Шон Кэрролл - Вселенная

Давайте начнём с общих принципов и постепенно перейдём к специфике возникновения жизни здесь, на Земле. Затем мы сможем рассмотреть ещё более широкую перспективу и обсудить, как живые существа развиваются и взаимодействуют друг с другом.

* * *

Одно из многих предлагавшихся определений жизни дал не кто иной, как Эрвин Шрёдингер, который также помог сформулировать фундаментальные принципы квантовой механики. В своей книге «Что такое жизнь?» Шрёдингер рассмотрел этот вопрос с точки зрения физика. Наиболее фундаментальной он считал проблему баланса. С одной стороны, живые существа постоянно изменяются и двигаются. Взять, к примеру, гепарда, преследующего газель, либо сок, медленно поднимающийся к ветвям секвойи, — живые организмы всегда находятся в динамике. С другой стороны, все живые организмы имеют базовую структуру; при всех изменениях они обладают некоторой базовой целостностью. Шрёдингер размышлял: какой физический процесс позволяет так чётко проводить границу между статикой и динамикой?

Этот вопрос привёл Шрёдингера к определению жизни, которое кажется весьма отличным от определения NASA:

Когда мы считаем материю живой? Тогда, когда она продолжает «делать что-либо», двигаться, участвовать в обмене веществ с окружающей средой и т. д., — всё это в течение более длительного отрезка времени, чем, по нашим ожиданиям, могла бы делать неодушевлённая материя в подобных условиях.

Шрёдингер уделяет особое внимание «самоподдержанию» из определения NASA, которому большинство из нас просто не придали бы значения. В конце концов, многие феномены кажутся «самоподдерживающимися»: водопады, океаны и, если уж на то пошло, те самые неживые камни, об один из которых споткнулся Уильям Пейли.

Важнейшая идея здесь заключается в том, что живое существо «продолжает делать что-либо» в течение «более длительного отрезка времени, чем, по нашим ожиданиям, могла бы делать неодушевлённая материя в подобных условиях». Эта формулировка немного зыбкая; Шрёдингер не претендует на однозначное и вечное определение конкретной концепции. Он старается уловить, как мы воспринимаем жизнь на интуитивном уровне. Камень может сохранять форму на протяжении длительного времени, но он никогда не регенерирует. Камень может двигаться, например, если со склона обрушивается лавина; однако, как только он попадает к подножью, он останавливается и просто лежит на месте. Камень не попытается заползти обратно на склон, как это сделало бы животное.

Вот ещё один пример, когда кажется — хотя на самом деле это не так, — что живые организмы нарушают второй закон термодинамики. Оказывается, они — не просто организованные структуры, они к тому же могут сохранять такую организацию на протяжении длительного времени.

Как и в более раннем примере с эволюцией сложности, истина противоречит нашим наиболее наивным представлениям. Сложные структуры могут образовываться, причём не вопреки возрастанию энтропии, а именно потому , что энтропия возрастает. Живые организмы способны поддерживать собственную структурную целостность не вопреки второму закону термодинамики, а благодаря ему.

* * *

Все знают, чем одаривает Солнце всё живое здесь, на Земле: энергией, а именно фотонами, которые мы воспринимаем как видимый свет. Но важнее всего, что мы получаем от Солнца энергию с очень низкой энтропией — так называемую свободную энергию . Затем эту энергию начинают потреблять живые организмы, которые возвращают её во Вселенную в сильно «деградировавшем» виде. Термин «свободная энергия» немного неудачный, поскольку на самом деле он означает «полезная энергия». «Свободный» следует понимать как «доступный для чего-либо».

Согласно второму закону термодинамики, энтропия в изолированной системе будет возрастать, пока система не достигнет максимального уровня энтропии, после чего так и останется в состоянии равновесия. В изолированной системе общее количество энергии остаётся фиксированным, но по форме эта энергия изменяется: исходно она обладает низкой энтропией, которая постепенно становится всё выше. Представьте себе горящую свечу. Если бы мы отслеживали весь свет и тепло, которые исходят от свечи, то общая энергия свечи со временем бы не изменялась. Но свеча не может гореть вечно — через некоторое время она гаснет. Энергия, заключённая в свече, превращается из низкоэнтропийной в высокоэнтропийную, и этот процесс обратного хода не имеет.

Свободная энергия может затрачиваться на выполнение работы (это физическая величина). Если мы возьмём макроскопический объект и переместим его, то совершим над ним работу. «Работа» определяется просто как сила, применяемая для выполнения действия, умноженная на расстояние, покрываемое при этом действии. Чтобы поднять камень от подножья холма на вершину, требуется выполнить работу. В принципе, любое совершённое вами действие, на выполнение которого затрачивается энергия, является работой — идёт ли речь о выводе ракеты на орбиту или о лёгком нахмуривании бровей для демонстрации собственного скепсиса.

Свободная энергия — это энергия в потенциально полезной форме. Высокоэнтропийный остаток — это «неорганизованная энергия», равная произведению температуры системы и уровня её энтропии. При передаче тепла от одной системы к другой объём бесполезной неорганизованной энергии увеличивается. Действительно, согласно одной из формулировок второго закона, в изолированной системе свободная энергия с течением времени превращается в неорганизованную энергию.

Ещё одно представление второго закона термодинамики. С течением времени энергия превращается из «свободной» (пригодной для совершения работы) в «неорганизованную» (рассеянную, бесполезную)

Идея Шрёдингера заключалась в том, что биологическим системам удаётся двигаться, сохраняя при этом базовую целостность, для чего они используют свободную энергию, которую берут из окружающей среды. Итак, они берут свободную энергию, затрачивают её на выполнение нужной работы, а затем возвращают эту энергию в окружающую среду в более неорганизованном виде. (В первом издании своей книги Шрёдингер пространно изъяснялся, стараясь не использовать термин «свободная энергия», полагая, что его можно понять неправильно. Что ж, я более требователен к вам, чем Шрёдингер к своим читателям.)

* * *

Тот факт, является ли определённое количество энергии «свободным» или «неорганизованным», зависит от окружающей среды. Допустим, у нас есть цилиндр с поршнем, заполненный горячим газом, и этот газ можно использовать для выполнения работы: газ будет расширяться и толкать поршень. Однако при этом предполагается, что извне поршень не окружён газом с такой же температурой и плотностью; в противном случае никакой результирующей силы к поршню бы не прикладывалось и с его помощью невозможно было бы выполнять работу.