Аксиомы биологии - Медников Борис Михайлович
Да и подчиняется ли живая природа второму началу?
Демон Максвелла. Чтобы решить эту проблему, вернемся назад. В прошлом веке великий физик Максвелл предложил поставить мысленный эксперимент. Представьте себе, говорил Максвелл, трубку, заполненную разреженным газом. Трубка посредине разделена перегородкой. В перегородке есть заслонка, дверца. Допустим, что у этой заслонки сидит некоторое существо (или устройство), различающее молекулы по скоростям. Пусть это существо (демон) открывает заслонку перед быстрыми молекулами и закрывает перед медленными, то есть сортирует их по энергиям.
В результате отбора, производимого демоном, быстрые молекулы соберутся в одной половине трубки, а медленные в другой. Один конец устройства разогреется, другой охладится. Общая энергия устройства останется прежней, так что первое начало термодинамики (закон сохранения энергии) мы не нарушим. Но система перешла от более вероятного состояния к менее вероятному. Демон получил разность температур, позволяющую совершить работу, в обход второго начала термодинамики.
На рисунке показана схема, позволяющая воссоздать парадокс
Максвелла. Соберите электрическую цепь с диодом (или иным выпрямителем), пропускающим ток только в одном направлении. Свободные электроны в металле находятся в состоянии хаотического теплового движения (электронный газ). Как и во всяком газе, в нем возникают флуктуации мы их не видим, но слышим как шипение и потрескивание в динамике приемника (там они усиливаются, и они-то как раз являются помехой слабого сигнала). Диод должен сыграть роль демона: пропуская электроны в одну сторону, он создает разность потенциалов, за счет которой можно выполнить работу.
Собрать такую схему в школьном кабинете физики – минутное дело. Еще быстрее мы убедимся, что диод не желает быть демоном – ток в схеме не возникает. Причина? Вернемся к примеру с разреженным газом в трубке. За неимением демона снабдим заслонку какой-нибудь пружиной, которая позволит дверце открываться только после удара быстро движущейся молекулы с высокой энергией. Дверца откроется, чтобы пропустить молекулу, но при этом отнимет у нее энергию на деформацию пружины! В случае с электронами роль пружины выполняет сопротивление диода.
А если у нас все-таки есть демон? Допустим его существование, ведь эксперимент у нас мысленный. Можно допустить даже и то, что на открывание заслонки энергия не расходуется. Но каким образом наш привратник узнает, какую молекулу надо пропустить, а какую нет? Он должен знать скорость молекул, непрерывно получать информацию об их координатах в каждый момент времени. Но информация не дается даром: Л. Бриллюэн показал, что затраты на различение молекул с лихвой компенсируют возможный прирост энергии. Как не вспомнить шутливое замечание о том, что первое начало термодинамики утверждает, что в игре с природой нельзя выиграть, а второе – что нельзя даже остаться «при своих». На атомно-молекулярном уровне отбор оказывается невозможным.
А в живой природе? Тут вступает в действие принцип, который Н. В. Тимофеев назвал принципом усилителя. Правильнее называть его принципом усиления так как под словом «усилитель» обычно подразумевают какое-либо устройство, специально созданное для этой цели. Понять его действие можно из примера, приводимого В. А. Ратнером. Допустим, мы имеем оплодотворенную яйцеклетку – носительницу мутации какого-нибудь гена, кодирующего важный для жизни фермент. В процессе роста и развития организма яйцеклетка превратилась в миллион миллиардов клеток (1015). Соответственно умножились гены. Каждый ген продуцирует, допустим, сто молекул мРНК и на каждой молекуле мРНК синтезируется в среднем сто молекул фермента. Наконец, каждая молекула фермента в минуту осуществляет, скажем, 10 000 актов какой-либо реакции. Итак, 1015•102•102•104= 1023. Вам, должно быть, известно число Авогадро: количество молекул в моле примерно равно 6 • 1023. Вот насколько усиливаются результаты одного-единственного квантового скачка одной мутации!
