Борис Медников - Дарвинизм в XX веке

В главе, посвященной прогрессу, нам, как ни странно, нужно рассмотреть еще вопрос о втором начале термодинамики и применимости его к живой природе. Сам по себе вопрос довольно сложен, к тому же вокруг него скопилось столько спорных и попросту неверных мнений, что автор приступает к нему с некоторым опасением, — удастся ли изложить его достаточно ясно и убедить всех без исключения читателей. Да еще надо постараться обойтись без формул!

Первое начало термодинамики знают все — это закон сохранения энергии, и смирились с ним почти все, кроме немногочисленных теперь изобретателей вечного двигателя. Да и те сейчас — компетенция скорее клиники, чем физики.

Иное дело — второе начало. Хотя на нем, вкупе с первым, построено все величественное здание современной физики, противников у него и сейчас столько, что становится ясным — оно затрагивает какие-то жизненные интересы людей, пресекает самые сокровенные их мечтания.

А какое самое сокровенное мечтание у человека? Может быть, бессмертие? Не постулирует ли второе начало неизбежность смерти?..

В самом общем виде второе начало можно выразить так: все процессы в природе протекают в сторону увеличения вероятности состояния, в сторону увеличения энтропии. Энтропия — омертвленная энергия, понизить запасы которой в системе можно лишь потратив еще большее количество энергии (ибо нет систем со 100 % коэффициентом полезного действия). Она может только увеличиваться, так же как и время может идти только вперед.

Чем менее равновесна система, тем менее вероятность ее пребывания в этом состоянии. Примеры неравновесных систем — стакан горячего чая на столе или палочка эскимо в летнюю жару. Не нужно быть пророком, чтобы предсказать, что рано или поздно стакан остынет, а эскимо растает. Они уравновесят свою температуру с окружающей средой, и энтропия возрастет. Чтобы ее понизить, нужно снова вскипятить чай и заморозить эскимо, но при этом мы всегда потратим больше энергии, чем потеряли. Как остроумно заметил известный биохимик, писатель-фантаст и популяризатор науки Айзек Азимов, первое начало гласит, что в игре с природой нельзя выиграть, а второе, — что нельзя даже остаться при своих.

А вот и другие примеры. Груда кирпичей — более вероятна, чем выстроенный из них с затратой энергии дом. Железная руда более вероятна, чем выплавленное из нее железо. И наконец, живой человек — явление, термодинамически менее вероятное, чем его скелет.

Наверное, последний пример и делает второе начало неприятным для мыслящих существ, знающих, что такое смерть. Эмоциональное неприятие бренности всего сущего и породило гипотезу о том, что для живой природы второе начало недействительно. Живая материя борется с энтропией, снижая ее количество во Вселенной, и достигает венца в разумной деятельности человека.

Как будто похоже на правду. Зеленые растения превращают воду и углекислый газ в углеводы, которые можно съесть или сжечь (каменный уголь!) и тем самым получить энергию. Животные растут, размножаются, увеличивают массу. Наконец, сам человек — не он ли возводит величественные города, строит железные дороги и космические корабли, борется с болезнями и продлевает свое существование.

Получается красивая картина — мир неживой природы пассивно плывет вниз по течению, к водопаду Энтропии; лишь живая природа (или только человечество — в зависимости от оптимизма авторов) плывет вверх, преодолевая поток.

Это возвышает и ободряет — но, увы, так же, как идея бессмертной души, воспаряющей в рай. Красиво, но неверно.

Вернемся к примеру с потоком. Что нужно для того, чтобы, скажем, не продвигаться вверх, но хотя бы удерживаться на одном месте, в обычном водяном потоке вроде быстрой реки? Еще Ньютон знал, что для этого нужно отбросить вниз по течению n-ное количество воды, а в результате скорость течения позади все увеличивается.

То же самое и с термодинамическим потоком, по которому плывем все мы, делая попытки затормозить свой снос. Растения синтезируют низкоэнтропийные вещества из высокоэнтропийных. Это правда, но за счет энергии Солнца, которую они утилизируют отнюдь не со 100 % КПД. Животные поедают растения или других животных, а ведь есть такое понятие — кормовой коэффициент, означающее, сколько нужно единиц пищи для достижения единицы веса (у разных животных он колеблется от 7 до 10). Венца производство энтропии достигает в разумной деятельности человека. Недаром в последнее время температура поверхности Земли повышается за счет безудержного роста потребления энергии.

