Глава 7 Особенность термодинамики Биос в аспекте дуализма целостности

.. .Реальность сопротивляется и ее сопротивление выражается прин­ципом Карно.

Эмиль Мейерсон Identite et realite

Известно, что однажды Вольфганг Паули чуть было не столкнулся на безлюдной улице Копенгаге­на с пожилой женщиной.

Мы не знаем, действительно ли эти похожие эпи­зоды имели место в жизни В. Паули и В. И. Вернад­ского, но основатель геохимии действительно по­лагал, что отрицание противоречия между термо­динамическим принципом биосферы и вторым на­чалом термодинамики обусловлено атавистической

ассоциацией биосферы с классическим физическим объектом, подобно тому как автор гипотезы о суще­ствовании нейтрино считал, что введение идеи спина обусловлено атавистической ассоциацией классиче­ского понятия с чисто квантовым объектом.

В. И. Вернадский полагал, что вся живая при­рода представляет явление, противоречащее в своем эффекте в биосфере принципу Карно: «Сейчас про­исходит как раз в этом направлении работа мысли физиков, которая указывает на возможность имен­но такого объяснения энергетической особенности явлений жизни в биосфере — неподчинения ее здесь принципу Карно...» ¹∖ Увы, когда перманентноце­лостная природа биологических систем возводится в абсолют и не принимаются во внимание их хроно- целостные свойства, то тогда, как видим, и «...доб­рая утроба дурных рождает сыновей» ²\

Попытки объяснить, исходя из свойств перманент­ноцелостной системы, явления, связанные с хроно­целостностью, обычно приводят к ошибочной поста­новке проблемы.

Н. А. Умов предложил ввести новый закон тер­модинамики для выражения специфических функ­ций живой материи. Выступая на XI съезде рос­сийских естествоиспытателей и врачей, он говорил об отсутствии в современной ему физике законов или понятий, которые отражали бы особенности тер­модинамики живой природы: «Отбор есть орудие

Вернадский В. И. Очерки геохимии. М., 1934. С. 212—213. В. Шекспир. «Буря». Действие 1-е, сцена 2-я.

борьбы с нестройностью, с ростом энтропии: это сортирующий демон Максвелла, наблюдающий и от­бирающий молекулы по своему усмотрению... Су­ществование в природе приспособлений отбора, вос­станавливающих стройность и включающих в себя живое, должно, по-видимому, составить содержа­ние... третьего закона» В 1901 г., когда проис­ходил XI съезд, были известны только два начала термодинамики. Развитая Планком теорема Нерн- ста, явившаяся третьим началом термодинамики, конечно, не аналогична «третьему закону», о кото­ром говорил основатель учения о движении энергии. И все же Планк не оставил без внимания проблему, волновавшую Н. А. Умова. Рассматривая закон воз­растания энтропии, он писал: «Если хотят толковать этот закон биологически, то скорее можно говорить о дегенерации, чем об усовершенствовании»

Неподчинение явлений жизни второму началу термодинамики энергично доказывал и американ­ский физиолог Р. Лилли. Исходя, как из непрелож­ного факта, из того, что жизнь противоречит зако­ну возрастания энтропии, Лилли утверждал, что ее сущность, происхождение и прогрессивная эволю­ция могут быть объяснены только на основе призна­ния вмешательства какого-то психического по своей природе импульса нематериального характера ^s∖

3) Наумов Н. А. Физико-механическая модель живой материи. СПб., 1902. С. 12.

^А) Планк М. М., 1958. С. 60.

⁵) Lillie R. 5. Physical indeyerminism and vital action ∕∕ Science.

15 Заказ 1988

Известный ученый, исследователь физики био­сферы Г. Ф. Хильми видел самый существенный про­бел в науках о биосфере в неразработанности ее тер­модинамической концепции, что обусловлено, по его мнению, присутствием в биосфере живого вещества, придающего энергетическим явлениям особые чер­ты, которые не встречаются в других оболочках пла­неты . Шрёдингер в книге «Что такое жизнь с точ­ки зрения физика?», значение которой сравнива­ли со значением трудов Гиббса, заложивших основы термодинамики’ и статистической механики, стре­мился показать, что нельзя свести к обычным за­конам физики деятельность «живого вещества», об­ладающего удивительной способностью концентри­ровать на себе «поток порядка», «пить упорядо­ченность» из окружающей среды. Гейзенберг осо­бо подчеркивал, что живые организмы обнаружи­вают такую степень устойчивости, какую сложные структуры, состоящие из многих молекул, не мо­гут иметь на основе физических и химических законов .

