный процесс разрушения. Отсюда следует новый аспект феномена жизни: биохимики привыкли смотреть на живые организмы как на катализаторы, но сами эти организмы как таковые являются системами в состоянии неустойчивого равновесия, сохраняющиеся только в силу какого-то внутреннего антикатализа! Самый сильный яд - это только активный катализатор, а сильное противоядие - антикатализатор последней реакции - смерти.

Норберт Винер в своей книге «Кибернетика» высказывает подобный же взгляд, сравнивая энзимы и живые организмы с «демоном Максвелла». Он пишет: «Возможно также, что энзимы являются метастабильными демонами Максвелла, предназначенными уменьшать энтропию... Тогда было бы легче расшифровать живые организмы, например Человека. Как энзим, так и живой организм несомненно одинаково метастабильны: для энзима устойчивое состояние - это пассивность, для живого организма - смерть. В конечном счете все катализаторы могут изменять только скорость реакции, но не могут изменить состояние равновесия. Несмотря на это, как для катализаторов, так и для Человека метастабильные состояния определены настолько хорошо, что заслуживают того, чтобы их признали сравнительно постоянными условиями существования».

Живые организмы и неживые структуры. Во время дискуссии в Гарвардском университете (1946 г.) П. Бриджмен указал на фундаментальную трудность, связанную с возможностью приложения законов термодинамики к каким бы то ни было физическим системам, включающим в себя живые организмы. Действительно, как рассчитывать энтропию живого существа? Чтобы определить энтропию какой-либо системы, нужно иметь возможность построить или разрушить систему обратимым путем. Можно представить себе необратимый процесс, в котором живой организм создается или уничтожается,- ведь и рождение, и смерть являются необратимыми процессами. Но мы совершенно не можем представить себе способ, чтобы определить изменение энтропии, происходящее в организме в момент его смерти. Можно было бы даже придумать какой-либо способ для измерения энтропии мертвого организма (хотя это, по-видимому, выходит далеко за пределы наших нынешних экспериментальных возможностей), но это ничего не скажет нам о той энтропии, которой организм располагал до своей смерти.

По существу это трудность принципиального характера. Нет смысла говорить о величине, измерение которой лишено всякой оперативной схемы: такая процедура не осуществима. Определить энтропию, заключенную в живом организме, невозможно. Обсуждая все эксперименты, касающиеся живых организмов, биологи обычно уклоняются от этой трудности, постулируя практически постоянную энтропию живых организмов. Это предположение не противоречит результатам опытов, но все же оно остается гипотезой, доказать которую невозможно.

В известном смысле слова живую клетку можно сравнить с пламенем: в обоих случаях энергия поступает и выделяется, а в промежутке происходит сгорание. Энтропию пламени определить невозможно, так как эта система не находится в состоянии термодинамического равновесия. В случае живой клетки мы можем определить энтропию ее пищи и измерить энтропию отходов. Если клетка не выказывает никаких видимых изменений, то можно предполагать, что ее энтропия остается практически постоянной. Но в случае живой, развивающейся клетки все опыты показывают, что энтропия отходов выше энтропии пищи. Следовательно, превращения, производимые живой системой, соответствуют повышению энтропии (отходов) и являются подтверждением Второго закона термодинамики.

Поведение живых организмов отличается многими странными свойствами сравнительно с неживыми структурами. Эволюция видов, как и рост индивидуумов, является необратимым процессом. Тот факт, что эволюция шла от простейших форм ко все более сложным, очень трудно понять, и именно он кажется нам противоречащим принципу деградации энергии, о котором говорит Второй закон. Разумеется, тут можно ответить, что эта деградация применима только к полным системам, находящимся в изоляции, а не к отдельным частям таких систем. Однако нам все же трудно примирить между собой две противоположные тенденции в эволюции. Загадочными остаются также многие другие факты: воспроизведение, устойчивость и самоподдержание живого организма (вида), а также свобода воли.

