Компьютерра - Журнал Компьютерра №707

Принципиальное решение проблемы дал немецкий физик Карл Филипп Готлиб (1822–88), прославившийся в науке под псевдонимом Клаузиус. В 1850 году он опубликовал фундаментальный труд "О движущей силе теплоты", в котором ввел понятие энтропии. Диаграммы изменения энтропии при исследовании химических процессов стал широко использовать Гиббс (1839–1903).

Энтропия как характеристика, связанная с упорядоченностью физических систем, позволила впервые проанализировать качественные свойства процессов движения в живых и неживых объектах. В частности, оказалось, что энтропия изолированной физической системы в процессах движения стремится к увеличению, что было сформулировано в виде Второго начала термодинамики [По Клаузиусу, Второе начало звучит так: "Теплота не может переходить от холодного тела к теплому сама собой, даровым способом". Больцман утверждал: "Природа стремится к переходу от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным". Существуют и другие эквивалентные формулировки].

Напротив, живые системы явно демонстрируют полное пренебрежение этим великим принципом, уменьшая в процессе жизнедеятельности присущую им энтропию.

Собственно, вот мы и подошли к главному. Критерий, позволяющий определить, какую физическую систему мы конструируем - живую или мертвую, оказался прост. Если система замкнута, способна лишь "двигаться на излете", растрачивая исходный запас энергии, значит, она мертва. Хотя и может демонстрировать весьма активное и сложное поведение, определенным образом структурировать себя, но… Таковы все наши машины и механизмы. С момента рождения они уже мертвы. Такой вот парадокс…

Конструировать живую (в термодинамическом смысле) систему можно лишь в классе открытых систем, не подпадающих под "юрисдикцию" Второго начала. Строго говоря, здесь возникает некоторая неопределенность терминов. "Открытая система" - это ведь не объект, а скорее процесс, протекающий в границах некоего объема пространства, который лишь для внешнего наблюдателя будет восприниматься как объект. И даже не один процесс, а множество: процессы обмена веществом и энергией с окружающей средой, процессы самоструктурирования, эволюции, процессы приема и обработки информации… Впервые об этом писал основатель общей теории систем Людвиг фон Берталанфи (1901–72). Рассматривая живой организм как систему, он отмечал, что живые тела с точки зрения термодинамики являются открытыми системами, а неживые тела функционируют как закрытые системы, то есть не обмениваются веществом и энергией с окружающей средой.

Здесь уместно привести примеры таких термодинамически "живых" объектов-процессов: пламя костра, огонь, бегущий по бикфордову шнуру… В последнем случае, очевидно, система способна к самодвижению. Подобных примеров читатель может найти множество, однако не следует забывать, что мы сейчас говорим лишь о "жизни" как определенной категории термодинамических процессов и не более. Мы не случайно взяли здесь слово "жизнь" в кавычки. Сами по себе горящие дрова или порох бикфордова шнура - всего лишь системы, увеличивающие свою энтропию, растрачивая имеющиеся запасы химической энергии, то есть вполне подвластные Второму закону термодинамики.

Устойчивое существование имеет место, пока поддерживаются нужные условия, однако эти условия могут разрушаться самим существованием нелинейной системы. Так, автокаталитические реакции, производящие собственный катализатор, убыстряющимися темпами исчерпывают запасы реагентов, приближая собственный конец, если запасы реагентов не пополняются. Такое пополнение может осуществляться искусственно в лабораторной установке или естественно за счет обмена веществ в организме. Но ни в том, ни в другом случае не может быть вечным.

Таким образом, целостность связана с темпоральностью в смысле временности, преходящести существования и в том случае, когда система способна к динамической устойчивости.

Добронравова И.С., Физика живого как феномен постнеклассической науки//Физика живого. 2001. Т.9. №1.

Точка зрения

Что является характерной особенностью жизни? Когда мы считаем материю живой? Тогда, когда она продолжает делать что-либо, двигаться, участвовать в обмене веществ с окружающей средой и т. д., - все это в течение более длительного отрезка времени, чем, по нашим ожиданиям, могла бы делать неодушевленная материя в подобных условиях.

Эрвин Шредингер

Огромной преградой для практической разработки идей конструирования искусственных живых объектов в XIX–XX веках стала… сама биология.

Классическая биология, как наука о природе живого, издавна развивалась в русле идей эволюционизма Дарвина. Этот подход не то чтобы был закрыт для попыток глубокой физической интерпретации исследуемых явлений, но как бы не нуждался в них. Попытки ряда ученых описывать биологические процессы с позиций классической термодинамики лишь подтвердили уже известные факты и не дали новых идей для моделирования или экспериментального воспроизведения процессов возникновения живого.

Общую теорию систем, о которой мы упоминали выше, развивали не биологи. Процессы в живых системах стали рассматриваться как подмножество реализаций общесистемных законов - здесь активность проявляли "системщики". На другом фронте квантовые физики с энтузиазмом пытались применить свои теории для описания феномена жизни - здесь радикальную позицию занял Шредингер (да, да, тот самый, чье имя носит знаменитое уравнение). Он попросту заявил, что процессы жизнедеятельности несводимы к известным законам классической физики, поскольку "жизнь - это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время".

Механизмы поддержания этой упорядоченности и даже ее увеличения стали понятны много позднее - лишь в рамках теории самоорганизации.

Сегодня мы можем с большой долей уверенности утверждать, что наконец-то овладели теоретическим аппаратом, который может стать инструментом не просто описания процессов жизнедеятельности, но и практического проектирования живых систем "с нуля".

Еще раз отметим, что на первых порах мы не ставим перед собой задачу воспроизвести сразу весь спектр известных свойств земных биологических объектов, включая изменчивость и наследственность. Важно понимать, что в рамках решения задачи искусственного создания живых систем конкретные, соответствующие этим свойствам механизмы могут быть построены на совершенно иных принципах, нежели это "сделано" в природе. Лучше выйдет или хуже - вопрос другой.