По Л. С. Бергу: «Жизнь двояким образом стре­мится опровергнуть постулат Клаузиуса, во-первых: в процессе индивидуальной эволюции, или онтоге­неза, во-вторых — в процессе перехода одних форм в другие, или филогенеза» . Развитие идет в сторо­ну создания таких организмов, которые были бы в состоянии производить максимум работы — как бы

Хилъмгг Г. Ф. Современное состояние научных концепций биосферы. Методологические аспекты исследования биосферы. М., 1975.

⁷∙>Гейзенберг В. Физика и философия. М., 1963. С. 77.

Берг Л. С. Труды по теории эволюции. Л., 1977. С. 45.

наперекор тому единственному принципу, которому Пуанкаре был склонен придавать абсолютное, кос­мическое значение, принципу наименьшей работы.

Леон Бриллюэн, у которого поэзия научных по­строений не всегда оставалась только внутренним переживанием, предшествовавшим логическим обоб­щениям, но и находила порой свое выражение на страницах его научных сочинений, поэтически обоб­щая особенности термодинамики живой природы, писал: «Принцип Карно есть смертный приговор: он грубо и безжалостно применяется в неживом мире, в мире, который уже заранее мертв.

Как аналог второму началу термодинамики Илья Пригожин ввел для открытых неравновесных само­организующихся систем принцип минимума произ­водства энтропии в стационарном состоянии. Со­гласно принципу, выражающему свойство «инер­ции» неравновесных систем, последние переходят в состояние «наименьшей диссипации», если задан­ные граничные условия мешают им достичь термо­динамического равновесия ^[356]∖ Вскоре, однако, ста­ло очевидным, что этот принцип выполняется толь­ко в окрестности состояния равновесия: в систе­мах же далеких от равновесия термодинамическое поведение может быть совершенно иным и даже прямо противоположным тому, которое предска­зывает теорема о минимуме производства энтро­пии ^[357]∖ Существенно, например, что принцип нару­шается для нестационарных бьтстроразвивающихся структур. Они развиваются как раз за счет произ­водства энтропии, роста хаоса на микроуровне, про­являющегося в виде микроскопических диссипатив­ных процессов. Отсутствие доказательства принци­па минимума производства энтропии в стационар­ном состоянии для нелинейных систем и известные

примеры его нарушения^[358]^ вынуждают признать, что он не может идти ни в какое сравнение со вто­рым началом термодинамики в теории равновесных состояний.

В открытых системах, наряду с процессами, ана­логичными колмогоровской диссипации турбулент­ной энергии путем каскадной передачи ее все более мелкомасштабным вихрям, при которой энтропия растет строго локально, происходят и противопо­ложные, в известном смысле, процессы, называе­мые некоторыми авторами «перекачиванием энтро­пии вверх по лестнице иерархии систем» ^[359]). Под этим понимается уменьшение энтропии усложняю­щейся подсистемы за счет роста энтропии системы. В биологических системах усложнение организации, уменьшение энтропии ее элементов и подсистем ве­дет кусложнению организации, уменьшению энтро­пии системы в целом.

Противоречит традиционным представлениям классической термодинамики и утверждение И. При­гожина и И. Стенгере о том, что при неравновесных условиях энтропия может производить не деграда­цию, а порядок, организацию и, в конечном итоге, жизнь, путем образования диссипативных структур в точках бифуркации^[360]), т. е. структур более слож-

ных, чем те, которые им предшествовали и на под­держание которых требовалось меньше энергии. Для этого, по их мнению, нужно всего «лишь усиление микроскопической флуктуации, происшедшее в нуж­ный момент» ^[361]). Бот уже сущий пустяк — всего лишь в нужный момент!..

Каково значение таких событий в развитии био­логических систем для многих биологов — ныне воп­рос веры. Так, например, Г. Е. Михайловский от­мечает, что эквифинальность биологических систем может быть обеспечена лишь в том случае, когда целое детерминирует поведение своих частей, а это означает, что «эквифинальность противоположна би­фуркации» ^[362]) в понимании последней И. Пригожи­ным и И. Стенгере^[363]).

