История земли и жизни на ней - К. Ю. Еськов 1999
4-а (дополнительная). Термодинамические подходы к сущности жизни. Второе начало термодинамики, энтропия и диссипативные структуры
Здесь нам опять придется начать издалека. В 1847 г. Г. Гельмгольц сформулировал закон сохранения энергии (ЗСЭ). Следует помнить, что ЗСЭ является всего лишь эмпирическим обобщением: строго говоря, никто не знает, почему энергию нельзя ни сотворить из ничего, ни уничтожить — просто этого не происходит ни в каких, сколь угодно хитроумных, наблюдениях и экспериментах. Мы с вами помним, что однажды ЗСЭ основательно пошатнулся — когда возникла необходимость объяснить, отчего светит Солнце (см. главу 1), однако тут подоспело открытие Эйнштейном эквивалентности массы и энергии, и все опять встало на свои места. Именно поэтому ни одно патентное бюро не станет рассматривать проект устройства для получения большей энергии, чем оно потребляет; такое устройство получило название вечный двигатель первого рода.
Первой созданной человеком машиной для превращения тепла в механическую энергию был паровой двигатель. Это устройство производит работу путем перемещения энергии в форме тепла из горячего резервуара (с паром) в холодный резервуар (с водой). Поэтому раздел физики, занимающийся взаимными превращениями работы и энергии, назвали термодинамикой, а паровой двигатель очень долго оставался его основной моделью. Первое начало термодинамики гласит, что «если резервуар с паром содержит некоторое количество энергии, то от паровой машины нельзя получить больше работы, чем допускает запас этой энергии». Легко видеть, что оно является одной из формулировок ЗСЭ; именно первое начало термодинамики и нарушает «вечный двигатель первого рода».
Ну, ладно: нельзя так нельзя. Но уж по крайней мере всю работу, что содержится в паре, мы можем извлечь? Имеется в виду если полностью устранить трение и всякие иные потери? Увы, оказывается, нет. Даже в идеальном случае не то что выиграть — нельзя даже «получить свое». В 1824 г. С. Карно установил, что доля тепловой энергии, которая может быть (даже в идеале!) превращена в работу, зависит от разности температур горячего и холодного резервуаров. Идеальная отдача K = (Т2 - Т1)/Т2, где Т1 и Т2 — температура холодного и горячего резервуаров (в градусах абсолютной шкалы Кельвина). Пусть, например, Т2 будет 400° (=127° С), а Т1 300° (=27° С). В этом случае K = (400 - 300)/400=0,25. Значит — даже в этом идеализированном случае лишь четверть энергии сможет быть превращена в работу, а остальные три четверти — бесполезно пропадут.
Если же у нас имеется только один резервуар (он же горячий, он же и холодный), то идеальная отдача, соответственно, будет равна нулю. То есть энергии-то в этом резервуаре с паром сколько угодно, но ни единая часть ее не может быть превращена в работу. Все это полностью относится и к другим видам энергии: работа, которую может совершить камень, падающий с края обрыва, зависит от высоты последнего (т.е. от разности потенциальных энергий камня), однако камень, лежащий посреди плоскогорья на высоте 5 км, никакой работы совершить не может. В этом и состоит одна из формулировок Второго начала термодинамики (ВНТ): «Ни одно устройство не может извлечь работу из системы, которая целиком находится на одном потенциальном уровне».
Устройство, предназначенное для извлечения работы из системы, имеющей единственный энергетический уровень (и, соответственно, нарушающее ВНТ), называется вечным двигателем второго рода. Представляете, как было бы здорово — откачать, например, энергию теплового движения молекул кастрюльки с водой (кастрюлька-то пускай при этом замерзнет — закон сохранения энергии мы чтим!) и перевести ее в механическую, электрическую, или еще какую-нибудь путную форму. Только ничего из этой затеи не выйдет: вечный двигатель второго рода невозможен точно так же, как и первого.