Живые существа залечивают свои раны, преодолевают болезни и бывают способны регенерировать даже крупные части своей структуры, поврежденные или потерянные в результате несчастного случая,- это является, пожалуй, самой поразительной чертой их поведения. Представим себе, что у нашего автомобиля лопнула шина и что достаточно подождать немного, выкурить папиросу, и за это время шина сама себя зачинит, накачает себя до нужного давления и будет готова к дальнейшему пути. Это звучит неправдоподобно, хотя с чисто технической стороны мы можем представить себе самогерметизирующиеся или бескамерные шины. А ведь именно этим методом пользуется природа, когда нам случится порезаться при бритье. У неживой материи нет таких свойств самовосстановления. Именно поэтому многие ученые (принадлежащие к группе Б) считают, что наших законов физики и химии недостаточно, чтобы объяснить многие удивительные факты, и что нам нужно найти еще что-то - какой-то новый, очень важный закон природы, до сих пор ускользающий от нас. На вопрос о том, будет ли этот новый закон, могущий понадобиться для выяснения поведения живой материи, носить «сверхприродный» характер, Шредингер отвечает: «Не думаю... Новый принцип, связанный с этими явлениями, является скорей чем-то физическим. По моему мнению, это будет снова квантовая теория». Такая возможность есть, хотя ей далеко до достоверности, а высказывания Шредингера в этой области, хоть и блестящие, звучат неубедительно.

У живых организмов есть и много других важных свойств. Вернемся хотя бы к парадоксу «демона Максвелла», этого субмикроскопического существа, дежурящего у столь же микроскопической дверцы и открывающего ее только для быстрых молекул, обладающих высокой энергией и высокой температурой. А это невозможно, так как противоречит Второму закону термодинамики.

Но почему же это становится возможным в крупных масштабах? Ведь человек может открыть окно, когда жарко, и закрыть его в более холодные дни! Естественным ответом здесь является тот, что Земля не представляет собой замкнутой системы, но что мы находимся в неустойчивом состоянии, создаваемом излучениями Солнца и другими подобными источниками. И все-таки очень странно, что условия, не дозволенные в малом, субмикроскопическом масштабе, дозволяются в крупном масштабе; что крупные системы могут поддерживать состояние неустойчивого равновесия на длительные сроки, а жизнь есть игра, основанная на всех этих исключительных условиях у пределов Второго закона термодинамики.

Энтропия и разумность

Одной из наиболее интересных частей книги Винера «Кибернетика» нужно считать главу «Временные ряды, информация и связь». В рамках проводимой там дискуссии Винер утверждает, что некоторая «часть информации есть величина, обратная по знаку относительно другой, которую в таких случаях обозначают как энтропию».

Это очень важная точка зрения, открывающая пути к нескольким обобщениям понятия энтропии. Винер дает точное математическое определение этой отрицательной энтропии в области некоторых проблем информации и связи, а также обсуждает проблему предсказания времени: если у нас есть сколько-то данных о поведении системы в прошлом, то в какой степени мы можем предвидеть ее поведение в будущем?

Эти блестящие рассуждения Винер дополняет мыслью о необходимости расширить понятие энтропии: «Информация - это отрицательная энтропия». Но если встать на такую точку зрения, то ее неизбежно придется распространить и на все виды разумной деятельности.

Возьмем экземпляр нью-йоркской газеты «Тайме», книгу «Кибернетика» и равную им по весу пачку бумаг. Одинакова ли их энтропия? Согласно принятому физическому определению - да. Но для разумного читателя количество информации, содержащееся в этих трех пачках, весьма различно. Если информация означает «отрицательную энтропию», как предлагает Винер, то каким образом мы сможем измерить этот новый вклад в энтропию бумаг? Винер предлагает несколько численных определений, которыми можно было бы пользоваться при решении простейших проблем такого рода. Это, несомненно, совершенно новый подход к исследованиям, основанный на совершенно новых понятиях.

