Возрастание энтропии или самоорганизация материи?

 "Убывание энтропии, должно быть, есть общая характеристика жизни"  
(Джеймс Лавлокк, участник подготовки полета на Марс, 1964)


Уместнее всего упоминать второе начало термодинамики, чтобы продемонстрировать, насколько невероятным кажется порядок, царящий в материальной Вселенной.  Но правомерно ли применять этот закон к невообразимо организованной симфонии жизни? Некоторые утверждают, что самозарождение жизни являлось бы нарушением этого закона. Большинство специалистов с этим несогласны - отчасти потому, что термодинамика и биохимия на самом деле слишком далекие дисциплины, а отчасти - из-за самого определения второго начала термодинамики, ограничивающего его применение. Приглашаю вас ознакомиться с доводами обеих сторон.
Сначала определим основные понятия.

Термодинамика сначала зародилась как раздел физики, изучающий перемещение тепла или других форм энергии. Первое начало термодинамики гласит, что общее количество энергии в изолированной системе постоянно. Второе начало термодинамики в наиболее известной его формулировке гласит, что в изолированной системе энтропия может только возрастать. Что же такое энтропия? Это понятие очень размытое, оно применяется по-разному в различных научных дисциплинах, а потому нелегко дать ему точное определение. Один физик даже с некоторой иронией утверждал, что никто точно не знает, что такое энтропия)) Но все же попробуем...

Если говорить как можно проще, степень энтропии - это степень равномерности рассеяния энергии внутри системы. Энтропия достигает максимума, когда система приходит в состояние равновесия (эквилибриума) и энергия равномерно рассредоточена, вследствие чего не может выполнять полезную работу. Иногда говорят, что энтропия - это степень беспорядка, и по большому счету так оно и есть, но из-за различных бытовых значений слова "беспорядок" энтропию иногда понимают неправильно, и такое определение применяют все реже. Например, если добавить в чашку кофе немного молока, то сначала мы будем наблюдать беспорядочное смешение двух цветов - но при этом энтропия будет низкая, поскольку молекулы двух жидкостей и их энергии пока не распределились равномерно в системе. И только когда наш кофе полностью смешался с молоком (а это обязательно произойдет), можно говорить, что система достигла "идеального внутреннего беспорядка", эквилибриума, а энтропия возросла до максимума. Как видите, "порядок" и "беспорядок" в термодинамике имеют особый смысл. Кстати, пример с кофе помогает интуитивно понять, что значит "закон неубывания энтропии" (как еще иногда называют второе начало термодинамики). Представьте себе, что безо всякого влияния извне вдруг начинает происходить обратный процесс - молоко постепенно отделяется от кофе. Невозможно?! Именно невозможно, о чем и сообщает нам второе начало термодинамики.

Но заметили ли вы оговорку об "изолированной системе"? Это неслучайно, потому что второй закон термодинамики неукоснительно соблюдается только в замкнутых системах, а в открытых системах энтропия иногда может уменьшаться. В чем же разница между открытой и изолированной системой? Изолированная система не обменивается энергией и материей с внешней средой - не получает и не отдает. Такой системой по умолчанию принимается Вселенная, поэтому наличие изумительного порядка в ней было бы нарушением второго начала термодинамики, если бы этот порядок не поддерживался Творцом (вмешательство которого делало бы систему открытой).

Когда же о системе говорят, что она "открытая", подразумевается значительный обмен энергией или материей со средой, в которой находится система. Так вот, поскольку Земля постоянно получает огромное количество солнечной энергии, то она считается открытой системой, и этот факт не позволяет безоговорочно применять ко всему, что на ней происходит, второй закон термодинамики. Даже его формулировка, как кажется, не имеет никакого отношения к открытым системам.

Это стало главным аргументом теоретиков, разрабатывающих гипотезы о биохимической и дарвиновской эволюции, нацеленным на «примирение» второго начала термодинамики и факта существования жизни, для которой характерно убывание энтропии. Например, Илья Пригожин ввел понятие "диссипативная система" для описания открытой системы с низкой энтропией, которая постоянно получает рассеянную энергию извне, благодаря которой энтропия в ней может уменьшаться и якобы может происходить самоорганизация на разных уровнях. Землю как раз относят к такой категории открытых систем. А наука о самоорганизации даже получила собственное название - "синергетика". К сожалению, недобросовестные ученые стали применять  это понятие как "панацею", которая может разрешить любые трудности для той или иной гипотезы, позволяя при этом обойти хорошо проверенные и доказанные теории.