Между тем как только в системе появляются два энергетических уровня, энергия тут же начинает перетекать от более высокого уровня к низкому: тепло переходит от горячего тела к холодному, камень падает с обрыва, ток начинает течь от анода к катоду, и т.д. (поэтому существует и другая формулировка ВНТ: «Поток энергии всегда направлен от высокого потенциального уровня к низкому»). В случае, если наша паровая машина представляет собой замкнутую систему (т.е. никакое вещество и энергия не могут ни проникнуть в нее извне, ни покинуть ее), горячий резервуар будет постепенно остывать, а холодный — нагреваться; значит, в течение всего времени, пока в системе совершается работа разность температур резервуаров будет неуклонно падать. Тогда, в соответствии с соотношением Карно, доля содержащейся в системе энергии, которую можно обратить в работу, будет уменьшаться, а доля той «омертвленной» энергии, что недоступна для такого превращения — необратимо расти. Поэтому ВНТ может быть сформулировано еще и так: «В любом самопроизвольном процессе (когда энергии открыт путь для перетекания с более высокого уровня на низкий) количество недоступной энергии со временем увеличивается».
В 1865 г. Р. Клаузиус, имея дело с этой самой необратимо теряемой (диссипированной) энергией, ввел специальную величину, названную им энтропией (S); она отражает отношение тепловой энергии к температуре и имеет размерность кал/град. В любом процессе, связанном с превращениями энергии, энтропия возрастает или — в идеальном случае (горячий и холодный резервуары разделены абсолютным теплоизолятором, ток течет по сверхпроводнику и т.д.) — не уменьшается. Поэтому ВНТ иногда называют Законом неубывания энтропии. А самая краткая объединенная формулировка Первого и Второго начал термодинамики, предложенная тем же Клаузиусом (1865), звучит так: «В любой замкнутой системе полная энергия остается постоянной, а полная энтропия с течением времени возрастает».
Пусть у нас есть та же самая пара резервуаров — горячий и холодный; их соединяют, в результате чего их температуры, отражающие среднюю кинетическую энергию молекул, уравниваются. Можно описать эту картину и так: «Система вначале была структурирована — поделена на горячую и холодную части, а затем эта структура разрушилась; система перешла из упорядоченного состояния в беспорядочное, хаотическое». Понятиям «порядок» и «хаос» не так-то просто дать строгие определения, однако интуитивно мы подразумеваем, что порядок — это когда предметы разложены в соответствии с некой логической системой, а хаос — когда никакой системы не обнаруживается. Итак, мы видим, что когда энергия (в данном случае тепловая) перетекает в направлении, указанном ВНТ, хаос (беспорядок) в системе возрастает. А поскольку энтропия при этом растет тоже, то возникает вполне логичное предположение: а не являются ли «хаос» и «энтропия» родственными, взаимосвязанными понятиями? Так оно и есть: в 1872 г. Л.Больцман строго доказал, что Клаузиусова энтропия (S) действительно является мерой неупорядоченности состояния системы: S = k ln P, где k — универсальная постоянная Больцмана (3,29·10-24кал/гр), а P — количественное выражение неупорядоченности (оно определяется довольно сложным способом, который для нас сейчас неважен). Это соотношение называют принципом порядка Больцмана; оно означает, что необратимые термодинамические изменения системы всегда идут в сторону более вероятных ее состояний, и, в конечном счете, ведут к состоянию хаоса — максимальной выровненности и симметрии.
Поскольку в любой замкнутой системе энтропия непрерывно и необратимо возрастает, то со временем в такой системе, как наша Вселенная, исчезнет всякая структурированность и должен воцариться хаос. В частности, установится единая температура (которая, соответственно, будет лишь немногим выше абсолютного нуля). Эту гипотетическую ситуацию назвывают «тепловой смертью Вселенной»; рассуждения на эту тему были очень модны в конце прошлого века. Надо сказать, что закон неубывания энтропии — со всеми его глобально-пессимистическими следствиями — вообще создает массу неудобств для мироощущения любого нормального человека. Неудивительно, что регулярно возникает вопрос: а нельзя ли найти способ как-нибудь объегорить ВНТ и победить возрастание энтропии?
