Книга Что такое жизнь? - Эрвин Шредингер

Из общего взгляда Дельбрюка на наследственный материал вытекает следующее: живая материя не уклоняется от законов физики, установленных до настоящего времени, но скорее всего подчиняется иным законам физики, пока не открытым, которые, однако, после своего открытия станут гармоничной частью этой науки.

Порядок на основе порядка

Это трудноуловимый ход мысли, который можно неправильно понять во многих отношениях. Оставшиеся страницы будут посвящены его разъяснению. Предварительные догадки, грубые, но верные, содержатся в следующих рассуждениях:

В главе 1 объяснялось, что известные нам законы физики являются статистическими. Они имеют отношение к естественному стремлению вещей к беспорядку. Утверждение, что это верно для всех законов физики, пожалуй, спорно. Мы обсудим это в главе 7.

Однако чтобы осознать высокую стабильность наследственного материала, обладающего микроскопическим размером, мы были вынуждены избежать стремления к беспорядку посредством «изобретения молекулы», точнее, необычно крупной молекулы, настоящего шедевра высокодифференцированного порядка, охраняемого волшебной палочкой квантовой теории. Это «изобретение» не нарушило законов вероятности, но изменило их следствия. Физику известно, что квантовая теория модифицирует классические физические законы, особенно при низких температурах. Тому есть много примеров, и жизнь – один из них, особенно удивительный. Жизнь кажется упорядоченным и закономерным поведением материи, основанным не только на ее стремлении от порядка к беспорядку, но отчасти на поддерживаемом существующем порядке.

Я могу прояснить свою точку зрения для физиков, и только для них: судя по всему, живой организм представляет собой макроскопическую систему, ее поведение частично приближается к тому чисто механическому (в отличие от термодинамического) поведению, к которому стремятся системы, когда температура стремится к абсолютному нулю и молекулярный беспорядок прекращает свое существование.

Не-физик вряд ли поверит, что обычные законы физики, какие он считает прототипом нерушимой точности, основываются на статистическом стремлении материи к беспорядку. Я приводил примеры в главе 1. Их общим принципом является знаменитый второй закон термодинамики (принцип энтропии) и его не менее знаменитое статистическое обоснование. Я постараюсь очертить значение принципа энтропии для крупномасштабного поведения живого организма, на время позабыв все, что мы знаем о хромосомах, наследственности и т. п.

Живая материя избегает равновесия

Что является отличительной особенностью жизни? Когда материю называют живой? Когда она «что-то делает» – движется, обменивается веществом с окружающей средой и т. д., причем на протяжении значительно большего периода времени, чем при сходных обстоятельствах можно было бы ожидать от неживой материи. Если неживую систему изолировать или поместить в однородную среду, в большинстве случаев любое движение быстро прекратится в результате различных видов трения. Разницы электрических или химических потенциалов выровняются, вещества, склонные формировать химические соединения, сформируют их, а температура станет одинаковой из-за переноса тепла. После этого вся система превратится в мертвый, инертный комок материи. Будет достигнуто постоянное состояние, в котором не происходит наблюдаемых событий. Физик назовет это термодинамическим равновесием, или состоянием с максимальной энтропией.

На практике подобное состояние обычно устанавливается стремительно. В теории это зачастую еще не абсолютное равновесие, не истинный максимум энтропии. Однако финальное приближение к равновесию происходит очень медленно. На это могут уйти часы, годы, века… Приведу пример, в котором равновесие достигается достаточно быстро: если стакан с чистой водой и стакан с подсахаренной водой поставить вместе в герметично закрытый сосуд с постоянной температурой, вначале кажется, будто ничего не происходит и достигнуто полное равновесие. Однако через день-другой станет заметно, что чистая вода, обладающая бо́льшим давлением пара, постепенно испаряется и конденсируется на сахарном растворе, в результате чего второй стакан переполняется. Лишь когда чистая вода полностью испарится, сахар достигнет своей цели – равномерно распределится по доступной воде.

Это медленное приближение к окончательному равновесию нельзя принять за жизнь, и потому мы не будем рассматривать его. Я упомянул это, чтобы меня не обвинили в неточности.

Она питается отрицательной энтропией

Уклонение от быстрого скатывания в инертное состояние «равновесия» делает организм столь загадочным, что с древнейших времен человеческая мысль приписывала ему – а в некоторых местах по сей день приписывает – некую особую нефизическую или сверхъестественную силу (vis viva[35], энтелехия).

Каким образом живой организм избегает упадка? Очевидный ответ: при помощи еды, питья, дыхания и (в случае растений) ассимиляции – или метаболизма. Это греческое слово (μεταβάλλειν) означает изменение или обмен. Обмен чем? Без сомнения, изначально подразумевался обмен материей. (Так, по-немецки «метаболизм» называют Stoffwechsel [36].) Абсурдно считать «обмен материей» основополагающим. Любой атом азота, кислорода, серы и т. п. ничем не отличается от других. К чему ими меняться? В прошлом наше любопытство на время приглушили, сообщив, что мы питаемся энергией. В какой-то очень развитой стране (то ли в Германии, то ли в США, а может, и там и там) в ресторанах в меню, помимо цены, указывают энергетическую ценность каждого блюда. Излишне говорить, что в буквальном смысле это тоже абсурд. Энергоемкость взрослого организма столь же постоянна, как и его материальный состав. А поскольку каждая калория стоит столько же, сколько любая другая калория, непонятно, зачем ими меняться.

Что же такое ценное содержится в пище, которая позволяет нам выжить? На этот вопрос легко ответить. Каждый процесс или событие – назовите как хотите, – все, что происходит в природе, означает повышение энтропии той части света, где это происходит. Так, живой организм непрерывно повышает свою энтропию – или, можно сказать, производит положительную энтропию, – тем самым стремясь к опасному состоянию максимальной энтропии, то есть смерти. Чтобы держаться подальше от этого состояния – то есть жить, – организму необходимо постоянно черпать из окружающей среды отрицательную энтропию, которая, как мы сейчас поймем, в действительности является положительной. Организм питается отрицательной энтропией. Или, если выражаться яснее, важная особенность метаболизма заключается в том, что организму удается избавиться от всей той энтропии, какую он производит в ходе своей жизнедеятельности.

Что такое энтропия?

Что такое энтропия? В первую очередь нужно заметить, что это не туманная концепция или идея, а измеряемая физическая величина, как длина прутка, температура в любой точке тела, теплота плавления кристалла или тепловая энергия вещества. При абсолютном нуле (приблизительно –273 °C) энтропия любого вещества равна нулю. Если небольшими, обратимыми «шажками» перевести вещество в любое другое состояние, даже при условии, что изменится его физическая или химическая природа либо оно разделится на две или более частей различной физической или химической природы, энтропия вырастет на величину, которую можно вычислить, разделив каждую небольшую порцию теплоты, что необходимо приложить в ходе данной процедуры, на абсолютную температуру ее приложения и сложив все эти небольшие вклады. Например, когда вы плавите твердое вещество, его энтропия возрастает на величину теплоты плавления, поделенную на температуру в точке плавления. Из этого следует, что энтропия измеряется в единицах кал/°C (так же, как калория есть единица теплоты, а сантиметр – единица длины).