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.

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».

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».

«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.

«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».

По публикации PhysOrg.Com