Можно найти немало примеров такого рода. Сравним хотя бы каменистую гору, пирамиду и плотину гидростанции. Количество вложенного в них уменья совершенно различно и должно отразиться в заключенной в каждой из них величине «отрицательной энтропии», хотя физическая энтропия у всех трех структур может быть одинаковой. Сравним энтропию вычислительной машины с суммой энтропии каждой из ее деталей до сборки. Разумно ли будет предполагать, что это величины равные? Или возьмем вместо «механического мозга» человеческий? можно ли считать, что его (общая) энтропия равна сумме энтропии его составных частей?

По-видимому, серьезное исследование этих проблем в направлении, которое указал Винер, может привести нас к очень важным заключениям и внести значительный вклад в изучение проблемы жизни.

Попытаемся найти ответы на некоторые из поставленных выше вопросов. Сравним «ценность» предметов из первого примера: пачки бумаги, «Кибернетики» и «Таймса». Для неграмотного все они имеют одинаковую ценность. Человек, знающий английский язык, предпочтет, вероятно, нью-йоркскую газету, математик же поставит выше всего «Кибернетику». Таким образом, ценность определяется здесь «общей отрицательной энтропией», если только наш взгляд правилен.

Аналогичное (как в кибернетике и в теории коммуникации) расширение понятия энтропии необходимо PI в биологии, особенно если говорить о новых определениях своеобразного спектра перцепции информации. В последние годы биологи провели множество интересных опытов, результаты которых можно назвать «новой классификацией энергии». В случае неживой материи достаточно знать ее энергию и энтропию; в случае живых организмов необходимо ввести понятие «питательной ценности», так как калории, заключенные в угле, и калории, содержащиеся в хлебе или мясе, различны по своей функции. «Питательную ценность» нужно оценивать по-разному в зависимости от различных организмов. Целлюлоза, например, служит пищей для одних организмов, тогда как другие не могут ее использовать. Когда речь идет о витаминах или гормонах, нужно учитывать новые свойства химических соединений - свойства, уже не сводящиеся только к энергии и энтропии.

Все это кажется еще довольно туманным, но указывает, по-видимому, на необходимость создать какую-то новую путеводную идею (можно назвать ее принципом или законом), которая послужила бы дополнением к нынешней термодинамике; только тогда можно будет логически связать между собой характерные свойства различных живых организмов и перейти в биологии от эмпирической стадии к конструктивной, основанной на новых законах и строго логической структуре.

Старая классическая идея физической энтропии нуждается сейчас в нескольких смелых, широких обобщениях, которые позволят применить ее для описания основных проблем жизни и разума. Эту точку зрения можно подкрепить еще одним примером. На всем протяжении XIX в. физики отчаянно стремились найти какую-то механическую модель, могущую объяснить законы, которыми управляются электромагнетизм и свет. Максвелл видоизменил проблему, создав электромагнитную теорию света. А вскоре эта теория сменилась электромагнитным истолкованием свойств материи.

Мы до сих пор ищем физико-химическую интерпретацию жизни. Но с таким же успехом может оказаться, что новые принципы или законы в биологии будут открыты в результате новой формулировки нынешних законов химии и физики, выражающей новую точку зрения на науку.

Так или иначе, первостепенную важность нужно сейчас приписать двум проблемам: во-первых, лучшему пониманию процессов катализа, поскольку жизнь явно основывается на некотором количестве процессов отрицательного катализа; во-вторых, значительному расширению понятия энтропии - в том направлении, какое указал Випер, дабы она получила возможность описывать процессы, происходящие в живых организмах, и ответить на вопрос, заданный П. Бриджменом.

предыдущая главасодержаниеследующая глава

http://www.radiocafemix.com/

Жареный картофель с грибами и луком




Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Злыгостев Алексей Сергеевич, 2001-2017
При копировании материалов активная ссылка обязательна:
http://nplit.ru 'NPLit.ru: Библиотека юного исследователя'