Те из вас, кто читал «Понедельник начинается в субботу», возможно, помнят работавших в НИИЧАВО вахтерами демонов Максвелла; кое-кто, возможно, даже прочел в «Словаре-приложении» разъяснение Стругацких, что существа эти первоначально «были созданы для вероломного нападения на Второе начало термодинамики». Суть мысленного эксперимента, осуществленного Дж. Максвеллом (1860) заключается в следующем. Есть два сосуда с газом, соединенные трубкой; система находится в тепловом равновесии: усредненные энергии молекул любых двух порций газа равны между собой. Это вовсе не означает, что все молекулы одинаковые: среди них есть более быстрые («горячие») и более медленные («холодные»), просто на больших числах это все усредняется. А что, если несколько быстрых молекул (чисто случайно!) перейдут из правого резервуара в левый, а несколько медленных — из левого в правый? Тогда левый сосуд несколько нагреется, а правый охладится (при этом суммарная энергия системы останется неизменной); в системе возникнет разность потенциалов, т.е. — возрастет упорядоченность, а энтропия снизится. В реальности такие отклонения будут — по теории вероятностей — сугубо временными. Давайте, однако, вообразим, что в соединяющей сосуды трубке сидит крошечный демон, который будет пропускать быстрые молекулы только слева направо, а медленные — справа налево. Через некоторое время все быстрые молекулы соберутся в правом сосуде, а все медленные — в левом, левый сосуд нагреется, а правый охладится; значит, энтропия отступила. Понятное дело, что такого демона в действительности не существует, но может быть мы со временем сумеем создать некое устройство, работающее на этих принципах?
К сожалению, не сумеем. (Кстати, сам Максвелл и не думал покушаться на ВНТ: ему-то демон был нужен просто для объяснения температуры через скорость движения молекул — в противовес тогдашним представлениям о «невидимой жидкости-теплороде».) Все дело в том, что наши резервуары с газом не являются полной системой: полная же система состоит из газа плюс демона. «Отлавливая» молекулы с соответствующими параметрами, наш демон вынужден будет пахать как трактор. Поэтому повышение собственной энтропии демона с лихвой перекроет то понижение энтропии, которое он произведет в газе. Одним словом, мы имеем дело с классическим вечным двигателем второго рода.
Однако постойте: энтропию газа-то демон, как ни крути, понизил... А ведь это идея!.. Пускай суммарная энтропия некой системы (скажем, Вселенной) необратимо возрастает — ну и Бог с ней. Мы же займемся тем, что будем локально понижать энтропию и повышать упорядоченность настолько, насколько нам нужно. Конечно, в других частях системы энтропия при этом вырастет, но нам-то что за дело? Реализуем ли такой сценарий? Разумеется, ведь саму жизнь вполне можно рассматривать как пример такого локального нарушения закона неубывания энтропии. Основатель квантовой механики Э. Шредингер в своей замечательной книге «Что такое жизнь с точки зрения физика?» именно так и определяет ее: как работу специальным образом организованной системы по понижению собственной энтропии за счет повышения энтропии окружающей среды.