Поэтому нужно оставить высокопарные бредни о космической роли Жизни, спасающей Вселенную от энтропии, и запомнить, что живое вещество (включая человека), снижая энтропию в себе и вокруг себя, в той же мере борется с энтропией Солнечной системы, в какой карманный воришка повышает национальный доход Сказано, может быть, резко, но без недомолвок.

Итак, как писал Шмальгаузен, в индивидуальной жизни все организмы поддерживают свою упорядоченность, сохраняют до поры свой уровень энтропии тем, что непрерывно повышают ту же энтропию в окружающей среде. Способность к упорядочению какой-нибудь части внешней среды у животных ничтожна (гнезда птиц, коры роющих грызунов, плотины бобров). Только человек активно и в небывалых доселе масштабах повышает упорядоченность своего окружения с тех пор, как построил первую хижину. Зато и свободной энергии он тратит, обращая в энтропию, намного больше, чем любое животное.

А как же быть с явлением прогрессивной эволюции — ведь это несомненное снижение энтропии?

В термодинамике есть парадокс, именуемый парадоксом Максвелла. Максвелл предложил поставить умственный эксперимент: представить некое микроскопических размеров существо или устройство, способное каким-нибудь образом различать быстро и медленно движущиеся молекулы в окружающей его среде. Находясь у микроскопической двери, соединяющей две части системы, это существо (условно названное «демоном») могло бы открывать дверь перед быстро движущимися молекулами и закрывать перед медленными. В результате подобной деятельности «демона» температура в одной части системы могла бы повыситься, а в другой понизиться. Такой «демон» мог бы вскипятить воду в стакане на столе без затраты энергии — иными словами, понизить энтропию.

Увы, «демон» Максвелла невозможен. Известный физик Л. Бриллюэн четко показал, что, для того чтобы отличить быстрые молекулы от медленных («горячих» от «холодных»), «демон» должен оценивать энергию молекул, хотя бы освещая их. Расход на получение такой информации с лихвой компенсирует ожидаемое снижение энтропии.

Но в эволюции такой «демон» существует. Это естественный отбор — «демон Дарвина», как удачно его назвал А. Азимов. Именно отбор, сохраняя жизнь более сложным организмам, если они более приспособлены, и создает прогресс.

Исчезни отбор — и бесконтрольно накапливаемые в генотипах видов мутации быстро поведут к дезорганизации всех связей внутри организмов — к регрессу, к повышению энтропии. По словам Шмальгаузена, «в эволюции организмы снижают энтропию, то есть увеличивают свою упорядоченность естественным отбором особей, наиболее успешно разрушающих внешнюю среду, то есть повышающих ее энтропию». Сам по себе мутационный процесс есть фактор разрушающий, повышающий энтропию. Де Фриз был неправ — одни мутации, без отбора не могут создать виды, ибо они по своей природе не созидают.

С той же позиции Шмальгаузен рассматривает и стабилизирующий отбор, при котором гибнут все особи с менее устойчивой организацией (вспомните воробьев Бампуса!). В любой популяции энтропия возрастает вследствие мутационного процесса — и отбор, отсекая крайние популяции, поддерживает ее на прежнем уровне.

Было бы очень любопытно проанализировать с этой точки зрения многие эволюционные тенденции — например, возникновение теплокровности. У всех без исключения организмов все реакции, идущие в их теле (в основном за счет распада АТФ), завершаются выделением во внешнюю среду высокоэнтропийных веществ — углекислого газа, воды и аммиака. Помимо этого, выделяется большое количество тепла — это тоже, так сказать, отброс производства. У мелких животных выделение «тепловых шлаков» не составляет проблемы, так как у них относительно большая поверхность по сравнению с объемом. Но чем крупнее организм, тем выше опасность перегрева. Поэтому самые крупные пресмыкающиеся, в основном ночные и водные, крайне медлительные животные. Они способны, как крокодилы и змеи, к быстрому, стремительному броску на добычу, но не к продолжительному движению, а медлительность черепах даже вошла в пословицу. Исключение — водяные черепахи, но вода лучший теплопроводник, чем воздух.

Лишь птицы и млекопитающие (а также, если вы помните, летающие ящеры) стали утилизировать эти «тепловые отбросы», задерживая теплообмен между телом и средой теплоизолирующим перьевым или шерстным слоем. Но одной теплоизоляции мало — она увеличивает опасность перегрева. Потребовалось создание весьма сложных систем, регулирующих температуру тела; примером могут быть потовые железы млекопитающих. Результатом явилась стабилизация жизненных процессов, повышение автономности от внешней среды — и успех в жизненной борьбе.