Настойчивое стремление найти аналог второму началу термодинамики для биологических систем как перманентноцелостных систем порождает и такие экстравагантные концепции, как концепция био­логической термодинамики К. С. Тринчера, успеш­но перешедшая из научных монографий, выдержав­ших несколько изданий^[364]), в учебную литературу.

системы представляет собой своеобразный, харак­терный только для живой материи, рабочий про­цесс, который в корне противоречит второму началу термодинамики. Вместо второго начала К. С. Трин- чер формулирует четыре уравнения, выражающие, по его мнению, основные закономерности биологи­ческой термодинамики — термодинамическую тео­рему биологической эволюции и закон биологиче­ской адаптации, термодинамическое уравнение об­мена веществ и закон накопления информации. «За­кон биологической адаптации», например, гласит: существует логарифмическая зависимость между упорядоченной, термодинамической неравновесной структурой живой системы, которая определяется функцией S_hcγ(O>и информационным содержани­ем J(£), которое приобретает организм в течение адаптационного периода t.

Для авторов учебной литературы так и оста­лось незамеченным, что при выводе термодинами­ческого уравнения биологической эволюции была некорректно использована для открытых систем фор­мула Больцмана, связующая энтропию с термодина­мической вероятностью состояния, тогда как она не­применима к открытым системам. При выводе зако­на биологической адаптации, призванного заменить для живых систем второе начало термодинамики, была введена лишенная физического смысла величи­на Л_мин — минимальная внутренняя (антифлуктуа- ционная) работа живой системы, якобы обеспечива- der Probleme der biologischen. 1966; Trincher К. S. Termodinamik. Leipzig, 1967.

²θ) Libbert Е. (ed.) {Compendium der Allgemeinen Biology. VEB Gustav Fischer Verlag. Jena, 1982.

ющая ее термодинамическую устойчивость при тем­пературе жизнедеятельности организма, и т. п. ^[365])

При всем при том, труды Карла Сигизмундови- ча Тринчера, несомненно, подтверждают справед­ливость изречения древнего латинского поэта Сек­ста Проперция:

К великим делам и стремленье почтенно бывает.

Ошибки, подобные вышеотмеченным, легко обна­руживаются в свете теории нелинейной неравновес­ной термодинамики. Это физическое учение, разви­тое, прежде всего, трудами И. Пригожина и П. Гленс- дорфа, показывает возможность спонтанного воз­никновения упорядоченных структур в различных сильно неравновесных открытых системах, но все же не объясняет того факта, что «... основным законом физики является тенденция к беспорядку, увеличе­ние энтропии, а основным законом биологии, — как утверждал А. И. Опарин, — рост организован­ности — уменьшение энтропии» ^[366]∖ Один из осно­воположников биоэнергетики Альберт Сент-Дьер- дьи, как бы солидаризуясь в понимании «основного закона биологии» с автором коацерватной теории возникновения жизни на Земле, писал: «Между фи­зикой и биологией есть существенное различие. Фи­зика — это наука о вероятностях. Если какой-либо процесс 999 раз происходит одним путем и только 1 раз другим, то физик, не колеблясь, скажет, что первый путь и есть истинный. Биология — это наука

о невероятном, и я думаю, что в принципе для ор­ганизма существенны только статистически неверо­ятные реакции. Если бы метаболизм осуществлялся в результате ряда вероятных и термодинамически спонтанных реакций, то мы сгорели бы...» .

Мы утверждаем, что представления о противо­речии между жизнедеятельностью и вторым нача­лом термодинамики возникают только тогда, когда биологические системы рассматриваются как пер­манентноцелостные и только перманентноцелост­ные, когда игнорируется фундаментальное свойство биологических систем — дифференциация функций в пространстве-времени. Подобные ошибочные пред­ставления не могут возникнуть, если принимается во внимание хроноцелостная природа биологиче­ской системы, если ее прошлое, настоящее и бу­дущее рассматриваются как реально сосуществу­ющие, как одно органичное целое.

²³) Сент-Дъердъи А. Введение в субмолекулярную биологию. М., 1964. С. 31.