"Что такое жизнь?" - читать интересную книгу автора (Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер)

Глава 6 Порядок, беспорядок и энтропия

Позвольте обратиться к фразе, в которой я пытался объяснить, что молекулярный взгляд на ген, по крайней мере, делает вероятным, что миниатюрный код может соответствовать очень сложному и конкретному плану развития и содержать средства его выполнения. Хорошо, но как он это делает? Как превратить «вероятность» в истинное знание?

Молекулярная модель Дельбрюка в своей полной универсальности, судя по всему, не дает никаких намеков на принципы работы наследственного материала. Вряд ли данный вопрос будет подробно рассмотрен физиками в ближайшем будущем. Новые данные поступают – и, уверен, продолжат поступать – от биохимии под руководством физиологии и генетики.

Столь обобщенное описание структуры, приведенное выше, не дает подробной информации о работе генетического механизма. Это очевидно. Но, как ни странно, из него можно вывести одно общее следствие, которое, признаюсь, и побудило меня написать эту книгу.

Из общего взгляда Дельбрюка на наследственный материал вытекает следующее: живая материя не уклоняется от законов физики, установленных до настоящего времени, но скорее всего подчиняется иным законам физики, пока не открытым, которые, однако, после своего открытия станут гармоничной частью этой науки.

Это трудноуловимый ход мысли, который можно неправильно понять во многих отношениях. Оставшиеся страницы будут посвящены его разъяснению. Предварительные догадки, грубые, но верные, содержатся в следующих рассуждениях:

В главе 1 объяснялось, что известные нам законы физики являются статистическими. Они имеют отношение к естественному стремлению вещей к беспорядку. Утверждение, что это верно для всех законов физики, пожалуй, спорно. Мы обсудим это в главе 7.

Однако чтобы осознать высокую стабильность наследственного материала, обладающего микроскопическим размером, мы были вынуждены избежать стремления к беспорядку посредством «изобретения молекулы», точнее, необычно крупной молекулы, настоящего шедевра высокодифференцированного порядка, охраняемого волшебной палочкой квантовой теории. Это «изобретение» не нарушило законов вероятности, но изменило их следствия. Физику известно, что квантовая теория модифицирует классические физические законы, особенно при низких температурах. Тому есть много примеров, и жизнь – один из них, особенно удивительный. Жизнь кажется упорядоченным и закономерным поведением материи, основанным не только на ее стремлении от порядка к беспорядку, но отчасти на поддерживаемом существующем порядке.

Я могу прояснить свою точку зрения для физиков, и только для них: судя по всему, живой организм представляет собой макроскопическую систему, ее поведение частично приближается к тому чисто механическому (в отличие от термодинамического) поведению, к которому стремятся системы, когда температура стремится к абсолютному нулю и молекулярный беспорядок прекращает свое существование.

Не-физик вряд ли поверит, что обычные законы физики, какие он считает прототипом нерушимой точности, основываются на статистическом стремлении материи к беспорядку. Я приводил примеры в главе 1. Их общим принципом является знаменитый второй закон термодинамики (принцип энтропии) и его не менее знаменитое статистическое обоснование. Я постараюсь очертить значение принципа энтропии для крупномасштабного поведения живого организма, на время позабыв все, что мы знаем о хромосомах, наследственности и т. п.

Что является отличительной особенностью жизни? Когда материю называют живой? Когда она «что-то делает» – движется, обменивается веществом с окружающей средой и т. д., причем на протяжении значительно большего периода времени, чем при сходных обстоятельствах можно было бы ожидать от неживой материи. Если неживую систему изолировать или поместить в однородную среду, в большинстве случаев любое движение быстро прекратится в результате различных видов трения. Разницы электрических или химических потенциалов выровняются, вещества, склонные формировать химические соединения, сформируют их, а температура станет одинаковой из-за переноса тепла. После этого вся система превратится в мертвый, инертный комок материи. Будет достигнуто постоянное состояние, в котором не происходит наблюдаемых событий. Физик назовет это термодинамическим равновесием, или состоянием с максимальной энтропией.

На практике подобное состояние обычно устанавливается стремительно. В теории это зачастую еще не абсолютное равновесие, не истинный максимум энтропии. Однако финальное приближение к равновесию происходит очень медленно. На это могут уйти часы, годы, века… Приведу пример, в котором равновесие достигается достаточно быстро: если стакан с чистой водой и стакан с подсахаренной водой поставить вместе в герметично закрытый сосуд с постоянной температурой, вначале кажется, будто ничего не происходит и достигнуто полное равновесие. Однако через день-другой станет заметно, что чистая вода, обладающая бо́льшим давлением пара, постепенно испаряется и конденсируется на сахарном растворе, в результате чего второй стакан переполняется. Лишь когда чистая вода полностью испарится, сахар достигнет своей цели – равномерно распределится по доступной воде.

