Доказательства эволюции

Тем не менее, термодинамика внесла в картину мира одну принципиальную деталь: в отличие от классической механики, которой все процессы были обратимы во времени, второе начало термодинамики утверждает направление «стрелы времени» — от прошлого к будущему. Несмотря на почти мистическое и фаталистическое отношение неспециалистов ко второму началу термодинамики (мол, оно предопределяет тенденцию к «порче» мира и превращению его в хаос) это начало есть простое следствие из принятого в статистической физике постулата о равновероятности элементарных состояний сложной системы. Поскольку в неупорядоченной системе число элементарных состояний больше, чем в упорядоченной (наглядный пример: выстроить 10 томов собрания сочинений Пушкина по порядку можно лишь единственным образом, а в беспорядке их можно тасовать 10! = 1 * 2 * 3 * … * 10 = 3 628 800 раз), то при равновероятности изменения элементарных состояний в замкнутой системе, не обменивающейся энергией с внешней средой, вероятность увеличения упорядоченности ничтожно мала.

Тем не менее, опыт показывает, что не каждая в мире система стремится к «хаосу» и «порче». Та же классическая термодинамика зародилась как наука о тепловых машинах, которые преобразуют хаотичное движение микрочастиц в упорядоченное движение поршней, валов и колес. Действуя подобным образом, тепловые машины, разумеется, не нарушают второе начало: они преобразуют в полезную работу не всю хаотичную внутреннюю энергию рабочего тела, а только часть ее. Кроме того, такие машины способны работать только потому, что они потребляют энергию химических связей топлива (сгоревшее состояние для топлива энергетически выгоднее несгоревшего).

Так работает и двигатель вашего автомобиля, и холодильник в вашем доме, и огнестрельное оружие. Подобно тепловым машинам, биологические системы являются ни чем иным, как устройствами, потребляющими энергию Солнца и земных недр и преобразующими ее в упорядоченную эволюцию живого вещества. Так работает и рибосома, и митохондрия, и клетка, и каждый живой организм, и биогеосфера Земли в целом, являясь машиной эволюции видов. Более того, по принципу тепловых двигателей работают не только изделия человеческих рук и живые существа. Такие объекты неживой природы, как конвективные ячейки (см.: ячейки Бенара), морские течения, сезонные ветры, циклоны и т. д. тоже преобразуют хаос в порядок.

Однако нарушения второго начала термодинамики в этом нет. Дело в том, что упорядочение строения материи в ходе работы тепловых двигателей происходит только в ограниченной области пространства и только на ограниченное время. Во внешней по отношению к рабочему телу среде энтропия увеличивается, так что суммарная энтропия системы «рабочее тело плюс внешняя среда» все равно возрастает, в соответствии со вторым началом. Кроме того, тепловые двигатели могут работать, только потребляя энергию от внешних источников, то есть они не вечны.

Дж. Максвелл, рассуждая над вторым началом термодинамики, ввел понятие демона Максвелла — устройства, которое могло бы сортировать молекулы газа по скоростям и тем самым понижать энтропию в сосуде. В настоящий момент ясно, что «демон Максвелла» возможен (более того, все тепловые двигатели являются по сути такими «демонами»), однако он в процессе работы должен потреблять энергию из внешнего источника и диссипировать (рассеивать) ее в среду, тоже внешнюю по отношению к газу в сосуде.

Часто даже в школьных учебниках и научно-популярных книгах на вопрос, для каких систем справедливо второе начало термодинамики, отвечают неверно: оно якобы справедливо только для закрытых систем. Такой ответ путает понятие закрытой системы, за пределы которой невозможен обмен веществом, и системы изолированной, за пределы которой невозможен обмен энергией. Все изолированные системы закрыты, но не все закрытые — изолированы. Второе начало термодинамики, запрещающее уменьшение энтропии изолированной системы, не запрещает такового у системы неизолированной, хотя бы и закрытой. (Понятно, что наша Земля и ее биосфера изолированной системой отнюдь не является). Причина указанной путаницы, по-видимому — все то же недопонимание между специалистами разных профессий, в данном случае физиками и химиками. В то время как физики мыслят категориями термодинамики, которая уделяет основное внимание превращению энергии внутри системы, для химиков, как правило, важнее кинетика, которую интересуют в первую очередь превращения вещества.