Этот подход стал достаточно традиционным, однако он таит в себе ряд подводных камней — не научного, правда, а скорее философского плана. В рамках такого взгляда на проблему энтропия (вполне заурядная физическая величина) незаметно приобретает отчетливые черты некого Мирового Зла, а нормальное функционирование живых систем вдруг разрастается до масштабов глобального противостояния сил Света и Тьмы. (Следует заметить, что оные живые системы выглядят при этом отнюдь не толкиеновскими рыцарями, обороняющими Пеленорские поля от воинства Черного Властелина, а перепуганным мальчишкой, который безнадежно отчерпывает ржавой консервной банкой воду, хлещущую изо всех щелей лодки.) Поэтому нет ничего удивительного в том, что некоторые ученые на полном серьезе считают Второе начало термодинамики физическим воплощением Дьявола. Ну, а раз есть Дьявол, то возникает необходимость для равновесия ввести в картину Мира и Бога (как некое антиэнтропийное, организующее начало); с этого самого момента весь этот комплекс проблем, строго говоря, изымается из сферы науки и переходит в сферу богословия. В любом случае, жизнь в своем противостоянии закону неубывания энтропии выглядит обреченной на сугубо оборонительную стратегию, что исключает повышение сложности ее организации. В рамках такого подхода дилемма, сформулированная Р.Кэллуа (1973) «Могут ли и Карно, и Дарвин быть правы?», действительно кажется не имеющей решения.
Здесь необходимо подчеркнуть одно фундаментальное различие между термодинамикой (связанной «кровным родством» с химией) с одной стороны, и всей прочей физикой (выросшей, так или иначе, из классической механики) с другой. В классической динамике все процессы является обратимыми (это формулировали в явном виде все ее основатели, например, Галилей и Гюйгенс), а картина мира — детерминистической: если некое существо ("демон Лапласа») будет знать все параметры состояния Вселенной в некий момент времени, то оно сможет и точно предсказать ее будущее, и до мельчайших деталей реконструировать прошлое. Из обратимости же физических процессов следует, что время не является объективной реальностью, а вводится нами лишь для собственного удобства, как нумерация порядка событий: планеты могут обращаться вокруг Солнца как вперед, так и назад по времени, ничего не изменяя в самих основах ньютоновской системы. Революция, произведенная в физике Эйнштейном, этой сферы не затронула, а его окончательное суждение на сей предмет гласит: «Время (как и необратимость) — не более чем иллюзия». Случайности также не нашлось места в той картине Мира, что создана Эйнштейном; широко известна его чеканная формулировка: «Бог не играет в кости (God casts the die, not the dice)». Даже квантовая механика, наиболее отличная по своей «идеологии» от всех прочих физических дисциплин, сохраняет этот взгляд на проблему времени: в лежащем в ее основе уравнении Шредингера время остается однозначно обратимым.
Принципиально иную картину Мира рисовала термодинамика: здесь аналогом Вселенной являлся не часовой механизм с бесконечным заводом, а паровой двигатель, в топке которого безвозвратно сгорает топливо. Согласно ВНТ, эта мировая машина постепенно сбавляет обороты, неотвратимо приближаясь к тепловой смерти, а потому ни один момент времени не тождественен предыдущему. События в целом невоспроизводимы, а это означает, что время обладает направленностью, или, согласно выражению А. Эддингтона, существует стрела времени. Осознание принципиального различия между двумя типами процессов — обратимыми, не зависящими от направления времени, и необратимыми, зависящими от него — составляет саму основу термодинамики. Понятие энтропии для того и было введено, чтобы отличать первые от вторых: энтропия возрастает только в результате необратимых процессов. При этом, как заключает И.Пригожин, «стрела времени» проявляет себя лишь в сочетании со случайностью: только если система ведет себя достаточно случайным образом, в ее описании возникает реальное различие между прошлым и будущим, и, следовательно, необратимость. Картина Мира становится стохастической — т.е. точно предсказать изменения Мира во времени принципиально невозможно, а потому «демона Лапласа» следует отправить в отставку за полной его бесполезностью.