Но правда ли, что "закон неубывания энтропии" не имеет никакого отношения к открытым системам и не работает в них?  Если говорить не о законе, а о закономерности, которая лежит в его основе, то это не совсем так. Будь все так просто, известные и авторитетные ученые не стали бы снова и снова пытаться разрешить противоречие, именуемое "парадоксом Шрёдингера". Не появился бы и сам этот парадокс, носящий имя нобелевского лауреата. Если у вас есть сомнения, можете ознакомиться со статьей, в которой глубже анализируется, как действует принцип, лежащий в основе второго начала термодинамики, в открытых системах.*

Но сейчас просто констатируем, что если не закон, то устойчивая тенденция к неубыванию энтропии существует и в открытых системах. Иногда эта тенденция может нарушаться, и мне интересно перечислить условия, при которых она нарушается, согласно наблюдениям. Потом можно поразмыслить, могло ли хотя бы одно из этих условий иметь место при возникновении жизни. Мы рассмотрим четыре условия, хотя этот список не претендует на полноту. Первые два я проиллюстрирую простыми примерами.


1) Сложный механизм. И опять мысленно идем на кухню... К холодильнику. Возможно, мы не привыкли так говорить, но холодильник в совокупности с кухней - это открытая система, в которой происходит уменьшение энтропии. Открытая она потому, что извне поступает энергия из электрической сети. А уменьшение энтропии (локализация тепла) заключается в переносе тепла из холодной емкости (камеры) в теплую емкость (помещение кухни). Этот крайне неприродный феномен достигается в данном случае благодаря тому, что уже существует сложный механизм, который обеспечивает охладительный цикл. К этому же разряду можно отнести внутриклеточные биомашины, аккумулирующие энергию в химических соединениях. В этих случаях сама по себе "открытость" системы для поступления энергии недостаточна для того, чтобы повернуть вспять естественный процесс рассеяния энергии. Энтропию может уменьшить комплексный механизм, приводимый в действие энергией извне. Например, автомобиль не поедет, если просто облить его бензином и зажечь. Топливо нужно подать в двигатель - в нужное время и в нужном количестве.


2) Физические законы. Другой пример возрастания упорядоченности  - это кристаллы, например, кристаллы льда, из которых состоят снежинки. Во время замерзания вода отдает тепло во внешнюю среду, так что кристалл льда можно считать открытой системой. Почему на макроскопическом уровне в кристалле происходит организация и уменьшается энтропия? Только ли благодаря оттоку тепла? Нет. Молекулы, замедляя движение, конденсируются. Между ними образуются водородные связи. Учитывая форму молекул воды, становится энергетически более выгодно составлять их в кристаллическую структуру, чем ориентировать беспорядочно. Можно сказать, что порядок в данном случае заранее присутствовал в симметрии молекул и соответствующих межатомных электромагнитных силах. Нельзя сказать, что отток тепла создал порядок - он всего лишь позволил проявиться порядку, скрытому  в физических законах. Интересно также, что это согласуется с формулами изменения тепловой энтропии - отток тепла приводит к ее убыванию, она как бы вытесняется за границы системы, а порядок возрастает. Насколько я понимаю, это связано именно с тем, что тепловое движение мешает атомам сблизиться достаточно, чтобы между ними начали действовать квантовые физические законы.


3) Кратковременные флуктуации, возникающие как в открытых, так и в изолированных системах, находящихся в сильно неравновесных состояниях. Такие флуктуации означают отклонения от обычного направления энтропии с математической вероятностью, описываемой теоремой флуктуацийЭкспериментально эта теорема была подтверждена впервые в 2002 году с помощью микроскопических латексных шариков, погруженных в воду. Через каждые несколько десятков секунд на период длительностью менее двух секунд возникало убывание энтропии, но потом направление энтропии шло в обычном направлении. Это интересное открытие, но в больших временных масштабах оно никак не влияет на результат. Это похоже на то, как если бы мы после каждых ста шагов делали пару шагов назад. К разряду флуктуаций можно отнести многие стихийные события на Земле, в результате которых возникает временное отклонение от тенденции к возрастанию энтропии. Например, в результате удара молнии могут образоваться простые органические соединения (такие как аминокислоты), но большая часть из них будет сразу же разрушена кислородом или водой. Извержение вулкана, ветер, выброс газа, и еще многое можно отнести к этой категории.


4) работа, совершаемая кем-то разумно и целенаправленно - это четвертое условие, при котором может происходить уменьшение энтропии в открытой системе. Это, думаю, очевидно и без пояснений.


