Книга: Новая наука о жизни

В ньютоновской физике вся причинность рассматривалась на языке энергий, с позиций принципа движения и изменения.

Все движущиеся вещи имеют энергию – кинетическую энергию движущихся тел, тепловые колебания и электромагнитное излучение, – и эта энергия может вызывать движение других тел. Покоящиеся вещи также могут обладать энергией, а именно потенциальной энергией, обусловленной их стремлением к движению; они покоятся лишь потому, что их удерживают силы, противостоящие этому стремлению.

Предполагалось, что гравитационное притяжение зависит от силы, которая действует на расстоянии, вызывая движение тел или сообщая им стремление к движению, или потенциальную энергию. Однако причина существования самой этой силы притяжения оставалась неизвестной. В противоположность этому сейчас гравитационные и электромагнитные явления объясняются на языке полей. В то время как ньютоновские силы мыслились как возникающие каким‑то неизвестным образом из материальных тел и распространяющиеся из них в пространстве, в современной физике первичными считаются поля: они лежат в основании как материальных тел, так и пространства между ними.

Картина усложняется тем, что имеются поля различных типов. Во‑первых, гравитационное поле, которое в общей теории относительности Эйнштейна приравнивается к пространству‑времени, и считается, что оно искривляется в присутствии вещества. Вовторых, электромагнитное поле, в котором локализованы электрические заряды и через которое электромагнитные излучения распространяются как вибрационные возмущения. Согласно квантовой теории, эти возмущения есть подобные частицам фотоны, связанные с дискретными квантами энергии. В‑третьих, в квантовой теории поля вещества субатомные частицы рассматриваются как кванты возбуждения материальных полей. Каждый сорт частиц имеет свой особый вид поля: протон – это квант протон‑антипротонного поля, электрон – квант электрон‑позитронного поля и так далее.

В этих теориях физические явления объясняются с помощью комбинации концепций пространственных полей и энергии, а не только на языке энергий. Таким образом, хотя энергия может считаться причиной изменения, порядок изменения зависит от пространственной структуры полей. Эти структуры производят физические эффекты, но они сами по себе не являются видами энергии; они действуют как «геометрические», или пространственные, причины. Принципиальное различие между этой идеей и представлением об исключительно энергетической причинности иллюстрируется контрастом между теориями гравитации Ньютона и Эйнштейна: например, согласно первой теории, Луна движется вокруг Земли, потому что притягивается к ней силой притяжения; согласно второй – Луна делает это, поскольку искривлено само пространство, в котором она движется.

Рис. 6.  Диаграмма, представляющая нестабильное (А), стабильное (В) и отчасти стабильное (С) состояния

Современное понимание структуры химических систем зависит от представлений квантовой механики и электромагнетизма; гравитационные эффекты незначительны, и ими можно пренебречь. Возможные способы соединения атомов друг с другом даются известным из квантовой механики уравнением Шредингера, которое позволяет рассчитывать орбитали электронов на языке вероятностей; в квантовой теории поля вещества эти орбитали могут рассматриваться как структуры в электрон‑позитронном поле. Но поскольку электроны и ядра атомов несут электрический заряд, они также связаны с пространственными структурами электромагнитных полей и, следовательно, с потенциальными энергиями. Не все возможные пространственные сочетания данного числа атомов имеют одинаковую потенциальную энергию, и только сочетание с наименьшей потенциальной энергией будет стабильно по причинам, указанным на рис. 6. Если система находится в состоянии с энергией большей, чем в возможных альтернативных состояниях, любое малое смещение (например, из‑за теплового возбуждения) приведет к ее переходу в другое состояние (А). Если, с другой стороны, она находится в состоянии с энергией меньшей, чем в возможных альтернативных состояниях, после небольшого смещения она вернется в это исходное состояние, которое будет стабильным (В). Система может также временно находиться в состоянии, которое не является наиболее стабильным до тех пор, пока она не сдвинута выше «порогового» уровня (С); когда это случается, она переходит в более стабильное состояние с меньшей энергией.

Эти энергетические соображения определяют, какое состояние химической структуры является наиболее стабильным, но они не объясняют пространственные характеристики этого состояния; эти характеристики представлены на рис. 6 как линии, по которым катится шарик и которые действуют как барьеры, ограничивающие его движение. Эти барьеры зависят от пространственных структур, образуемых полями вещества и электромагнетизма.

Согласно второму закону термодинамики, спонтанные процессы в закрытой системе стремятся к состоянию равновесия; когда это происходит, изначальные различия в температуре, давлении и т. д. между различными частями системы стремятся к нулю. На техническом языке энтропия изолированной макроскопической системы либо остается постоянной, либо возрастает.