Это медленное приближение к окончательному равновесию нельзя принять за жизнь, и потому мы не будем рассматривать его. Я упомянул это, чтобы меня не обвинили в неточности.

Уклонение от быстрого скатывания в инертное состояние «равновесия» делает организм столь загадочным, что с древнейших времен человеческая мысль приписывала ему – а в некоторых местах по сей день приписывает – некую особую нефизическую или сверхъестественную силу (vis viva[35], энтелехия).

Каким образом живой организм избегает упадка? Очевидный ответ: при помощи еды, питья, дыхания и (в случае растений) ассимиляции – или метаболизма. Это греческое слово (μεταβάλλειν) означает изменение или обмен. Обмен чем? Без сомнения, изначально подразумевался обмен материей. (Так, по-немецки «метаболизм» называют Stoffwechsel [36].) Абсурдно считать «обмен материей» основополагающим. Любой атом азота, кислорода, серы и т. п. ничем не отличается от других. К чему ими меняться? В прошлом наше любопытство на время приглушили, сообщив, что мы питаемся энергией. В какой-то очень развитой стране (то ли в Германии, то ли в США, а может, и там и там) в ресторанах в меню, помимо цены, указывают энергетическую ценность каждого блюда. Излишне говорить, что в буквальном смысле это тоже абсурд. Энергоемкость взрослого организма столь же постоянна, как и его материальный состав. А поскольку каждая калория стоит столько же, сколько любая другая калория, непонятно, зачем ими меняться.

Что же такое ценное содержится в пище, которая позволяет нам выжить? На этот вопрос легко ответить. Каждый процесс или событие – назовите как хотите, – все, что происходит в природе, означает повышение энтропии той части света, где это происходит. Так, живой организм непрерывно повышает свою энтропию – или, можно сказать, производит положительную энтропию, – тем самым стремясь к опасному состоянию максимальной энтропии, то есть смерти. Чтобы держаться подальше от этого состояния – то есть жить, – организму необходимо постоянно черпать из окружающей среды отрицательную энтропию, которая, как мы сейчас поймем, в действительности является положительной. Организм питается отрицательной энтропией. Или, если выражаться яснее, важная особенность метаболизма заключается в том, что организму удается избавиться от всей той энтропии, какую он производит в ходе своей жизнедеятельности.

Что такое энтропия? В первую очередь нужно заметить, что это не туманная концепция или идея, а измеряемая физическая величина, как длина прутка, температура в любой точке тела, теплота плавления кристалла или тепловая энергия вещества. При абсолютном нуле (приблизительно –273 °C) энтропия любого вещества равна нулю. Если небольшими, обратимыми «шажками» перевести вещество в любое другое состояние, даже при условии, что изменится его физическая или химическая природа либо оно разделится на две или более частей различной физической или химической природы, энтропия вырастет на величину, которую можно вычислить, разделив каждую небольшую порцию теплоты, что необходимо приложить в ходе данной процедуры, на абсолютную температуру ее приложения и сложив все эти небольшие вклады. Например, когда вы плавите твердое вещество, его энтропия возрастает на величину теплоты плавления, поделенную на температуру в точке плавления. Из этого следует, что энтропия измеряется в единицах кал/°C (так же, как калория есть единица теплоты, а сантиметр – единица длины).

Я упомянул это техническое определение исключительно ради того, чтобы развеять туманную завесу тайны, которая часто окутывает энтропию. Намного большее значение для нас имеет ее отношение к статистической концепции порядка и беспорядка – связь, которую выявили исследования Больцмана и Гиббса по статистической физике. Эта связь также имеет точное количественное выражение:

энтропия = k logD,

где k есть так называемая константа Больцмана (3,2983×10^–24 кал/°C), а D – количественная мера атомной неупорядоченности рассматриваемого тела. Дать точное краткое определение количества D, не прибегая к технической терминологии, не представляется возможным. Подразумеваемый ею беспорядок частично объясняется тепловым движением, частично – существованием произвольной, а не четко разделенной смеси различных атомов или молекул, как, например, молекул сахара и воды в приведенном выше примере. Данный пример хорошо иллюстрирует уравнение Больцмана. Постепенное «распространение» сахара по всему объему воды повышает неупорядоченность D, а следовательно (поскольку логарифм D возрастает вместе с D), энтропию. Также очевидно, что любой приток теплоты усиливает тепловое движение, то есть повышает D – и энтропию. Особенно наглядно это демонстрирует плавление кристалла: вы разрушаете аккуратную и стабильную организацию атомов или молекул и превращаете кристаллическую решетку в непрерывно изменяющееся случайное распределение.

