Кирилл Еськов - Доказательства эволюции

Так работает и двигатель вашего автомобиля, и холодильник в вашем доме, и огнестрельное оружие. Подобно тепловым машинам, биологические системы являются ни чем иным, как устройствами, потребляющими энергию Солнца и земных недр и преобразующими ее в упорядоченную эволюцию живого вещества. Так работает и рибосома, и митохондрия, и клетка, и каждый живой организм, и биогеосфера Земли в целом, являясь машиной эволюции видов. Более того, по принципу тепловых двигателей работают не только изделия человеческих рук и живые существа. Такие объекты неживой природы, как конвективные ячейки (см.: ячейки Бенара), морские течения, сезонные ветры, циклоны и т. д. тоже преобразуют хаос в порядок.

Однако нарушения второго начала термодинамики в этом нет. Дело в том, что упорядочение строения материи в ходе работы тепловых двигателей происходит только в ограниченной области пространства и только на ограниченное время. Во внешней по отношению к рабочему телу среде энтропия увеличивается, так что суммарная энтропия системы «рабочее тело плюс внешняя среда» все равно возрастает, в соответствии со вторым началом. Кроме того, тепловые двигатели могут работать, только потребляя энергию от внешних источников, то есть они не вечны.

Дж. Максвелл, рассуждая над вторым началом термодинамики, ввел понятие демона Максвелла — устройства, которое могло бы сортировать молекулы газа по скоростям и тем самым понижать энтропию в сосуде. В настоящий момент ясно, что «демон Максвелла» возможен (более того, все тепловые двигатели являются по сути такими «демонами»), однако он в процессе работы должен потреблять энергию из внешнего источника и диссипировать (рассеивать) ее в среду, тоже внешнюю по отношению к газу в сосуде.

Часто даже в школьных учебниках и научно-популярных книгах на вопрос, для каких систем справедливо второе начало термодинамики, отвечают неверно: оно якобы справедливо только для закрытых систем. Такой ответ путает понятие закрытой системы, за пределы которой невозможен обмен веществом , и системы изолированной , за пределы которой невозможен обмен энергией . Все изолированные системы закрыты, но не все закрытые — изолированы. Второе начало термодинамики, запрещающее уменьшение энтропии изолированной системы, не запрещает такового у системы неизолированной, хотя бы и закрытой. (Понятно, что наша Земля и ее биосфера изолированной системой отнюдь не является). Причина указанной путаницы, по-видимому — все то же недопонимание между специалистами разных профессий, в данном случае физиками и химиками. В то время как физики мыслят категориями термодинамики , которая уделяет основное внимание превращению энергии внутри системы, для химиков, как правило, важнее кинетика , которую интересуют в первую очередь превращения вещества .

Из-за этого обстоятельства некоторые химики, и особенно биологи, редко задумываются о различии между собою обратимых и равновесных процессов. Для термодинамики обратимый процесс — это процесс, в котором приращение энтропии равно подведенному к системе количеству теплоты, деленному на температуру системы. Если же в процессе приращение энтропии больше — то такой процесс необратимый. При необратимом процессе общая энтропия мира, понимаемого как «система плюс внешняя среда», неизбежно возрастает и происходит диссипация энергии от более упорядоченных форм движения к менее упорядоченным. При этом энтропия неизолированной системы в необратимом процессе может уменьшаться за счет отвода лишней энтропии во внешнюю по отношению к системе среду.

Другое свойство, по которому различаются процессы в термодинамике и кинетике, и отличное от обратимости/необратимости — это равновесность/неравновесность. Равновесные процессы, характеризуются одинаковой скоростью перехода частиц из одного состояния (пространственного, энергетического, химического и др.) в другое в каждый момент времени. Большинство химических реакций, в том числе лежащих в основании жизни, обратимы, но только при определенных концентрациях исходных веществ и продуктов они находятся в равновесии. С другой стороны, многие равновесные процессы в термодинамике необратимы: примером могут служить изотермические процессы, когда температура системы искусственно поддерживается постоянной — хотя бы за счет обмена энергией с более массивной внешней средой (водяная или воздушная баня).

Принципиальное различие между равновесными и неравновесными процессами заключается в том, что ко вторым такие категории классической термодинамики, как энтропия (а стало быть, и температура, которую определяют через энтропию, а также зависящая от температуры свободная энергия) строго говоря, применимы только для близких к равновесию состояний, ибо только в этом случае можно считать, что дифференциал энтропии является полным. К описанию систем, находящихся в состоянии, далеком от положения равновесия, классическая термодинамика применима плохо, поэтому их поведение обычно описывают с помощью кинетического подхода, который отслеживает изменения состояния частиц (молекул, атомов и др.) в каждой точке пространства-времени.

Хотя формулировка процессов эволюции живого в термодинамических категориях еще не завершена, большинство специалистов вслед за Нобелевскими лауреатами И. Р. Пригожиными М. Эйгеномуверены, что эволюция жизни — это история существенно неравновесных процессов в существенно открытых системах. Суть неравновесного термодинамического подхода к изучению биологической эволюции — в описании живого как совокупности самовоспроизводящихся тепловых машин (вспомним, что классическая термодинамика успешно описывает превращение хаоса в порядок в тепловых машинах).

Однако, тепловые машины, изучаемые классической термодинамикой, обладали малым количеством обратных связей между своими элементами, из-за чего кинетика частиц рабочего тела (газа) при взаимодействии с элементами ходовой части машины в них описывалась линейными уравнениями, процесс случайных блужданий частиц был марковским (марковским процессом, или цепью Маркова , называется случайный процесс, вероятности разных исходов нового этапа которого зависит только от состояния на текущем этапе, а не на предыдущих этапах) а изменение во времени термодинамических потенциалов рабочего тела — детерминированным и предсказуемым. В живых же системах обилие обратных связей приводит к нелинейности уравнений кинетики для каждого из элементов системы, немарковскому характеру случайных процессов в системе (его исход зависит от всей предыстории случайных блужданий — система «имеет память»), и непредсказуемому поведению даже усредненных параметров всей системы. По мере развития биологии ученые сталкиваются со все менее и менее детерминированными системами, несмотря на что их поведение критическим образом зависит от такого необходимого (детерминированного) явления, как естественный отбор и несмотря на то, что живые системы обладают «памятью», благодаря которой результаты этого отбора запоминаются в геноме.