История жизни

<- Часть 1. Глава 5 Глава 2 ->

Часть 2. Возникновение жизни

 

    Глава 1. Фундаментальные основы жизни

Из жизненного опыта мы знаем, что порядок сам по себе не образуется, самопроизвольно возникает только беспорядок. И чтобы что-то построить или наладить, нужно приложить усилия, а при естественном ходе событий все только ломается и разрушается. О том же говорит и второй закон термодинамики – в произвольных процессах энтропия возрастает. Энтропия – это мера неупорядоченности системы, то есть хаоса.  Если согласно первому закону термодинамики энергия не может возникать или исчезать, то второй закон определяет, что с течение времени энергия рассеивается и приобретает все более неупорядоченную форму.

И поэтому зарождение жизни на Земле и ее развитие может показаться совершенным чудом, случайным явлением в истории Вселенной, обреченным на гибель.  Но если присмотреться повнимательнее, то мы увидим, что все не так грустно, что и в произвольных процессах могут образовываться упорядоченные структуры. Вытекающая из ванны вода образует воронку, во время мощного взрыва в кимберлитовых трубках  образуются кристаллы алмазов. Сама Солнечная система является замечательным примером возникновения упорядоченной структуры из газопылевого облака.

Одним из интересных случаев такой спонтанной самоорганизации является так называемая неустойчивость Бенара. Если мы будем постепенно нагревать снизу не слишком толстый слой вязкой жидкости, то до определенного момента отвод тепла от нижнего слоя жидкости к верхнему обеспечивается одной лишь теплопроводностью, без конвекции. Однако когда разница температур нижнего и верхнего слоев достигает некоторого порогового значения, система выходит из равновесия и происходит поразительная вещь. В нашей жидкости возникает конвекция, при которой ансамбли из миллионов молекул внезапно, как по команде, приходят в согласованное движение, образуя конвективные ячейки в форме правильных шестиугольников. Это означает, что большинство молекул начинают двигаться с почти одинаковыми скоростями, что противоречит и положениям молекулярно‑кинетической теории, и классической термодинамике. Если в классической термодинамике тепловой поток считается источником потерь, то в ячейках Бенара он становится источником порядка.

Почему же классическая термодинамика так плохо соотносится с реальностью? Дело в том, что термодинамика 19-го века изучала замкнутые системы в состояниях, близким к равновесным, и именно для замкнутых систем сформулирован второй закон. А в реальной жизни замкнутую систему надо еще поискать. В открытой же и неравновесной системе, то есть в такой, в которой идут активные процессы, спонтанно могут возникать самоорганизующиеся структуры. Решающую роль в их появлении играет обмен энергией и веществом с окружающей средой. В целом энергия рассеивается, но за счет увеличения энтропии в окружающей среде, локально, внутри упорядоченной структуры, энтропия уменьшается. Основатель квантовой механики Шредингер в своей замечательной книге «Что такое жизнь с точки зрения физика?» именно так и определяет жизнь — как работу специальным образом организованной системы по понижению собственной энтропии за счет повышения энтропии окружающей среды. Физика, таким образом, не возражает против возникновения жизни и эволюции, что со стороны физики весьма благоразумно.

А чтобы понять механизмы эволюции, нам следует обратиться к эволюционной биологии, эволюционной химии и к эволюционной кибернетике. В частности, будут полезны следующие положения теории информации.

На информацию не распространяются законы сохранения, т.е. информация, в отличие от материи и энергии, может быть заново создана, а может быть и безвозвратно утрачена.

Способность информационных систем к самовоспроизведению принципиально зависит от сложности их организации. На низшем уровне сложность является вырождающейся, но выше некоторого критического уровня становится самоподдерживающейся или даже может расти.

Новая информация возникает в системе, если в ней происходит случайное изменение состояния с последующим запоминанием его результатов (S-теорема Климонтовича).

Как видим, эволюционный механизм, предложенный Дарвином, – естественный отбор случайных мутаций, — является совершенно адекватным и достаточным объяснением самопроизвольного усложнения живых систем в ходе эволюции с точки зрения физики и математики.

<- Часть 1. Глава 5 Глава 2 ->

 

Понравилась статья? Поделись с друзьями.

Оставить комментарий

+ 77 = 80