Аркадий Фидлер - На суше и на море [1971]

Вопрос, о котором идет речь, имеет самое прямое отношение к интересующим нас проблемам. Без этого невозможно выяснить, какова роль живого вещества в движении материи. Поэтому попробуем обсудить его с позиций физики.

Любое развитие предполагает изменение, то есть переход некоторого объекта или системы из одного состояния в другое. И чем больше у данной системы возможностей для таких изменений, тем радужнее перспективы ее дальнейшего развития.

Это можно пояснить таким довольно грубым примером. Когда перед нами лежит кусок ткани, мы можем сшить из него и костюм, и платье, и пальто, и юбку. Но когда из этого материала скроен, скажем, костюм, все остальные возможности уже исключаются. Но по каким признакам определить, как меняется в процессе развития системы возможность ее дальнейших изменений?

Здесь нам придется совершить небольшой экскурс в область так называемой статистической физики.

Начнем опять с фактов.

Факт номер один. Еще в середине XIX в. известный немецкий физик Р. Клаузиус сформулировал второе начало термодинамики — науки о тепловых явлениях. Второе начало представляет собой одно из проявлений всеобщего закона сохранения. Оно утверждает, что теплота сама собой может переходить лишь от более нагретого тела к менее нагретому и этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока температура обоих тел не окажется одинаковой.

Представим себе, что вода всех рек, существующих на Земле, стекает в один океан. Поскольку уровень рек более высок, чем океана, в речной воде содержится определенный запас энергии, которая может быть превращена в работу, например, с помощью гидротурбин. Но вода, оказавшаяся в океане, не представляет в этом смысле уже никакой ценности. Ведь для того, чтобы заставить ее работать, пришлось бы сливать ее на еще более низкий уровень. Подобным же образом в результате тепловых взаимодействий некоторая часть теплоты «обесценивается», теряет способность совершать работу. Для обозначения этого явления Клаузиус ввел специальный термин «энтропия», образованный от греческого слова, что буквально означает «обращенная внутрь», «замкнутая в себе», «неиспользованная».

Факт номер два. Наблюдения над физическими явлениями позволяют утверждать, что в любой замкнутой, изолированной физической системе все виды энергии должны постепенно «стечь» в «тепловой океан», а теплота равномерно распределиться между всеми телами, после чего всякие процессы, связанные с термодинамическими превращениями, в этой системе полностью прекратятся.

Другими словами, энтропия любой замкнутой системы постоянно увеличивается.

Факт номер три. Клаузиус сделал попытку применить второй закон термодинамики ко всей Вселенной и пришел к неутешительному выводу о неизбежной ее гибели. Энтропия Вселенной, утверждал он, стремится к некоторому максимуму. И чем больше Вселенная приближается к этому предельному состоянию, тем меньше возможностей для ее дальнейшего изменения. А когда это состояние окажется достигнутым, все изменения вообще прекратятся, наступит «тепловая смерть».

В свое время Ф. Энгельс подверг теорию «тепловой смерти» резкой критике. Он указывал, что перенесение второго начала термодинамики на всю Вселенную абсолютно неправомерно. При этом основная мысль Энгельса заключалась в том, что в безграничной Вселенной среди неисчерпаемого многообразия форм движения материи должны иметь место не только процессы, ведущие к увеличению энтропии, но и процессы, связанные с ее уменьшением.

Примерно так же обстоит дело в нашем примере с реками. Запасы воды в них никогда не исчерпываются. Солнечные лучи нагревают воду в морях и океанах и заставляют ее испаряться, водяной пар поступает в атмосферу, переносится воздушными течениями в различные уголки нашей планеты и вновь выпадает на Землю в виде осадков — снега и дождя. Таким образом происходит непрерывный круговорот воды, она вновь и вновь обретает способность производить механическую работу.

Не происходит ли нечто подобное и во Вселенной? Но какие процессы могут вести к уменьшению энтропии?

Обратимся к помощи статистической физики. С ее точки зрения переход от состояний с меньшей энтропией к состояниям с большей энтропией есть переход от менее вероятных состояний к более вероятным.

Постараемся пояснить это утверждение. Попробуем охарактеризовать вероятность того или иного состояния с помощью понятий порядка и беспорядка. Вряд ли стоит доказывать, что превратить порядок в беспорядок, к сожалению, куда проще, чем достичь обратного. Таким образом, эволюция системы от состояний менее вероятных к более вероятным есть не что иное, как постепенный переход от порядка к беспорядку, от упорядоченности к хаосу.

Следовательно, возрастание энтропии означает уменьшение организованности процессов, протекающих в данной системе.

Вполне естественно поставить вопрос: не могут ли в природе при каких-то условиях совершаться обратные переходы — от хаоса к упорядоченности, от беспорядка к организации?

Подобные переходы, вообще говоря, происходят и в неорганическом мире. Но в области взаимодействия живой природы с неорганическим миром они преобладают. Начнем с того, что сам по себе живой организм представляет собой антиэнтропийную систему, то есть такую систему, деятельность которой сопровождается уменьшением собственной энтропии за счет увеличения энтропии окружающей среды. Известный английский физик Э. Шредингер, исследовавший биологические проблемы, говорит по этому поводу, что «организм питается отрицательной энтропией».

Некоторые ученые даже полагают, что указанное свойство — основная Отличительная черта живых организмов.

Но главная антиэнтропийная сущность живых организмов заключается не столько в их внутренних особенностях, сколько в их деятельности, в характере взаимодействия с окружающей средой. В результате этого взаимодействия возникают такие состояния, которые весьма маловероятны для неживой природы. Примеров подобной деятельности живых организмов можно привести великое множество: хотя бы образование залежей каменного угля из древних тропических растений или формирование современного химического состава земной атмосферы бактериями, водорослями и земной растительностью.

Масштабы деятельности живых организмов впечатляющи. Биосфера появилась на Земле около двух миллиардов лет назад, и с этих пор началась поистине грандиозная перестройка поверхности нашей планеты.

По существу вся геологическая история Земли — это прямой результат работы живых организмов, следы которой можно встретить буквально повсюду.

Растения и бактерии создали свободный кислород в атмосфере. Ежегодно через живое вещество Земли проходит около 180 млрд. т. углерода.