Значение этого закона в популярных изложениях часто преувеличивается; в частности, термин «энтропия» употребляется как синоним «беспорядка». Тогда возрастание сложности организации, происходящее в процессе эволюции и развития живых организмов, оказывается противоречащим принципу возрастания энтропии. Это затруднение возникает из‑за непонимания границ применения науки термодинамики. Во‑первых, он применим только к закрытым системам, тогда как живые организмы – это открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией. Во‑вторых, он имеет дело только с внутренними отношениями между теплом и другими формами энергии: он применим к энергетическим факторам, которые влияют на химические и биологические структуры, но не объясняет возникновения этих структур. И в‑третьих, техническое определение энтропии слабо связано с каким‑либо нетехническим понятием беспорядка; в частности, оно не имеет отношения к порядку того типа, который существует в химических и биологических системах. Согласно третьему закону термодинамики, при абсолютном нуле температуры энтропии всех чистых твердых кристаллических веществ равны нулю. С термодинамической точки зрения они совершенно упорядочены, поскольку в этом случае нет беспорядка, обусловленного тепловым возбуждением. Но все они упорядочены одинаково: нет различия в энтропии между простым кристаллом соли и кристаллом чрезвычайно сложной органической макромолекулы, такой как гемоглобин. Это означает, что большая структурная сложность последней не может быть измерена с помощью энтропии.

Контраст между порядком в смысле химической или биологической структуры и термодинамическим порядком вследствие неравных температур и т. д. в большой системе, состоящей из бесчисленных атомов и молекул, можно проиллюстрировать на примере процесса кристаллизации. Если раствор соли в сосуде поместить в охлаждаемый объем, то при охлаждении раствора соль кристаллизуется. Вначале составляющие его ионы равномерно распределены в растворе, но, когда происходит кристаллизация, они упорядочиваются в кристаллах, и сами кристаллы также упорядочиваются, образуя макроскопические симметричные структуры. С морфологической точки зрения произошло значительное увеличение порядка; но с точки зрения термодинамики имеет место уменьшение порядка, возрастание энтропии, вследствие выравнивания температуры в системе (раствор и его окружение) и высвобождения тепла в процессе кристаллизации, что приводит к увеличению теплового возбуждения молекул растворителя.

Подобным же образом, когда эмбрион животного растет и развивается, происходит возрастание энтропии термодинамической системы, состоящей из эмбриона и окружения, из которого он получает питание и в которое он отдает тепло и выделяет продукты обмена. Второй закон термодинамики подчеркивает эту зависимость живых организмов от внешних источников энергии, но он никак не может объяснить их специфические формы.

Используя наиболее общие термины, можно сказать, что форма и энергия обратно пропорциональны друг другу: энергия есть принцип изменения, а форма, или структура, может существовать лишь до тех пор, пока она сохраняет определенную стабильность и сопротивление изменению. Это противостояние вполне очевидно в отношении между состояниями вещества и температурой. При достаточно низких температурах вещества существуют в кристаллических формах, в которых организация молекул демонстрирует высокую степень регулярности и порядка. Когда температура повышается, тепловая энергия в некоторой точке вызывает разрушение кристаллической формы, твердое вещество плавится. В жидком состоянии молекулы располагаются в короткоживущих (преходящих) структурах, которые постоянно смещаются и изменяются. Силы между молекулами создают поверхностное натяжение, которое придает простые формы жидкости в целом, как в сферических каплях. При дальнейшем повышении температуры жидкость испаряется; в газообразном состоянии молекулы изолированы и ведут себя более или менее независимо друг от друга. При еще более высоких температурах сами молекулы распадаются на атомы, а при дальнейшем повышении температуры даже атомы распадаются с образованием газа из смеси электронов и атомных ядер или плазмы.

Если эта последовательность рассматривается в обратном порядке, то по мере понижения температуры появляются все более сложные и организованные структуры, вначале наиболее стабильные и в конце наименее стабильные. Когда плазма охлаждается, соответствующие количества электронов собираются вокруг атомных ядер на своих орбиталях. При более низких температурах атомы соединяются в молекулы. Затем, по мере того как газ конденсируется в капли, в игру вступают супрамолекулярные^[95] силы. Наконец, когда жидкость кристаллизуется, устанавливается высокая степень супрамолекулярного порядка.

Эти формы появляются самопроизвольно. Их нельзя объяснить на языке внешней энергии, кроме как в негативном смысле – что они могут возникнуть и существовать только ниже некоторой температуры. Их можно объяснить через внутреннюю энергию только до той степени, что из всех возможных структур будет стабильна лишь та, которой соответствует наименьшая потенциальная энергия, поэтому система будет стремиться спонтанно принять именно такую структуру.