Итак, еще раз перечислим условия: 1)наличие сложного механизма, 2) физиических законов и симметрии молекул, 3)флуктуаций, или 4)осмысленного действия могут нарушить общую тенденцию к убыванию энтропии в открытой системе. Возможно, этот список неполон в силу моих ограниченных знаний. 

Теперь попробуем представить время, когда на Земле не было жизни. Какие из этих условий присутствовали и могли иметь отношение к появлению жизни?
  • Сложный механизм, который, питаясь от энергии Солнца, производил живое из неживого, уменьшая при этом энтропию? Нет, потому что такие машины сами являются частью живых организмов - другие мне неизвестны. Пожалуй, единственный природный процесс, в котором напрямую усваивается энергия Солнца -это фотосинтез в растениях и некоторых бактериях, который запасает энергию света в "аккумуляторах" биохимической энергии - углеводах. Но фотосинтез, разумеется, не мог происходить до появления жизни.
  • Физические законы? Конечно, они действовали уже тогда, и без них не могут образовываться химические связи, необходимые для жизни. Но проблема в том, что многие ключевые биохимические реакции энергетически невыгодны.** Поэтому не происходит спонтанного появления сложных компонентов жизни, в отличие от того, что мы наблюдаем на примере кристаллов. Эрвин Шрёдингер предполагал, что в будущем будут открыты неизвестные в его дни квантовые законы, он даже называл молекулу ДНК "апериодичным кристаллом".  Но пока не выявлено физических законов, которые делали бы появление белков или нуклеиновых кислот абсолютной энергетической необходимостью, как это происходит в кристаллах.
  • Флуктуациями можно пренебречь, поскольку наблюдения говорят об их несущественном и обратимом вкладе в убывание энтропии. 
  • Что же, если ни одно из первых трех условий не выполнялось? Если мы ничего не забыли, тогда общая тенденция к неубыванию энтропии в открытой системе препятствовала бы самоорганизации неживого в живое - должен был быть Организатор (4-е условие), который и снабдил нас молекулярными внутриклеточными аппаратами, неустанно работающими на уменьшение энтропии.
Итак, что же можно ответить на вопросы, поднятые вначале? Можно ли применить второе начало термодинамики к биологической жизни? Строго говоря, нет, исходя из самого определения. Но мы можем говорить, что самозарождение жизни являлось бы нарушением общей тенденции к возрастанию энтропии, что существенно понижает его вероятность. Выводы делать вам, ведь в этом уравнении много неизвестных, а я старался осветить тему объективно. Многие предпочитают использовать другие аргументы из-за их простоты и полноты, и таких аргументов множество. И все же я думаю, что размышление на такую тему не было просто разминкой для ума, но внесло некоторую лепту вдобавок к общему весу аргументов против абиогенеза жизни на Земле. 


_________________________________________
"Восхваляйте его, солнце и луна. 
Восхваляйте его, все сияющие звёзды.  
Восхваляйте его, небеса небес  
И воды, что над небесами.  
Да восхваляют они имя Иеговы,  
Потому что он повелел — и они были сотворены.  
Он сохраняет их вовеки, вечно 
Он дал постановление, и оно не отменится." 
 (Псалом 119:3-6)
_________________________________________




Приведенные выше слова из Библии объясняют существование жизни следующим: 1) Земля является открытой системой, 2) Творец, любящий Бог Иегова, уменьшил энтропию, создав все живое на Земле и 3) своей силой может сдерживать ее возрастание в нашей Солнечной системе, галактике и Вселенной.


10 комментариев:

  1. ...отлично!со скрипом,конечно,но ты ,братик,прав в том,что материал действительно вносит свою лепту вдобавок к общему весу аргументов.спасибо!с удовольствием всегда читаю!!!...

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Спасибо, Светлана! В этом вопросе нельзя быть категоричным, поэтому и получилось "со скрипом"))

      Удалить
  2. Термодинамика и возникновение жизни
    Переход между неживой и живой материей является плавным. Он предопределен действием термодинамического принципа стабильности вещества, описывающего прямые и обратные связи при передаче термодинамической информации между временными (temporal) и структурными иерархиями в ходе химической, «промежуточной или переходной» и биологической эволюции.
    http://gladyshevevolution.wordpress.com/ см.: Термодинамика и возникновение жизни.
    Явление жизни может быть осознано на основе квазиравновесной иерархической термодинамики динамических систем, созданной на прочном фундаменте термодинамики Дж. У. Гиббса. Теория может быть построена без привлечения концепции о диссипативных структурах И.Пригожина и его представлениях о негоэнтропии.
    http://www.youtube.com/watch?v=CYr1G5TZO50
    С точки зрения термодинамики явление жизни можно определить так: «Жизнь – существование пространственно выделенных обновляющихся полииерархических структур в круговороте лабильного (склонного к изменению) химического вещества в присутствии жидкой воды на планете».