Изолированная система или система в однородной среде, которую мы пока будем считать частью рассматриваемой системы, повышает свою энтропию и относительно быстро приближается к инертному состоянию максимума энтропии. Теперь мы видим, что этот фундаментальный закон физики лишь отражает естественное стремление вещей к хаосу, какую проявляют библиотечные книги или стопки бумаг и рукописей на столе, если этому не противостоять. В данном случае аналогом беспорядочного теплового движения являются наши руки. Они трогают эти предметы, не заботясь вернуть их на прежнее место.

Как выразить в терминах статистической теории удивительную способность организма замедлять стремление к термодинамическому равновесию (смерти)? Прежде мы говорили: «Организм питается отрицательной энтропией», – будто он привлекает к себе ее поток, чтобы скомпенсировать рост энтропии, обусловленный жизнедеятельностью, и тем самым сохранить постоянный, достаточно низкий уровень энтропии.

Если D – мера беспорядка, то обратная ей величина, 1/D, может считаться прямой мерой порядка. Поскольку логарифм 1/D равен отрицательному логарифму D, можно записать уравнение Больцмана следующим образом:

– (энтропия) = k log (1/D).

Теперь неуклюжее выражение «отрицательная энтропия» можно перефразировать более удачно: энтропия с отрицательным знаком есть мера порядка. Поэтому способ, которым организм постоянно поддерживает весьма высокий уровень упорядоченности (= весьма низкий уровень энтропии), в действительности заключается в непрерывном потреблении упорядоченности из окружающей среды. Этот вывод не столь парадоксален, сколь кажется на первый взгляд. Скорее его можно упрекнуть в тривиальности. На самом деле, в случае высших животных мы прекрасно знаем, какую упорядоченность они потребляют. Речь идет о высокоупорядоченном состоянии вещества в относительно сложных органических соединениях, которые служат им пищей. После использования животные возвращают вещество в деградированном виде – однако не в полностью деградированном, поскольку растения могут употребить его. Естественно, растения получают мощную дозу отрицательной энтропии в виде солнечного света.

Рассуждения об отрицательной энтропии встретили сомнения и неприятие со стороны моих коллег-физиков. Первым делом скажу, что если бы я желал угодить только им, то обсуждал бы свободную энергию. В данном контексте это более привычный термин. Однако это сугубо техническое выражение показалось мне лингвистически слишком близким к энергии, чтобы донести до обычного читателя разницу между двумя этими понятиями. Скорее всего, он бы воспринял свободную как лишенный особого смысла эпитет, в то время как это весьма сложная концепция, и ее связь с принципом упорядоченности-неупорядоченности Больцмана тяжелее проследить, чем в случае энтропии и «энтропии с отрицательным знаком», которая, кстати, придумана не мной. Именно к ней обращался Больцман в своей изначальной дискуссии.

Однако Ф. Саймон[37] уместно отметил, что мои простые термодинамические рассуждения не могут объяснить необходимости питаться материей «в крайне высокоупорядоченном состоянии, содержащей относительно сложные органические соединения», а не древесным углем или алмазной пульпой. Он прав. Но я должен объяснить непрофессиональному читателю, что кусок несожженного угля или алмаза в сочетании с количеством кислорода, необходимым для его горения, в понимании физика также находится в крайне высокоупорядоченном состоянии. Представьте: при реакции – горении угля – выделяется много тепла. Рассеивая ее в окружающей среде, система избавляется от существенного прироста энтальпии, вызванного данной реакцией, и достигает состояния, в котором ее энтропия примерно равняется исходной.

Однако мы не можем питаться образующимся в ходе этой реакции углекислым газом. А потому Саймон справедливо утверждает, что энергетическая ценность пищи имеет значение, и, следовательно, мои насмешки над меню, в которых указана эта ценность, неуместны. Энергия нужна, чтобы возместить не только механическую энергию наших телесных усилий, но и тепло, какое мы непрерывно отдаем окружающей среде. И факт, что мы излучаем тепло, не случаен, но существенен. Именно таким образом мы избавляемся от избыточной энтропии, которую постоянно производим в ходе жизнедеятельности.

Казалось бы, из этого следует, что более высокая температура тела теплокровных животных предполагает полезную способность быстрее избавляться от энтропии, а потому вести более интенсивную жизнь. Я не уверен, что это соответствует действительности (и таково мое мнение, не Саймона). Можно возразить, что многие теплокровные организмы защищены от быстрой потери тепла шерстью или перьями. И потому параллель между температурой тела и «интенсивностью жизни», которая, как я считаю, существует, может в большей степени объясняться законом Вант-Гоффа: более высокая температура сама по себе ускоряет химические реакции в живом организме. Это подтверждают эксперименты на биологических видах, принимающих температуру окружающей среды.