В XIX в. изучали лишь наиболее простые, замкнутые системы, не обменивающиеся с внешней средой ни веществом, ни энергией; при этом в центре внимания находилась конечная стадия термодинамических процессов, когда система пребывает в состоянии, близком к равновесию. Тогдашняя термодинамика была равновесной термодинамикой. Именно равновесные состояния (в разреженном газе) изучал Больцман, с чем и была связана постигшая его творческая неудача: горячо восприняв идею эволюции (хорошо известна его оценка: «Девятнадцатый век — это век Дарвина»), он потратил массу сил и времени на то, чтобы дать дарвинизму строгое физическое обоснование, но так и не сумел этого сделать[11]. Более того, введенный им принцип порядка налагает прямой запрет на возникновение организованных (и потому менее вероятных) структур из неорганизованных, — т.е. на прогрессивную эволюцию. На неравновесные же процессы в то время смотрели как на исключения, второстепенные детали, не заслуживающие специального изучения.
Ныне ситуация коренным образом изменилась, и именно замкнутые системы рассматриваются как сравнительно редкие исключения из правила. При этом было установлено, что в тех открытых системах, что находятся в сильно неравновесных условиях, могут спонтанно возникать такие типы структур, которые способны к самоорганизации, т.е. к переходу от беспорядка, «теплового хаоса», к упорядоченным состояниям. Создатель новой, неравновесной термодинамики И. Пригожин назвал эти структуры диссипативными, стремясь подчеркнуть парадокс: процесс диссипации (т.е. безвозвратных потерь энергии) играет в их возникновении конструктивную роль. Особое значение в этих процессах имеют флуктуации — случайные отклонения некой величины, характеризующей систему из большого числа единиц, от ее среднего значения (одна из книг Пригожина так и называется — «Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядочению через флуктуации»).
Одним из простейших случаев этой спонтанной самоорганизации является так называемая неустойчивость Бенара. Если мы будем постепенно нагревать снизу не слишком толстый слой вязкой жидкости, то до определенного момента отвод тепла от нижнего слоя жидкости к верхнему обеспечивается одной лишь теплопроводностью, без конвекции. Однако когда разница температур нижнего и верхнего слоев достигает некоторого порогового значения, система выходит из равновесия и происходит поразительная вещь. В нашей жидкости возникает конвекция, при которой ансамбли из миллионов молекул внезапно, как по команде, приходят в согласованное движение, образуя конвективные ячейки в форме правильных шестиугольников. Это означает, что большинство молекул начинают двигаться с почти одинаковыми скоростями, что противоречит и положениям молекулярно-кинетической теории, и принципу порядка Больцмана из классической термодинамики. Если в классической термодинамике тепловой поток считается источником потерь (диссипации), то в ячейках Бенара он становится источником порядка. Пригожин характеризует возникшую ситуацию как гигантскую флуктуацию, стабилизируемую путем обмена энергией с внешним миром.
Еще более удивительны явления самоорганизации, происходящие в неравновесных химических системах (например, в так называемых химических часах). Если в ячейках Бенара речь шла о согласованных механических движениях молекул, то здесь мы имеем дело со столь же согласованными, «как по команде», их химическими превращениями. Предположим, что у нас имеется сосуд с молекулами двух сортов — «синими» и «красными». Движение молекул хаотично, поэтому в любой из частей сосуда концентрация «синих» и «красных» молекул будет несколько отклоняться от средней то в одну, то в другую сторону, а общий цвет реакционной смеси должен быть фиолетовым с бесконечными переходами в сторону синего и красного. А вот в химических часах мы увидим нечто совершенно иное: цвет всей реакционной смеси будет чисто-синий, затем он резко изменится на чисто-красный, потом опять на синий, и т.д. Как отмечает Пригожин, «столь высокая упорядоченность, основанная на согласованном поведении миллиардов молекул, кажется неправдоподобной, и если бы химические часы нельзя было наблюдать «во плоти», вряд ли кто-нибудь поверил бы, что такой процесс возможен». (По поводу последнего следует заметить, что первооткрывателю этого типа реакций П. Б. Белоусову пришлось на протяжении многих лет доказывать, что демонстрируемые им — причем именно «во плоти»! — химические часы не являются просто фокусом.) Помимо химических часов, в неравновесных химических системах могут наблюдаться и иные формы самоорганизации: устойчивая пространственная дифференциация (в нашем примере это означало бы, что правая половина сосуда окрасится в красный цвет, а левая — в синий), или макроскопические волны химической активности (красные и синие узоры, пробегающие по фиолетовому фону).
