Николай Печуркин - Энергия и жизнь

• Название: Энергия и жизнь
• Автор: Николай Печуркин
• Издательство: Наука, сибирское отделение
• Жанр: Биофизика
• Год: 1988

Что движет эволюцию жизни на нашей планете? В каком направлении развивается жизнь? Отчего «процветают» примитивные паразиты? Может ли разум человека влиять на судьбы Вселенной? На эти (и близкие им) вопросы делает попытку ответить автор, развивая энергетический подход к изучению живой природы.

Книга будет интересна для биологов, физиков, химиков, биофизиков, а также всех интересующихся общими вопросами развития.

---

По методологии все современные концепции развития жизни можно отнести к трем основным типам: субстратные, энергетические и информационные.

Разработка общей теории биологического развития, прежде всего прогрессивного, должна естественным образом опираться на все три концепции, органически связывая их друг с другом во взаимодополнении и обогащении.

Исторически сложилось так, что первой стала развиваться субстратная концепция, начавшись с морфологии организмов. Дальнейшее развитие биохимии и физиологии углубило понимание биохимического единства живой природы, а бурный взрыв исследований по молекулярной биологии и генетике в последние десятилетия доказал единую генетико-молекулярную основу всех процессов жизнедеятельности. Триумфальные шествие этой концепции автоматически привело к абсолютизации некоторых ее положений, что сводится к одностороннему толкованию причин возникновения и развития жизни (вспомним: «Гены хотят жить и размножаться» ).

Информационная концепция, появившись самой последней, начала бурно развиваться с совершенствованием кибернетики и теории информации. Отметим, что даже в первом основополагающем труде по кибернетике Н. Винера речь шла об управлении и связи как в машине, так и в живом организме. Кибернетический подход позволил многое понять в развитии механизмов управления в живой природе, дав представление и о темпах эволюции. Однако и он, по попятным причинам, односторонен. Не ясно, как конкретно применять основанный на использовании этого подхода вывод о «возрастании ценности информации в эволюции».

Энергетическому подходу, как мы уже говорили, повезло меньше двух первых из-за различий в методологии физики и биологии. Однако именно он указывает направление развития сложных открытых систем, подвергающихся постоянной накачке энергией извне: это совершенствование циклов вещества; их умощнение и ускорение; возрастание переработки энергии каждой единицей структуры. Но и здесь абсолютизация недопустима, ибо один энергетический подход не способен дать представление о структурных особенностях эволюционирующих структур.

Например, рассуждая о возникновении жизни, точнее говорить не о «биохимическом предопределении» (а именно так называется книга Д. Кеньона и Г. Стейнмана о проблемах происхождения жизни, [М., 1972]), а об «энергетическом предопределении» зарождения живых структур. При этом важнейшая роль остается за субстратным подходом, т. е. за биохимическим «исполнением» жизни.

1. Субстратный плюс Информационный (без Энергетического) : С+И—Э. Явная телеология при всех долевых вариантах их отношений и в итоге — нет направления развития: «кто» эволюционирует — ясно, «как» и какими темпами — ясно, неясно — «куда».

2. Субстратный плюс Энергетический (без Информационного) : С+Э—И. Известно, «кто» и «куда» эволюционирует, неясно— «как» (с какой скоростью).

3. Энергетический плюс Информационный (без Субстратного): Э+И—С. Известно, «куда» и «как», только неясно — «кто» эволюционирует (биологические системы или, к примеру, промышленные технологии).

Для плодотворного, равноправного синтеза время только наступает, и пока менее всего готов к нему, слабее всех разработан энергетический подход — это следует подчеркнуть еще раз! Различные, но далеко не все аспекты этого подхода, по возможности в сочетании с субстратным и информационным, освещаются в данной книге.

Глава 2. Потоки энергии и «самоорганизация» структур

Все обменивается на огонь и огонь на все, как на золото — товары, на товары — золото.

Гераклит

Несмотря на внешнее разнообразие, для большинство процессов переноса (тепла, вещества, электричества) имеются общие закономерности, которые связывают скорость того или иного процесса и силы, вызывающие этот процесс.

Например, перенос вещества (диффузионный поток вещества) в направлении Х по закону Фика имеет вид

где dC/dX — градиент концентрации диффундирующого вещества С. В уравнении слева — поток, или перенос;справа — движущая сила процесса переноса. Коэффициент пропорциональности — это коэффициент диффузии D, характеризующий природу явления переноса и определенные условия его протекания. Такие же уравнения описывают перенос тепла, электричества. механическое движение.