Это уже ощутимые количества, с которыми может работать демон. И такой демон существует – это естественный отбор, «демон Дарвина», как удачно его назвал известный биохимик, популяризатор и фантаст Айзек Азимов. Именно отбор пропускает в следующее поколение организмы со структурой, не слишком сильно измененной, или с изменением, дающим повышенные шансы на выживание и дальнейшее размножение. Если преимущество обеспечивается усложнением организации – что же, демон Дарвина отберет и пропустит через свою «заслонку» в будущее чрезвычайно редкие варианты, такие, которые редки, как сверхбыстрые молекулы в газе. Так идет прогрессивная эволюция.
Значит ли это, что жизнь не подчиняется второму началу термодинамики, что она не повышает, а понижает энтропию? Высказались и такие мнения. Но это заблуждение. Жизнь нарушает второе начало не большей мере, чем радиоприемник. Все мы по печальному опыту знаем, что банальный транзистор, приняв невообразимо слабый сигнал, может его усилить до такой степени, что возникнет опасность для барабанных перепонок соседей. Но на это затрачивается свободная энергия батареек. Она расходуется, в частности, на преодоление сопротивления диодов и прочих элементов, превращаясь в тепло – хаотическое движение молекул. Из-за угла снова выглядывает ухмыляющаяся энтропия.
В жизни то же самое. Растения утилизируют лишь немногие проценты падающей на них солнечной энергии (не более двух процентов) Растительноядные животные усваивают не больше 10 процентов энергии пищи, хищники, находящиеся на концах пищевых цепей, – и того меньше. Коэффициент полезного действия жизни существенно меньше КПД первых паровозов Стефенсона. Ничего не поделаешь – на усиление требуется энергия. Жизнь вообще и человек в первую очередь в той же мере снижает энтропию Солнечной системы, в какой карманный воришка повышает национальный доход. Один перераспределяет энтропию, другой – деньги в свою пользу, а в окружающей их среде количество энтропии соответственно возрастает, а денег – уменьшается.
Важно подчеркнуть, что отбор действует не прямо на измененные генетические программы, а на фенотипы, в которых каждое изменение в миллиарды миллиардов раз усиливается.
Вот мы и подошли к формулировке четвертой аксиомы.
Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипов многократно усиливаются и подвергаются отбору условиями внешней среды.
Демон Дарвина. Важно подчеркнуть, что естественный отбор, так же как искусственный, где роль условий внешней среды выполняют требования человека, – не просто уничтожение одних особей в популяции и сохранение других. Это дифференциальное размножение, большая вероятность оставить потомство. Вот простой пример: допустим, мы отправили в трудное путешествие через горы и пустыни караван из лошадей, ослов и их помесей – мулов, причем все животные навьючены до предела возможностей. Скорее всего, до цели дойдут лишь мулы, сочетающие выносливость осла и силу лошади. Но они бесплодны, оставить потомство не могут. Это не отбор.
Один весьма уважаемый мною физик эмоционально отрицал значение отбора. Среди его доводов был и такой: уничтожая худшие фенотипы, отбор не улучшает популяцию. Например, у меня в кармане есть золотые, серебряные и медные монеты. Если я выброшу все медные монеты, стану ли я богаче?
Маститый физик не учел одного признака, отличающего монеты от живых организмов. Монеты не размножаются в карманах (в своих я, например, наблюдал только обратный процесс). Но допустим, что они размножаются делением, как бактерии, хотя бы раз в сутки. Если карман имеет неограниченную вместимость (бездонный), то ничего, кроме разрастания нашей «популяции монет» не произойдет. Но бездонных карманов не бывает, как на Земле не бывает бесконечных пространств для расселения видов. Когда карман переполнится, лишние монеты будут высыпаться, рост популяции стабилизируется. Введем фактор отбора выбросим медяки, Освободившееся место займут золотые и серебряные монеты. Выбросим и серебро. Через два-три деления карман будет набит золотом: все-таки мы стали богаче, хотя бы и в мыслимом эксперименте. Еще и еще раз подчеркнем: отбор не уничтожение, а дифференциальное размножение!
