18.12.2002. - Денис Тарасов о направляющей силе эволюции

Денис Тарасов о направляющей силе эволюции

И торнадо, и прогрессивное направление эволюции, являются следствием действия второго закона термодинамики.

Предлагаем вниманию наших читателей вторую статью Дениса Тарасова о естественном возникновении жизни и её развитии на Земле и в космосе. Данный материал касается также причин, обуславливающих прогрессивное направление эволюции.

Возможность протекания реакций, приводящих, в конце концов, к возникновению жизни, можно считать хорошо обоснованной. Основным возражением против гипотезы самозарождения жизни остается чрезвычайно низкая вероятность самопроизвольного протекания этих реакций.

Редкое сочетание требуемых факторов кажется почти невозможным, а гипотезы остаются лишь догадками до тех пор, пока неизвестны фундаментальные принципы, приводящие к необходимости возникновения жизни. Об этих принципах мы сейчас и поговорим.

Одно предварительное замечание. По всей видимости, мы никогда не сможем точно указать последовательность событий, приведших в итоге к возникновению жизни на Земле — слишком много известно различных вариантов, слишком многое зависит от случайности.

Невозможно полностью исключить и гипотезу занесения жизни из космоса, которая правда, всё равно не снимает проблему, а лишь переносит её в другое место.

Оставаясь на позициях науки и разума, мы можем сформулировать лишь следующие утверждение:

"Вне зависимости от конкретных путей появления жизни на Земле, само её возникновение является неизбежным следствием фундаментальных физических принципов. Жизнь развивается в любой системе, отвечающей некоторым условиям.

Самозарождение и развитие жизни на Земле было неизбежно в любом случае, безотносительно к тому, была ли она реально занесена из космоса, или развивалась естественным путём.

Со времён возникновения первых эволюционных теорий, объясняющих возникновение и развитие жизни, проблема движущей силы эволюции стала главным камнем преткновения.

Один из основателей эволюционного учения, Жан Батист Ламарк, вынужден был постулировать существование некого "закона градации" — стремления живых организмов к самосовершенствованию.

Жан Батист Ламарк, создатель идеи стремления живых организмов к самосовершенствованию (портрет с сайта darwin.museum.ru).

Теория Ламарка не получила признания в значительной степени из-за того, что современникам учёного этот закон показался надуманным.

Последователи Ламарка, пытаясь обойти это препятствие, выкинули непонятный закон градации и предложили теорию упражнения/не упражнения.

Согласно ей, органы у животных развиваются вследствие их упражнения. Иными словами, жираф долго тянул шею кверху, вот она у него и выросла.

Позднее именно эта абсурдная гипотеза незаслуженно ассоциировалась с именем Ламарка. Незаслуженно, потому что сам Ламарк ни за что бы не додумался до такой глупости...

К сожалению, идея наследования благоприобретённых признаков оказалась очень живучей, и к ней неоднократно возвращались. В настоящие время абсолютно точно известно, что благоприобретённые признаки не наследуются.

Значительным шагом вперед стала теория естественного отбора Дарвина-Уоллеса. Объяснения, представленные Дарвиным, были хорошо обоснованы фактическим материалом, логичны и, главное, не требовали вмешательства потусторонних сил.

Теория естественного отбора была первой концепцией, давшей научное объяснение движущей силе эволюции, и поэтому она быстро завоевала всеобщее признание.

Чарльз Дарвин, создатель теории естественного отбора.

В современном виде теория эволюции в основном опирается на дарвиновскую теорию естественного отбора и генетическую теорию наследования. К сожалению, многие проблемы остаются неразрешёнными.

Во-первых (и это самое главное), естественный отбор не может объяснить прогрессивного направления эволюции от простых форм к более сложным.

Другими словами, непонятно, почему эволюция шла от бактерии к человеку.

Бактериальная клетка с её удивительным биохимическим разнообразием, возможностью существовать в самых невероятных условиях и способностью к чрезвычайно быстрому размножению, с точки зрения естественного отбора, находится в более выгодном положении по сравнению с высшими животными.

Во-вторых, естественный отбор не применим к начальным этапам возникновения жизни — молекулярной эволюции. До возникновения самовоспроизводящихся молекул принцип естественного отбора не мог функционировать. С позиций естественного отбора первичные биомолекулы могли возникнуть только случайным путём, что маловероятно.

Итак, дано: некая исходная система, например Земля, около 4 миллиардов лет назад, без малейших признаков жизни.

Требуется: объяснить переход этой системы через ряд кажущихся маловероятными состояний к современной Земле с развитыми биологическими формами.

Иными словами, мы должны установить движущую силу эволюции, действующую, начиная с первых добиологических реакций, на протяжении всей истории органического мира до современного этапа и дальше.

Искомая сила должна иметь научное объяснение, быть универсальной, не зависеть от конкретных молекулярных механизмов и путей, и следовательно, проистекать из некоторых фундаментальных физических законов, общих для всей Вселенной.

