Эволюция и энтропия

В любой дискуссии об эволюции за пределами узкого круга профессионалов – будь то дружеский треп в студенческой компании или высокоинтеллектуальный диалог маститых философов – рано или поздно всплывает тема противоречия между теорией Дарвина и классической термодинамикой. В первую очередь, конечно, имеется в виду знаменитый Второй закон термодинамики, гласящий… Впрочем, строгую формулировку закона мы, пожалуй, вспомним чуть позже, а пока приведем его популярную версию, на которую обычно и ссылаются участники подобных дискуссий. Если верить ей, Второй закон утверждает, что любой самопроизвольно происходящий процесс может только увеличивать суммарную энтропию той системы, в которой он происходит. Энтропия же (как твердо помнят даже те, кто не помнит больше ничего из термодинамики) есть мера неупорядоченности системы. Как же в таком случае дарвиновский отбор ухитряется создавать все более высокоупорядоченные, поражающие нас своей сложностью и совершенством живые формы? Ведь он же по идее – процесс самопроизвольный и, следовательно, должен подчиняться законам термодинамики. “Могут ли Дарвин и Карно быть правы одновременно?” – этот вопрос знаменитый французский философ и писатель-эссеист Роже Кайуа в 1972 году вынес в заголовок своей программной статьи.

Дальнейшие выводы чаще всего зависят от мировоззрения говорящего. Очень часто это рассуждение приводят креационисты – как доказательство того, что никакой эволюции на самом деле нет и не было. Несколько смягченный вариант этого рассуждения можно видеть в текстах и выступлениях сторонников “теории разумного замысла”: эволюция если и идет, то только в пределах одного уровня организации, она неспособна привести к сколько-нибудь заметному усложнению строения эволюционирующих существ. Третьи полагают, что в основе эволюции лежат процессы сугубо нематериальные и потому свободные от ограничений физики, в том числе и термодинамики. Есть и те, кто не предлагает никакого специального объяснения: автору этих строк, например, приходилось слышать этот аргумент от сторонников номогенеза (см. главу 5) – просто как аргумент против дарвиновской модели эволюции. О том, каким образом обходит эту трудность разделяемая ими эволюционная концепция, они ничего не говорили.

О креационизме и “теории разумного замысла” мы уже говорили в главе 9. Если же оставаться в рамках более-менее научных представлений, то нетрудно заметить, что Второму закону, изложенному в такой “редакции”, противоречит не только дарвиновская теория, а вообще любая эволюционная концепция. Палеонтологическая летопись ясно показывает, что по крайней мере в некоторых группах живых существ эволюция шла в сторону усложнения: первыми появлялись наиболее просто устроенные представители этих групп, позднее к ним добавлялись всё более сложные (о чем мы будем более подробно говорить в следующей главе), причем в ряде случаев можно наблюдать цепочку переходных форм от первых ко вторым. Если не привлекать для объяснения этого неоспоримого факта вмешательство бога или инопланетян, придется признать, что живые организмы каким-то образом все-таки могут усложняться в ряду поколений.

Впрочем, еще более наглядное опровержение такого понимания Второго закона дает повседневное функционирование живых организмов и особенно – их эмбриональное развитие. Оно начинается с единственной клетки, которая путем многократного деления и согласованных видоизменений и миграций дочерних клеток превращается в сложный организм, включающий в себя сотни различных тканей, расположенных строго определенным образом. Этот процесс не только не требует никакого внешнего вмешательства, но и в определенных пределах устойчив к помехам и возмущениям, так что его безусловно следует считать самопроизвольным.

Чтобы понять, в чем тут дело, достаточно просто открыть любой учебник, где приводится точная формулировка Второго закона термодинамики: “Энтропия замкнутой системы не может уменьшаться”. Напомним, что замкнутая (или изолированная) система – это система, которая не обменивается с внешним миром ни веществом, ни энергией в какой бы то ни было форме. Ни клетка (в том числе оплодотворенная яйцеклетка, начинающая развитие), ни какой-либо организм, ни сама наша планета, на которой существует и эволюционирует жизнь, замкнутыми системами быть не могут – они способны существовать только в постоянном потоке вещества и энергии. Животные, грибы, большинство бактерий и другие гетеротрофы черпают энергию, разлагая органические вещества. Эти вещества создают растения и бактерии-фотосинтетики, для которых источником необходимой энергии служит солнечный свет. Последний представляет собой высокоупорядоченный поток электромагнитных волн, энергия которого после ее использования живыми организмами в конечном счете превращается в энергию хаотического теплового движения молекул. Таким образом, суммарная энтропия всех вовлеченных в эти процессы тел в конечном счете увеличивается, и локальное усложнение и упорядочивание тел живых организмов противоречит этому не больше, чем брызги, летящие вверх от места низвержения Ниагарского водопада, – известной житейской мудрости “вода всегда течет вниз”.

