Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Выше, описывая самообновляющегося краба, мы сделали оговорку, что его жизнь гарантирована, если запись на магнитной ленте точна и технологический блок в порядке. В самом деле, мы уже знаем, что на стыке реального физического процесса и его математической модели возникает страшный призрак: точность измерений и расчетов. Этот призрак должен возникнуть и при сборке новых крабов и при «обмене деталей» в организме отдельного краба. Краб может заменить сам себе любую деталь, но он не может заменить себе магнитную ленту, на которой закодировано его устройство, и не может заменить себе технологический блок, который, собственно, и производит операцию самообновления. Эти два элемента можно ограждать от вредных (воздействий, можно глубоко запрятывать, но их нельзя заменить. Более того, их в принципе нельзя защитить от износа. Можно свести износ к минимуму, но нельзя устранить его полностью.

Постоянное считывание записи, необходимое для «обмена деталей», приводит к тому, что на магнитной ленте постепенно накапливаются царапины, разбалтывается лентопротяжный механизм, вырабатываются зазоры в узлах инструментального блока. Монтаж новых деталей производится все менее точно. Краб постепенно разбалтывается, утрачивает точность движений и формы. Короче говоря, краб стареет . И единственная причина этого неумолимого процесса — износ магнитной ленты и инструментального блока…

Все это прекрасно и интересно, но какое отношение все это имеет к необратимости, термодинамике и энергии? Какое отношение все это имеет к жизни?

Теперь мы можем ответить на эти вопросы, ибо настала пора разобраться, чем же приходится расплачиваться за такой остроумный, необычный и эффективный способ самозащиты организма, как «обмен деталей».

Когда краб смотрит, слушает, ходит и вообще действует, в его внутренностях происходят необратимые изменения, которые, как мы знаем, обязательно сопровождаются выделением теплоты, генерированием энтропии. Отсоединение одной детали и установка на ее место новой тоже необратимый процесс, и как таковой требует выделения теплоты. Таким образом, цена самообновления путем непрерывного «обмена деталей»— могучий источник теплоты в теле краба. Бели его панцирь сделан из хорошего теплоизолятора, температура внутри повышается до тех пор, пока не перегорит и не выйдет из строя оборудование. Чтобы избежать этого, краб должен охлаждаться, отводить в окружающую среду генерирующуюся внутри его теплоту. Такой отвод /возможен лишь тогда, когда температура краба выше температуры окружающей среды. Другими словами, чтобы действовать и жить, краб обязательно должен быть теплым!

Насколько? Насколько его температура должна быть выше температуры окружающей среды?

Оказывается, чтобы размеры краба получились минимальными, его рабочая температура должна быть как можно ближе к температуре разрушения. Но что это за температура? Разрушение какой детали краба будет служить ограничением нагрева? Очевидно, таким ограничением будет служить температура разрушения наименее стойкой детали — электроизоляции, смазки или магнитной ленты. Нет смысла устанавливать в механизм краба узлы и детали, способные хорошо работать при 200–300 °C, если запись на магнитной ленте стирается при 100 °C. Минимальные размеры могут быть достигнуты лишь тогда, когда предельно допустимая рабочая температура всех деталей и узлов одинакова. Именно это и достигается в живой клетке. Именно это и выполняется в живом организме!

Первым обратил внимание на принципиальную важность предельного перехода в определении жизни советский биофизик К. Тринчер. В 1964 году он отмечал, что в основе обмена веществ в живой системе лежат два противодействующих процесса: разрушение структуры под действием повышенной температуры и построение точно такой же структуры, сопровождающееся повышением температуры. Таким образом, живая материя — это химическая машина, работающая при температуре своего разрушения. И в этом — глубокое отличие биологии от физики и химии. Если физик, изучая молнию, воспроизводит в своей лаборатории искру — маленькое подобие настоящей молнии, если химик, изучая свойства веществ, выделяет или синтезирует их в своей пробирке, то биолог не в состоянии воспроизвести объект своего исследования. Он может смоделировать любую функцию жизни, но он не может смоделировать саму живую материю. «Между живым организмом и машиной, — пишет К. Тринчер, — существует… коренное различие… Машина обладает устойчивостью своей структуры при температуре ее деятельности: структура сохраняется и тогда, когда машина не действует. Живой организм, напротив, должен всегда функционировать, и если по какой-то причине организм перестает выполнять свои, функции при температуре своей жизнедеятельности, то он необратимо теряет свою структуру и погибает».

Возникает интересный и важный вопрос: не может ли минимизация самодействующей, самосохраняющейся и само-воспроизводящейся системы стать причиной ее бессмертия? Ведь если причина старения краба — износ магнитной ленты и инструментального блока, то что может стать причиной износа молекулы ДНК?

Увы, надежды наши неоправданны. То же самое тепловое движение, которое делает возможным износ магнитной ленты, деформирует и самую крупную в природе молекулу ДНК. Сама программа, с помощью которой живой организм борется с тепловым разрушением, подвергается тепловому разрушению. И накопление случайных хаотических искажений структуры молекулы ДНК на протяжении жизни приводит к тому, что точность синтеза белковых молекул постепенно падает, и живой организм стареет. Таким образом, с течением времени живой организм, отдельный человек постепенно исчерпывает свои приспособительные способности. А как говорил китайский философ Лао-цзы: «Черствость и сила — спутники смерти. Гибкость и слабость выражают свежесть бытия. Поэтому то, что отвердело, то не победит».

Как же борется все живое с этой страшной угрозой старения, порождаемого необратимыми процессами трения и теплообмена, которые ухитрились проникнуть даже в тончайший механизм воспроизведения живого организма? Оно борется с ними путем размножения. Человек смертен, чтобы бессмертным было человечество, чтобы новые, изменившиеся внешние условия ложились на всегда молодые плечи…

Теперь нам ясно, сколько неожиданных и важных истин таилось за скупыми словами энгельсовского определения жизни: «способ существования белковых тел», «постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой». Теперь нам ясно, как тесно связан между собой обмен веществ и обмен энергии, «бессмысленности» которого удивлялся Шредингер. Более того, теперь нам ясно, в чем в 1943 году заблуждался Шредингер…