Однако для того, чтобы в некой системе начались процессы самоорганизации, она должна быть как минимум выведена из стабильного, равновесного состояния. В ячейках Бенара неустойчивость имеет простое механическое происхождение. Нижний слой жидкости в результате нагрева становится все менее плотным и центр тяжести смещается все дальше наверх; по достижении же критической точки система «опрокидывается» и возникает конвекция. В химических системах ситуация сложнее. Здесь стационарное состояние системы представляет собой ту стадию ее развития, когда прямая и обратная химические реакции взаимно уравновешиваются, и изменения концентрации реагентов прекращаются. Вывести систему из этого состояния очень трудно, а в большинстве случаев — просто невозможно; не зря реакции типа «химических часов» были открыты лишь недавно, в 50-е годы (хотя их существование было теоретически предсказано математиком Р. Вольтерра еще в 1910 г.). Для того, чтобы устойчивость стационарного состояния оказалась нарушенной, есть одно необходимое (но не достаточное) условие: в цепи химических реакций, происходящих в системе, должны присутствовать автокаталитические циклы, т.е. такие стадии, в которых продукт реакции катализирует синтез самого себя. А ведь именно автокаталитические процессы, как мы помним по главе 4, составляют основу такого процесса, как жизнь.
Итак, жизнь можно рассматривать как частный случай в ряду процессов химической самоорганизации в неравновесных условиях, происходящих на основе автокатализа. Интересно, однако, при этом сопоставить функционирование живых объектов и самоорганизующихся неорганических систем. В примерах самоорганизации, известных из неорганической химии, участвующие в реакциях молекулы просты, тогда как механизмы реакций сложны. Например, в реакции Белоусова-Жаботинского (окисление малоновой кислоты броматом калия, катализируемое солями церия) насчитывается около тридцати промежуточных продуктов. В примерах же самоорганизации, известных из биологии, схема реакции, как правило, проста, тогда как участвующие в ней молекулы (белки, нуклеиновые кислоты) очень сложны и специфичны. Это различие представляется Пригожину чрезвычайно важным, соответствующим фундаментальному различию между биологией и физикой: «У биологических систем [в отличие от физических — К.Е.] есть прошлое. Образующие их молекулы — итог предшествующей эволюции, они были отобраны для участия в автокаталитических механизмах». Этот вывод впрямую перекликается с известными нам по главе 4 построениями М. Эйгена о самоорганизации молекул на основе матричной репродукции и естественного отбора.
Думаю, не будет ошибкой сказать, что бурно развивающаяся неравновесная термодинамика буквально на наших глазах меняет всю картину Мира, в котором мы живем. Например, Второе начало термодинамики приобретает в ней совершенно иной философский смысл, ибо именно энтропия является тем самым «сырьем», из которого диссипативные структуры могут создать (а могут и не создать — это дело случая!) более высокую, чем прежде, упорядоченность. Для нас же здесь наиболее существенно то, что в ее рамках процесс происхождения жизни теряет свою абсолютную уникальность (а вместе с нею — и сопутствующий мистический ореол) и становится обычной, хотя и чрезвычайно сложной, научной проблемой. Как пишет Пригожин, «старая проблема происхождения жизни предстает в новом свете. Заведомо ясно, что жизнь несовместима с принципом порядка Больцмана, но не противоречит тому типу поведения, который устанавливается в сильно неравновесных условиях». И далее: «Разумеется, проблема происхождения жизни по-прежнему остается весьма трудной, и мы не ожидаем в ближайшем будущем сколько-нибудь простого ее решения. Тем не менее, при нашем подходе жизнь перестает противостоять «обычным» законам физики, бороться против них, чтобы избежать предуготованной ей судьбы — гибели».