Какой закон устанавливает направление всех процессов во Вселенной? Конечно, второе начало термодинамики. Но какое направление им указывается? Чтобы понять это, надо немного глубже рассмотреть термодинамику как науку.

Лазарь Карно.

Термодинамика — это относительно молодая наука, но её выводы применяются ко всем системам, имеющим дело с работой и энергией.

Развитие термодинамики началось с работ Карно (1824 год), посвящённых паровым машинам. Он же дал самые первые формулировки законов термодинамики.

Немного позднее (1840-1860) Клаузиус систематизировал работы Карно, ввёл понятие энтропии и дал строгие формулировки законам.

Первый закон термодинамики утверждает, что энергия не может ни возникать из ничего, ни уничтожаться: общее количество энергии в системе остается постоянным, однако форма (качество) энергии может изменяться.

Второй закон термодинамики устанавливает направление превращений энергии. Согласно ему, энергия, совершая работу, может полностью перейти в форму тепла, но тепловая энергия никогда не может быть полностью превращена в работу.

То есть, энергия с "высоким" качеством может быть использована для совершения работы, при этом качество энергии падает, и полностью вернуть его назад невозможно.

Существует много эквивалентных друг другу формулировок второго начала: "Невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование теплоты в работу", "Невозможно создание машины с коэффициентом полезного действия большим чем у цикла Карно (то есть вечного двигателя второго рода)", "Энтропия замкнутой системы не может убывать" и так далее.

Второй закон устанавливает факт необратимости протекания определённых процессов.

Все природные процессы могут быть рассмотрены с позиций второго закона термодинамики, и во всех случаях наблюдается необратимость.

Тепло всегда передаётся от горячего тела к холодному, пока температуры не станут равными. Если смешать холодную и горячую воду, то получится вода средней температуры, и никогда тёплая вода самопроизвольно не разделиться на холодную и горячую "половины".

Аналогичным образом газ стремиться занять весь предоставленный ему объём. Никогда не наблюдается, например того, чтобы весь воздух в комнате собрался в одной её части.

Второй закон термодинамики устанавливает развитие замкнутой системы от более упорядоченной формы к менее упорядоченной, от порядка к хаосу.

Это прямо противоположно направлению эволюции и на первый взгляд несовместимо с ней. Но не всё так просто…

Изображение, сгенерированное программой CWL. С помощью данной программы продемонстрирована неизбежность процессов самопроизвольного возникновения сложных систем в случае приложения некоего энергетического градиента.

Классическая термодинамика имеет дело с системами, находящимися в состоянии равновесия. Попытки распространить её действие на неравновесные системы, связанные в основном с работами Пригожина, показали, что существование жизни не противоречит второму началу (но и не более того).

Кроме того, выводы Пригожина распространяются только на системы, близкие к равновесию, что создает трудности при приложении их к живым системам.

В 1966 году Кестин предложил формулировку, суммирующую нулевой, первый и второй законы термодинамики.

"Если в изолированной системе происходит некий процесс, то, после исчезновения ряда внутренних барьеров, система достигнет состояния равновесия, вне зависимости от того, в какой последовательности исчезают эти барьеры".

Эта формулировка отличается от предыдущих в одном весьма важном аспекте. Предыдущие формулировки говорили нам о том, чего не может происходить в системе. Формулировка Кестина устанавливает то, что будет в ней происходить.

Из доказательства Кестином его формулировки следует тот факт, что состояние равновесия является устойчивым — в ляпуновском смысле.

Это означает, что система будет оказывать сопротивление попыткам вывести её из термодинамического равновесия. Основываясь на этом, Шнайдер и Кей предложили ещё одну формулировку второго начала:

"Если система выводится из состояния равновесия под действием внешних факторов, она будет использовать все внутренние возможности, чтобы вернуться к равновесию".

Рассмотрим действие этой формулировки на простом примере. Возьмём заполненный водой цилиндр.

Будем охлаждать одно основание цилиндра (скажем нижнее), и нагревать другое. Если приложенный градиент незначителен, то вода будет передавать тепло от верхней части к нижней путём обычной теплопроводности, таким образом, рассеивая градиент.

Но если разница температур возрастёт, возникнет принципиально новое явление — конвекция.

Вода сформирует так называемые конвекционные ячейки, которые усилят скорость рассеивания градиента (то есть скорость выравнивания температур верхней и нижней части).

Конвекционная ячейка — это организованная структура, в образовании которой участвует около 1023 молекул.

Её самопроизвольное формирование совершенно невероятно. Возникновение конвекции при приложении температурного градиента — результат действия второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики применим ко всем системам. Такое грозное метеорологическое явление, как торнадо, также возникает вследствие его действия.

Разница температур между нагретой землёй и более холодной окружающей атмосферой приводит к формированию сложной структуры, которая быстро уменьшает тропосферный градиент.