Знак «минус» означает, что данный перенос и все типы переносов происходят в направлении отрицательных градиентов, т. е. должны приводить к уменьшению всех потенциалов, всех сил в тех простых системах, о которых мы здесь упоминаем. Такова реакция любой простой системы на возмущение: она стремится его уменьшить. А внешние возмущения, подвод энергии вынуждают систему опять организовывать «нейтрализующие» потоки. Без подвода энергии не будет движения (широко известна «тепловая смерть» изолированных закрытых систем, которые приходят в равновесие). Таким образом, в открытой системе постоянному действию сил соответствуют (и противостоят) постоянно работающие потоки. В этом и заключается суть известного в термодинамике принципа Ле-Шателье. Одна из наиболее распространенных формулировок этого принципа такова: всякая замкнутая система, выведенная из равновесия каким-либо возмущающим воздействием, стремится ослабить результат этого воздействия. Это — типичная формулировка, в которой затушевывается роль внешнего воздействия как источника движущих сил, а все внимание переносится на воздействующую систему. Получается, что система сама организует потоки, создает структуры, совершенствуется и т. д. В наше время стало модным говорить о «самоорганизации» сложных структур. Об этом чуть позже, а пока подумаем о том, как должна реагировать ограниченная по объему система, к которой постоянно подводится возмущающая систему энергия. Как правило, подвод энергии не может осуществляться равномерно (потому-то и есть градиенты). Единственная возможность непрерывного ответа, бесконечного во времени реагирования на внешнее возмущение, на постоянную накачку — это организация циклов вещества в замкнутой системе. Еще в 1949 г. академик В. Р. Вильямс писал, что единственный способ придать ограниченному количеству свойства бесконечного — это заставить его вращаться по замкнутой кривой.

Самой простой иллюстрацией сказанного является колесо — колесо старинной ветряной мельницы, вертушка стиральной машины или турбина новейшей ГЭС. Постоянный подвод (и расход) энергии в виде ветра, электричества или падающей воды заставляет эти колеса вращаться несчетное количество раз. Менее очевидна, по имеет ту же природу конвекция (вращение) воздуха в комнате под действием тепла от горячий печки или от батареи центрального отопления. Да и сами циклические потоки горячей воды по отопительной системе — это тоже результат накачки тепла от энергии парового котла.

Но не будем увлекаться примерами вращений, изобретенных изощренным умом человека. О естественных движителях, главными из которых являются поток солнечной энергии и внутреннее тепло Земли, мы поговорим особо — они этого заслуживают. О вызываемых ими глобальных циклах вещества — тоже отдельный разговор. А теперь, чтобы завершить обсуждаемую здесь тему о вынуждающих потоках и вызываемых ими циклах, поговорим об одном удивительном явлении. Это — возникновение сложных структур под влиянием потоков энергии в разного рода открытых системах, где циклическое перемещение вещества вдруг обретает устойчивые формы, когда сложная структура возникает, казалось бы, на пустом месте. Это явление носит название «самоорганизация сложных систем».

Впервые организацию сложной структуры в простой системе наблюдал французский физик Бенар в 1900 г. Это были шестиугольные ячейки, названные теперь в его честь бенарами. Получить их несложно. Надо налить на сковороду немного вязкой жидкости (например, растительного или минерального масла) и нагревать ее на медленном огне. Пока тепловые потоки малы, т. е. нагрев слаб, жидкость неподвижна, поток тепла усиливает молекулярную диффузию. Внизу образуется более горячий слой с меньшей плотностью, который стремится вверх, а на его место опускаются более холодные слои. По мере роста потока тепла должна возникнуть та самая конвекция, благодаря которой осуществляется выравнивание температуры в комнате. Однако при медленном возрастании перепада температур между верхним и нижним слоем, как обнаружил Бенар, неожиданно вся поверхность масла преображается — она разбивается на отдельные ячейки, большинство из которых имеет форму шестигранников, т. е. призматических шестиугольных цилиндриков от поверхности до дна сосуда. Образуется цикл по веществу: жидкость поднимается вверх в центре ячейки и опускается вниз у граней. Такая структура характеризуется более эффективным теплопереносом или более интенсивной диссипацией энергии. При этом происходит конкуренция и «выживают» именно шестигранники — наиболее эффективные рассеиватели энергии, способные полностью заполнять пространство [Кадомцев, Рыдник, 1981].