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Звучит впечатляюще, должен я признать. Но что вы можете сказать по существу "квазиравновесной иерархической термодинамики динамических систем", чтобы это не звучало так же непостижимо и таинственно, будто сообщение о чудодейственных кристаллах? Как это работает?

      Например, поясните это на примере образования фосфодиэфирных связей, пусть даже на гипотетической кристаллической матрице, между неактивированными нуклеотидами. Есть ли хоть одно лабораторное подтверждение, что это может происходить, притом с разумной скоростью?

      Удалить
  3. часто снежинку приводят как пример сложной самоорганизующейся структуры.(по крайней мере в беседах обычные люди мне приводили именно такой пример).но мне почему то кажется что на самом деле информации в ней заложено мало и она описывается простой фрактальной формулой.а их огромное разнообразие обусловлено огромным количеством вариантов соединения молекул и кристаллов в самом начале её формирования.а затем с какого то уровня уже начинается симметричное формирование.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Да, вы правы. Симметрия снежинки обусловлена формой матрицы, на которой она начинает расти. Поскольку этой матрицей является кристалл с шестилучевой симметрией, на шести его гранях начинает расти шесть дендритов. Их форма и разветвления зависят от динамически меняющихся условий среды - температуры, влажности, давления и пр. По сути, от куска льда снежинка отличается только благодаря тому, что молекулы воды оседают на зародыше постепенно. Поэтому в снежинке ненамного больше информации. Понимая это, в тексте я упоминал о "кристаллах льда, из которых состоят снежинки", как о примере самоорганизующейся системы. А иллюстрация наглядно показывает, что такой порядок на микроскопическом уровне может при определенных условиях отразиться в макроскопической структуре.

      Спасибо за содержательный комментарий!

      Удалить
    2. Энергия-это прежде всего информация.

      Удалить
  4. "Эрвин Шрёдингер предполагал, что в будущем будут открыты неизвестные в его дни квантовые законы, он даже называл молекулу ДНК "апериодичным кристаллом". Но пока не выявлено физических законов, которые делали бы появление белков или нуклеиновых кислот абсолютной энергетической необходимостью, как это происходит в кристаллах."

    После сотворения всего живого Бог просто исключил из физических процессов законы в соответствии с которыми, была образована жизнь? Чтобы не дать атеистам аргумента в пользу самообразования жизни?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Необязательно было исключать какие-то законы. Просто без целенаправленных осмысленных действий эти законы не работают в нужном направлении. Для создания ДНК достаточно было иметь запас активированных (фосфорилированных) нуклеотидов, которые управляемо соединялись в содержательную последовательность, как это делают сегодня в лабораториях. То есть, нужно было преодолеть два препятствия — невозможность случайного возникновения информации и невозможность спонтанной активации компонентов.

      Творческий акт задействует одни законы, но всегда нарушает другие законы — хотя бы те же тенденции к возрастанию энтропии или химическим реакциям с высвобождением энергии.

      Удалить
  5. Спасибо за ответ.
    Все же думается, что осмысленные действия подразумевают под собой подчинение законам, умение правильно их комбинировать. В лаборатории бы ничего невозможно было достичь (или результаты были бы инвалидными), если бы испытатели действовали, нарушая законы - просто у законов есть границы применения, одни законы ограничивают действие других.
    В случае с созданием ДНК у меня напрашивается параллель с производственным процессом по изготовлению какого-то сложного, или не очень, механизма. Для его производства нужно оборудование. Работа производственного оборудования тоже обусловлена взаимодействием законов, но после того, как продукция готова, она работает самостоятельно.
    Бог по окончании дней творения вывел из природной среды часть процессов, они больше не повторяются.

    ОтветитьУдалить

Чтобы комментарий был опубликован, он должен быть написан в уважительной манере, быть содержательным, желательно немногословным, и напрямую касаться темы статьи. Это не форум, поэтому вопросы, повторные комментарии, а также ответы на чужие комментарии могут не пропускаться. Объемную критику можно размещать в своем блоге. С вопросами обращайтесь в личном письме.

Поделиться