Разрушительная сила торнадо — это проявление способности более высокоорганизованных систем быстрее рассеивать температурный и барометрический градиенты.

Чем дальше система уходит от равновесия, тем более сложные механизмы она будет использовать для того, чтобы сопротивляться внешнему воздействию.

Теперь появление согласованных высокоорганизованных систем для нас уже не случайность, а ожидаемый результат ответа системы на приложенное воздействие, выводящее её из равновесия.

Неизбежность этого устанавливается вторым законом термодинамики.

Этот вывод применим в равной степени ко всем системам, в том числе и химическим. Рассмотрим это на примере автокаталитических реакций.

Автокаталитическая реакция — это форма положительной обратной связи, когда один из продуктов реакции является её катализатором.

Вариантом автокаталитической реакции является цикл: реакция, где A катализирует образование B, а B способствует возникновению A.

Автокаталитическая реакция значительно повышает возможности системы по рассеиванию градиента.

Возникновение же циклических автокаталитических процессов является ключевым этапом для развития жизни. Самовоспроизводящиеся автокаталитические структуры ещё более увеличивают скорость рассеивания энергии.

Представим себе жизнь в виде торнадо, формирующегося согласно второму закону термодинамики, — в результате того, что система (древняя Земля) сопротивляется действию теплового и светового градиента, исходящих от Солнца.

Энергетический градиент, создаваемый Солнцем, огромен.

Ещё больше он был четыре миллиарда лет назад, когда Солнце было ещё довольно молодой звездой.

На Земле имелись условия, которые могли, в принципе, привести к возникновению жизни, но протекание процессов в отсутствие внешнего воздействия было почти невероятным.

Наличие градиента и действие второго начала термодинамики сделали эти процессы неизбежными.

Чем сложнее форма жизни, тем лучше она справляется с рассеиванием энергии. Человек использует энергетические ресурсы гораздо эффективнее, чем бактерия. Иными словами, именно второй закон термодинамики и объясняет прогрессивное направление эволюции.

Законы термодинамики были открыты еще в 1824 году. Долгое время считалось, что возникновение жизни противоречит им. В середине XX века было доказано, что термодинамика не запрещает существование жизни.

И только в 1992 году, в работах Шнайдера и Кея, основанных на всём предыдущем опыте развития науки, было прямо показано, что возникновение жизни является естественным следствием этих законов.

Необходимые и достаточные условия самоорганизации:

1. Система должна быть потенциально способной поддерживать существование самоорганизующихся структур. Математически это требование выражается в допустимости существования определённых элементов, их комбинаций и определённого набора разрешённых операций над ними.

2. К системе должен быть приложен энергетический градиент, выводящий ее из состояния равновесия.

3. Система должна подчиняться второму началу термодинамики.

Легко показать, что многие области Вселенной удовлетворяют этим условиям. К их числу относиться и Земля, как современная, так и древняя.

Сами условия допускают проверку с помощью компьютерного моделирования. Приведу только один пример: это компьютерная модель CWL, построенная исследовательской группой проекта "Основание".

Ещё одно изображение, сформированное программой CWL.

Первое условие в CWL было задано с максимальной степенью абстракции, чтобы избежать привязки к каким-либо конкретным системам и механизмам.

В наиболее общем виде была описана математическая структура, отвечающая условию 1. CWL по своей структуре немного напоминает известную компьютерную игру "Жизнь", расширенную для того, чтобы удовлетворять условиям самоорганизации.

На поле клеток CWL можно создавать довольно сложные компьютерные программы.

Чтобы выполнить второе и третье условие, в систему был добавлен градиент некоторого параметра "активности" — и наличие активности сделано необходимым условием для выполнения любого действия. При выполнении действия активность в CWL рассеивается примерно таким же образом, как и тепло.

CWL была запущена с абсолютно произвольными начальными параметрами, проработала несколько часов, затем была остановлена, и результат подвергся тщательному анализу.

Было обнаружено формирование довольно сложных структур, объединяющих взаимодействие нескольких десятков CWL-ячеек. Благодаря этим взаимодействиям реализовывались самовоспроизводящиеся программы, способные присоединять к себе другие ячейки.

Дальнейшее изучение поведения CWL показало, что такие программы значительно ускоряют рассеивание активности, и если градиент изначально ограничен, то он полностью потребляется, и система приходит к равновесию.

Наблюдаемый результат находится в полном соответствии с положениями термодинамики и принципами самоорганизации.

В настоящее время проводятся работы с целью обобщить модель CWL на случай трёхмерного пространства, а также создать частный вариант, имитирующей положение дел на древней Земле.

Можно надеяться, что эти работы поставят, в конце концов, точку в затянувшемся споре о возможности или невозможности самозарождения жизни.

В качестве двух последних иллюстраций использованы изображения, сформированные программой CWL. Сами по себе они, конечно, мало о чём говорят, процесс надо наблюдать в динамике, но всё же…

Источник:membrana 15 декабря 2002