Журнал "Компьютерра" №707
Шрифт:
Долгое время проблема дифференциации живого и неживого не имела удовлетворительного решения, и вовсе не потому, что над этим мало думали. Думали немало. Но думали не те и не так.
В чем состояла трудность?
Интуитивное представление
Похоже, первые конструктивные попытки дать ответы на эти вопросы связаны с анализом причин движения, имеющего место во всех физических системах без исключения. Кстати, уже сам факт исследования живых систем с позиций физической науки (а не теургии, религиозных и религиозно-философских систем) говорит о многом. По меньшей мере о том, что - по Максу Планку - адепты старого знания просто-напросто вымерли…
Итак, феномен движения. Точнее сказать - само-движения.
1824 год. Карно опубликовал свой труд "Размышления о движущей силе огня". Движущим началом был назван теплород, который впоследствии стал также считаться одной из разновидностей "жизнеосновы" и претендентом на роль элементарной жизненной эманации, идентифицироваться с элементарной живой сущностью, элементалом огня [Представления об элементалах огня, равно как и других стихий природы, возникли гораздо раньше. - Прим. ред.] и т. п. Впрочем, попытки выделить теплород в чистом виде не увенчались успехом, и представления о причинах движения в физических системах стали уточняться и оформляться в прообраз будущей термодинамики.
В сороковых годах XIX века сын английского пивовара из Манчестера Джеймс Прескотт Джоуль (1818–89), к счастью для нас, не пошедший по стопам отца, экспериментально доказал, что теплота в физических процессах не сохраняется, следовательно, она не есть вещество. Правда, объяснить толком, что она собой представляет, он не смог.
В 1847 году в Оксфорде Джоуль повстречался с Уильямом Томпсоном, лордом Кельвином (1824–1907), в то время возглавлявшим кафедру натуральной философии Университета Глазго, и рассказал ему о своих затруднениях. Говорят, лорд Кельвин был раздосадован, поскольку свою преподавательскую работу строил на базе идей теплорода Карно. Тем не менее в работе "К динамической теории теплоты" он прямо допустил существование двух форм или видов движения - механического и теплового, что позволяет примирить друг с другом теории Карно и Джоуля. Вопрос перехода тепла в механическое движение и наоборот стал, вероятно, фундаментальнейшим вопросом физики того времени, поскольку затрагивал сферу научного мировоззрения, выходя далеко за пределы исследования причин движения.
Принципиальное решение проблемы дал немецкий физик Карл Филипп Готлиб (1822–88), прославившийся в науке под псевдонимом Клаузиус. В 1850 году он опубликовал фундаментальный труд "О движущей силе теплоты", в котором ввел понятие энтропии. Диаграммы изменения энтропии при исследовании химических процессов стал широко использовать Гиббс (1839–1903).
Энтропия как характеристика, связанная с упорядоченностью физических систем, позволила впервые проанализировать качественные свойства процессов движения в живых и неживых объектах. В частности, оказалось, что энтропия изолированной физической системы в процессах движения стремится к увеличению, что было сформулировано в виде Второго начала термодинамики [По Клаузиусу, Второе начало звучит так: "Теплота не может переходить от холодного тела к теплому сама собой, даровым способом". Больцман утверждал: "Природа стремится к переходу от
Напротив, живые системы явно демонстрируют полное пренебрежение этим великим принципом, уменьшая в процессе жизнедеятельности присущую им энтропию.
Собственно, вот мы и подошли к главному. Критерий, позволяющий определить, какую физическую систему мы конструируем - живую или мертвую, оказался прост. Если система замкнута, способна лишь "двигаться на излете", растрачивая исходный запас энергии, значит, она мертва. Хотя и может демонстрировать весьма активное и сложное поведение, определенным образом структурировать себя, но… Таковы все наши машины и механизмы. С момента рождения они уже мертвы. Такой вот парадокс…
Конструировать живую (в термодинамическом смысле) систему можно лишь в классе открытых систем, не подпадающих под "юрисдикцию" Второго начала. Строго говоря, здесь возникает некоторая неопределенность терминов. "Открытая система" - это ведь не объект, а скорее процесс, протекающий в границах некоего объема пространства, который лишь для внешнего наблюдателя будет восприниматься как объект. И даже не один процесс, а множество: процессы обмена веществом и энергией с окружающей средой, процессы самоструктурирования, эволюции, процессы приема и обработки информации… Впервые об этом писал основатель общей теории систем Людвиг фон Берталанфи (1901–72). Рассматривая живой организм как систему, он отмечал, что живые тела с точки зрения термодинамики являются открытыми системами, а неживые тела функционируют как закрытые системы, то есть не обмениваются веществом и энергией с окружающей средой.
Здесь уместно привести примеры таких термодинамически "живых" объектов-процессов: пламя костра, огонь, бегущий по бикфордову шнуру… В последнем случае, очевидно, система способна к самодвижению. Подобных примеров читатель может найти множество, однако не следует забывать, что мы сейчас говорим лишь о "жизни" как определенной категории термодинамических процессов и не более. Мы не случайно взяли здесь слово "жизнь" в кавычки. Сами по себе горящие дрова или порох бикфордова шнура - всего лишь системы, увеличивающие свою энтропию, растрачивая имеющиеся запасы химической энергии, то есть вполне подвластные Второму закону термодинамики.
Устойчивое существование имеет место, пока поддерживаются нужные условия, однако эти условия могут разрушаться самим существованием нелинейной системы. Так, автокаталитические реакции, производящие собственный катализатор, убыстряющимися темпами исчерпывают запасы реагентов, приближая собственный конец, если запасы реагентов не пополняются. Такое пополнение может осуществляться искусственно в лабораторной установке или естественно за счет обмена веществ в организме. Но ни в том, ни в другом случае не может быть вечным.
Таким образом, целостность связана с темпоральностью в смысле временности, преходящести существования и в том случае, когда система способна к динамической устойчивости.
Добронравова И.С., Физика живого как феномен постнеклассической науки//Физика живого. 2001. Т.9. №1.