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

И в таком случае второе начало термодинамики – не загадка, а очевидность. Пример с газом в шарике настолько интуитивно понятен, что возникает искушение предположить, будто все процессы повышают энтропию за счет увеличения степени беспорядка. Однако это не так. В частности, в открытых системах энтропия локально может снижаться за счет снижения степени беспорядка, если за пределами системы энтропия растет, скажем, в результате выделения тепла.

Давайте вернемся к аналогии с лопнувшим шариком. Но теперь представьте, что в комнате находится десятилетняя девочка, которая вдыхает вырвавшийся гелий. В таком случае молекулы газа распределяются не по всей комнате, а по более тесному и упорядоченному пространству легких, и ребенок будет говорить забавным писклявым голоском. Нарушает ли девочка второе начало термодинамики, не давая молекулам газа из шарика распределяться по комнате? Нет. Когда она весело хохочет, потому что пищит, как маленький бурундучок, ее тело выделяет тепло. И хотя рассредоточение молекул гелия откладывается по времени, поскольку сначала они концентрируются в легких ребенка, в итоге, когда девочка, смеясь, выпускает их наружу, энтропия возрастает сильнее.

Пример с газом в шарике трудно обобщить, а вот пример с газом в шарике и хихикающим ребенком позволяет сделать более общие выводы. Он помогает понять, почему жизнь – естественное следствие из второго начала термодинамики: жизнь чрезвычайно хорошо создает структуры, способные повышать энтропию. А как ведут себя в этом смысле неживые объекты? Обладает ли неживая материя способностью производить упорядоченные процессы с увеличением энтропии? Ответ на этот вопрос утвердительный. Водоворот в потоке жидкости не живой, но обладает высокоупорядоченной структурой. Обычно молекулы воды движутся независимо друг от друга, но на короткий промежуток времени они образуют упорядоченный водоворот, что максимально увеличивает энтропию за счет рассеивания энергии системы. Молекулы воды вне водоворота и внутри него не могут сообщаться друг с другом или принимать решения, однако сохраняют одинаковый угловой момент, поддерживая структуру воронки на протяжении недолгого времени.

Илья Пригожин (1917–2003) называл такие образования диссипативными структурами, поскольку они рассеивают энергию и сохраняют упорядоченность с удивительно низким уровнем энтропии. Однако диссипативные структуры вызывают удивление только в том случае, если вы не рассматриваете более общую открытую систему, где они возникают. Пригожин получил Нобелевскую премию, показав, что вдали от равновесия увеличение энтропии создает структуру и порядок, а не беспорядок, и это абиотический аналог жизни. Пригожин изучал автокаталитические системы[65], когда две конкурирующие химические реакции, протекающие с изменением цвета среды, синхронизировались между собой и создавали ритмично меняющиеся окрашенные структуры в абиотических жидкостях. Он показал, что это крайний случай водоворота в потоке, когда осциллирующие реакции вызывают изменение цвета через регулярные промежутки времени, создавая тем самым химические часы. В открытых автокаталитических системах со многими вариантами протекания процессов формирование структур не только возможно, но неизбежно, мы просто точно не знаем, какой именно будет их форма.

Многие объекты (живые и неживые) создают порядок в качестве эмерджентного – неожиданно появляющегося – свойства. Например, кристаллы – это высокоупорядоченные структуры с регулярным, повторяющимся рисунком, как на обоях. Живые клетки тоже можно считать высокоупорядоченными: липиды образуют клеточные мембраны, ДНК плотно упакована, а белки распределены по тем местам, где несут свою службу. Каждый орган человеческого тела функционирует только благодаря упорядоченной организации. Почти любое проявление жизни можно рассматривать как диссипативную структуру. Войны и торговые соглашения – это структуры, которые рассеивают энергию, хотя первые несут смерть и хаос, а вторые – организованность и стабильность. Растения в лесу образуют диссипативную структуру, поскольку располагают листья таким образом, чтобы захватывать побольше фотонов света, но повышают энтропию в процессе жизни и после смерти, когда становятся пищей для других организмов. Молекулы внутри растительных клеток, необходимые для захвата фотонов света, тоже упорядочены, однако сами по себе молекулы не являются живой материей. Никто ведь не скажет, что хлорофилл живой.

Если живое и неживое переходят друг в друга, то как наука отличает одно от другого? В соответствии с законами неравновесной термодинамики, различие между живой и неживой материей заключается именно в способности живых систем постоянно уходить от состояния равновесия. И живая материя, и неживая создают упорядоченные структуры, однако только жизнь создает новые системы, которые могут повышать энтропию. Неживая материя создает водовороты, но живые существа строят на реке плотины, которые создают еще больше водоворотов и течений, позволяющих сплавляться на плотах.

Хронофилы и второе начало термодинамики

Если жизнь существует, чтобы создавать новые возможности для повышения энтропии, быть может, эти вечно спящие обитатели земных глубин, хронофилы, нашли способ создавать неравновесные системы, повышающие энтропию, каких мы раньше никогда не видели?

Джозеф Валлино из Морской биологической лаборатории в Вудс-Хоуле в Массачусетсе полагает, что живые организмы распределяют повышение энтропии на более длительные периоды времени, дабы максимизировать общее увеличение энтропии за долгосрочный период3. Однажды он сказал мне, что это как пойти работать сразу после школы либо же сначала закончить университет, а потом устроиться на работу. Если вы не идете в университет, то начинаете зарабатывать деньги раньше, но в долгосрочном плане вы в среднем больше зарабатываете на той работе, для получения которой нужен университетский диплом[66]. Абиотические системы берутся за работу сразу после школы, а биологические сначала идут в университет, используя деньги как замену энтропии. В своей книге “В холод” Саган и Шнайдер сделали аналогичный вывод. Они пишут, что второе начало термодинамики ничего не говорит о том, как быстро должна повышаться энтропия. Жизнь немного растягивает этот процесс, откладывая продвижение к равновесию. Она выжимает из него все что можно, “захватывая его и перенаправляя”, чтобы произвести новую жизнь и по ходу дела повысить общую энтропию.

Иными словами, смысл жизни может заключаться в том, чтобы растягивать этот процесс на очень длительные промежутки времени. А вы знаете, кто любит такие промежутки времени? Хронофилы! Люди растягивают временные интервалы, на протяжении которых могут передавать друг другу информацию, за счет написания книг, которые читаются потом многими поколениями. Вероятно, религия была мощным изобретением, заставлявшим людей чувствовать себя тесно связанными с теми, кто жил тысячелетиями ранее. Обитатели земных глубин используют принципиально другой подход, чтобы растянуть процесс повышения энтропии в широких временных рамках: просто отдельные особи живут очень долго. Это иной способ отдалить систему от состояния равновесия, нежели тот, с каким мы сталкиваемся в нашей обычной жизни. Хронофилы размазывают “сброс” энтропии, возрастающей при метаболической потере тепла, на столь большие временные масштабы, что люди не в состоянии это воспринять.

Хотя организмы, живущие тысячелетиями