Жизнь как энергия: Эволюция и термодинамика

Нередко кажется, будто физика и биология лежат в каких-то разных мирах. У каждой свои области, концепции, методы, свой язык... Но в глубине своей обе науки, конечно, имеют массу общего.
Жизнь как энергия: Эволюция и термодинамика

Можно сказать, что сердце и физики, и биологии — это движение. К примеру, биологи рассматривают движение экосистем в их развитии, возникающем под действием естественного отбора. В ходе этого процесса, конечно, идут и физические явления, описываемые, скажем, законами термодинамики: рассеивается энергия, а энтропия возрастает. Живой ли объект, или неживой, термодинамике все равно. Такой физический подход применили финские ученые Вилле Каила (Ville Kaila) и Арто Аннила (Arto Annila) для описания процесса эволюции.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Напомним, что Второе начало термодинамики постулирует, что энтропия закрытой системы не может убывать. Говоря иначе, тепло не может передаваться от более холодного тела к более теплому. Еще иначе — разница между энергиями системы и ее окружения стремится к нулю. Выразить этот принцип можно разными формулировками и на словах, и в математических формулах.

Используя Второе начало термодинамики, финские исследователи сумели описать процесс биологической эволюции, как процесс переноса энергии, и показали, что естественный отбор способствует закреплению таких мутаций, которые приводят к максимально быстрому росту энтропии в системе — то есть, максимально быстрому движению энергии в сторону «выравнивания».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Механизмы переноса энергии в природе разнообразны и часто сложны. В отдельных особях появляются мутации, с помощью которых природа «апробирует» различные пути этого процесса, приводящие к максимально быстрому увеличению энтропии. Рано или поздно оптимальный способ находится и, как правило, он связан с максимально быстрым падением энергии, ведущим систему, в конечном итоге, к стационарному состоянию — то есть, с минимальной разницей в энергии между ней и окружающим пространством. Экосистема в целом, включая растения и травоядных, хищников и сапрофитов, представляет собой именно сложный и эффективный механизм, поддерживающий максимальное быстрое «усвоение» и «переработку» энергии.

«В биологии, когда два сравнительно сходных вида (иначе говоря, механизма передачи энергии) конкурируют за общий источник энергии (пищу), один из них, обладающий возможностями более эффективного ее усвоения (зубы, ноги и прочее), получает больше другого, — рассказывает Арто Аннила. — Понемногу их популяция начинает все более превышать популяцию менее удачливых соперников. В целом процесс выглядит так, что природа сама выбирает все более эффективные способы преобразования энергии и пути все более резкого ее снижения».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Представим, что произошла мутация, увеличивающая скорость бега гепарда, — поясняет исследователь. — Этот гепард будет получать больше пищи и, соответственно, преобразовывать больше энергии. В целом процесс рассеяния энергии пойдет по более крутому пути».

Ученые подчеркивают, что это, пускай и краткое, описание дает новый целостный взгляд на природу процесса биологической эволюции. К примеру, травоядные организмы способствуют дальнейшему преобразованию и рассеянию солнечной энергии, поглощенной растениями в ходе фотосинтеза. А гепарды и другие хищники снижают общую энергию экосистемы еще дальше. Эти энергетические потоки и обеспечивающие их «живые механизмы» взаимно меняют друг друга. Поэтому предугадать следующий шаг эволюции, считают ученые, практически невозможно.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Система стремится к стационарному состоянию равновесия с окружающей средой, — добавляет Арно Аннила, — так что если среда находится в высокоэнергетическом состоянии, система сместится к нему. Долгие годы Земля двигалась к увеличению энергии, стремясь к равновесию с количеством падающего на нее солнечного света. В ходе этого процесса появились и развились механизмы переноса энергии, но наверняка существуют пути еще более повысить его эффективность».

Конечно, идея о применении Второго начала термодинамики для описания биологической эволюции не нова. Еще в 1899 г. знаменитый физик Людвиг Больцман (кстати, большой поклонник идей Чарльза Дарвина) обдумывал связь между им и эволюционными принципами. Четверть века спустя Альфред Лотка (Alfred Lotka) выразил уверенность в том, что биологические системы должны иметь какую-то эффективность с точки зрения принципов термодинамики. И сегодня многие ученые рассматривают жизнь, как весьма эффективный путь увеличения энтропии. И исследование финских ученых стало лишь развитием этих идей.

Кстати, вопреки расхожему мнению, даже в сегодняшних условиях развитой цивилизации человек не перестал испытывать давление естественного отбора — просто направление его несколько изменилось. Более того, эволюция нашего вида за последние тысячелетия только ускорилась. Читайте: «Человек меняется».