Обитатели земных глубин. О самых странных существах на планете - Карен Ллойд

Он считал, что на Земле есть жизнь, поскольку она была здесь всегда. Он верил, что Вселенная вечна и поэтому жизнь тоже должна быть вечной. Конечно, Вернадский писал в то время, когда даты в истории формирования Земли еще не были окончательно установлены. Теперь-то мы знаем, что у Земли было начало, так что и у жизни оно тоже должно быть. Однако не исключено, что мы можем извлечь некую пользу из рассуждений о жизни без начала. Что, если перестать думать о ней как о чем-то совершенно особенном, как о редчайшем явлении, возникшем лишь однажды в этом крохотном уголке Вселенной? Может быть, жизнь – это непрерывная цепь событий?

Другой ученый, Альфред Лотка (1880–1949), известен главным образом благодаря созданию модели Лотки – Вольтерры, которая показывает, как колеблется численность популяций хищников и их жертв. Однако еще он предположил, что жизнь – это в большей степени процесс, чем уникальное событие, поскольку она постоянно подпитывается солнечной энергией1. Я думаю, что он, как и Вернадский, был в чем-то прав.

Чтобы понять, о чем рассуждал Лотка, нужно проанализировать некоторые серьезные проблемы, касающиеся уравнения для свободной энергии Гиббса. Вероятно, свободная энергия Гиббса действительно устанавливает законы жизни, но она никак не подходит для ее описания. Величина ΔG говорит о том, сколько энергии вы получите в ходе химической реакции до наступления равновесия. Однако равновесие – это смерть. Энергия Гиббса могла бы описать мою жизнь, если бы я жила в герметично запаянной камере. Я бы использовала весь воздух в камере, ΔG стала бы равна нулю, я бы умерла, и выполнилось бы второе начало термодинамики.

Однако жизнь происходит не в герметичной камере. Жизнь – открытая система. Энергия постоянно протекает через наши тела, поддерживает нас и отдаляет от равновесия. Пытаться вывести законы термодинамики жизни лишь на основании свободной энергии Гиббса – все равно что работать исключительно с музейными экспонатами. Изучая чучела птиц, бегемотов и засушенных насекомых, мы можем догадаться, что птицы едят клювами, бегемот слушает ушами, а экзоскелет определяет форму тела насекомых. Но как узнать о том сладком хрусте, который слышит птица, вытаскивая насекомое из уха бегемота? Равновесная термодинамика мощна и полезна, но есть и другие инструменты.

Для описания открытых систем, находящихся вдали от равновесия (то есть живых), нужна термодинамика совсем другого типа – неравновесная. В книге под названием “В холод” 2005 года Дорион Саган и Эрик Шнайдер метко сформулировали: “Эволюционная теория связывает организмы в контексте времени. Экология связывает их в контексте пространства. Химия – в контексте структуры. А неравновесная термодинамика связывает их в контексте процесса”. Они утверждают, что неравновесная термодинамика важна для жизни не меньше, чем химия.

Чтобы понять, в чем сила неравновесной термодинамики, давайте вспомним о революции в исследованиях ДНК. Тот переворот имел чрезвычайно большое значение потому, что со всей очевидностью показал наше родство со всеми формами жизни, включая микробов. Сравните ДНК любых живых организмов – и вы увидите, что мы все родственники. Неравновесная термодинамика расширяет это родство, включая в него и неживой мир. Саган и Шнайдер полагают, что живое и неживое существуют в виде непрерывного спектра. На одном краю спектра находятся неживые системы в термодинамическом равновесии, на другом – живые системы, которые не только неравновесные, но и постоянно создают энергетический потенциал, удаляющий их от равновесия. Расположение каждого существа на этом непрерывном спектре зависит от того, как оно функционирует в рамках неравновесной термодинамики. И в этом смысле живое и неживое на самом фундаментальном уровне связаны между собой через второе начало термодинамики. Поэтому, если мы хотим с помощью науки получить ответ на вопрос, почему возникла жизнь, нужно начать с этого закона.

Второе начало термодинамики гласит, что некая величина, называемая энтропией, может только возрастать. Новый оксфордский американский словарь определяет энтропию как “термодинамическую величину, отражающую недоступность тепловой энергии системы для превращения в механическую работу”. Если умножить энтропию на температуру, мы получим энергию, а следовательно, энтропия – это не энергия, а скорее ее качество: когда энтропия очень высока, энергия менее полезна, как тепло или вода, которые мы теряем во время спортивной тренировки. Энтропию можно рассматривать как возможность, а системы всегда стремятся к тому, что возможно. Вот почему второе начало термодинамики постулирует, что энтропия должна возрастать. Определение в словаре продолжается словами “…и часто интерпретируемую как степень неупорядоченности или случайности в системе”. Если вы опрокинете тарелку с супом, по вашим ботинкам разольется неупорядоченная смесь с высоким значением энтропии. Мы интуитивно воспринимаем энтропию как степень беспорядка, и в головах многих людей это, к сожалению, стало ее определением. Однако рассматривать энтропию исключительно как меру беспорядка или хаоса – большая ошибка. Вот пример, показывающий, почему интуитивное восприятие некоторых типов энтропии как меры беспорядка иногда не соответствует действительности.

Если лопнет шарик, наполненный гелием, молекулы гелия быстро распространятся по всей комнате, достигнув максимального состояния неупорядоченности. Здесь об энтропии можно рассуждать как о хаосе, поскольку оба параметра возрастают. Но это не вся история. Примерно в то же время, когда Гиббс занимался выведением термодинамических уравнений, Людвиг Больцман пришел к неудобному выводу, что для определения коллективного поведения атомов гелия в описанной выше системе нельзя просто сложить характеристики всех отдельных молекул, будто это летающие в воздухе маленькие шарики. Чтобы получить правильный ответ, необходимо применить законы статистики и вероятности.

Во времена Больцмана сама идея, что в физический закон необходимо ввести элемент вероятности, была крайне непопулярна среди физиков, поскольку указывала на невозможность контролировать все переменные физического мира. Однако в итоге выяснилось, что Больцман прав, и это вывело нас к современной квантовой физике, которая почти полностью основана на вероятности.

Больцман сделал свое революционное открытие отчасти благодаря увлечению идеей Чарльза Дарвина о биологической эволюции. Его вдохновили рассуждения Дарвина о естественном отборе в больших популяциях животных, и Больцман применил подобный способ рассуждений для описания термодинамики больших популяций молекул. Однажды Больцман заметил: “Если бы кто-то спросил меня, как следует назвать наше столетие, я бы без колебаний ответил: это столетие Дарвина”2. Что может лучше проиллюстрировать отсутствие границы между миром физики и миром биологии, чем тот факт, что путь к квантовой физике проходил через эволюционную биологию?

Чтобы понять роль вероятности в термодинамике, вернемся к нашему примеру с шариком гелия. В контексте вероятности беспорядок должен увеличиваться одновременно с энтропией, поскольку существует гораздо больше способов распределения всех молекул гелия по объему комнаты, чем по ограниченному объему шара. Молекулы вырываются наружу, поскольку снаружи больше возможностей для распределения, чем