Казалось бы, все ясно: Второй закон термодинамики попросту неприменим к живым существам, так как они заведомо не соответствуют его условиям ни в каком приближении. И запретить им усложняться он никак не может. Тем не менее вопрос о “противоречии” между дарвинизмом и классической термодинамикой возникает снова и снова в умах множества людей на протяжении полутора веков. Конечно, отчасти эта ситуация поддерживается искусственно – усилиями заведомо недобросовестных пропагандистов антиэволюционных взглядов (готовых прибегнуть к любому софизму, если есть надежда, что он хоть кого-то заставит усомниться в ненавистной эволюции), а также тех “мыслителей”, чья главная задача – продемонстрировать оригинальность и независимость своего ума, не прилагая к этому особых интеллектуальных усилий. Но даже и подобные авторы вряд ли стали бы вновь и вновь пускать в ход этот заезженный тезис, если бы в нем не было чего-то, что позволяет ему выглядеть убедительным. В конце концов, никто же не пытается уверить читателей, что дарвинизм противоречит закону всемирного тяготения, закону Ома или закону Архимеда.

“Да, формального противоречия нет, – говорит мой знакомый (человек широко образованный и любознательный) в ответ на мой вопрос, в чем он видит противоречие. – Но у этих двух теорий – термодинамики и теории Дарвина – противоположный пафос”.

С этим мнением можно спорить: научные теории утверждают ровно то, что они утверждают, а тот или иной “пафос” им приписывают люди, причем разные люди приписывают разный, порой противоположный пафос. В XIX веке “естественным отбором” порой обосновывали порабощение и даже прямое истребление “отсталых” народов и рас, а уж для всевозможных расистов и сторонников социального неравенства ссылки на теорию Дарвина были едва ли не обязательными. Но в те же годы естественное основание для своих взглядов видели в этой теории и революционные социалисты. И наоборот: идеологи “арийской физики” видели в теории относительности и квантовой механике “отвратительную диалектику” и “большевистский дух”, а борцы за идейную чистоту советской физики – “махровый идеализм и поповщину”. Так что “противоположность пафосов” ничего не значит – всякой теории можно приписать какой угодно “пафос”.

Вопрос, однако, кажется не столь простым, если вспомнить трагическую судьбу Людвига Больцмана. Великий австрийский физик еще в начале своей научной карьеры был восхищен простотой и изяществом дарвиновской теории – он даже назвал XIX век “веком Дарвина” и писал, что “спасение философии, возможно, заключается в теории Дарвина”. Впрочем, его преклонение перед автором теории естественного отбора не ограничивалось дифирамбами, а имело весьма конструктивный выход: применение дарвиновского подхода к интересовавшим Больцмана физическим проблемам. Разумеется, речь шла не о прямом переносе в физику основных дарвиновских понятий (“изменчивость”, “наследственность”, “борьба за существование” и т. д.), а именно о сáмом общем подходе: взгляде на макроскопические процессы как на совокупность большого числа независимых микрособытий, исход которых в значительной степени случаен, но при этом сложение множества случайностей дает вполне закономерный макроскопический результат. Именно на этом пути Больцману удалось разработать основы молекулярной физики и, в частности, дать молекулярно-статистическую интерпретацию классической термодинамики. Работы Больцмана выявили физический смысл энтропии и объяснили, почему в любых процессах в замкнутой системе эта величина неизбежно будет возрастать. Собственно говоря, и сама наиболее общая и строгая формулировка Второго закона термодинамики, приведенная выше, стала возможна только в результате работ Больцмана.

Но попытка Больцмана обобщить созданную им модель на открытые системы оказалась более чем неудачной. Строгой количественной модели не получалось, качественные же рассуждения неизбежно приводили к выводу, что эволюционирующая система неизбежно должна деградировать вплоть до полного распада. Получалось, что либо прогрессивная эволюция, ведущая к усложнению эволюционирующей системы, невозможна вовсе – либо что главнейшие теоретические достижения самого Больцмана полностью неверны (как это и утверждали его многочисленные научные противники, среди которых были такие крупные ученые, как Анри Пуанкаре, Эрнст Мах и Вильгельм Оствальд) или, во всяком случае, неприменимы к живым организмам. Эта неудача произвела на Больцмана тяжелейшее впечатление и стала одной из причин хронической депрессии, приведшей в конце концов этого замечательного ученого и мыслителя к самоубийству.

Путь к выходу из тупика, в который уперся Больцман, наметился только в середине ХХ века в работах бельгийского физика российского происхождения Ильи Пригожина. Разумеется, он не опроверг Больцмана – которого, кстати, очень высоко ценил и на идеи которого прямо опирался в собственной работе. Но Больцман, надеясь перейти от замкнутых систем к открытым, пошел самым очевидным путем – попытался для начала рассмотреть процессы и состояния, близкие к тем, которые рассматривала классическая термодинамика (а также его собственная статистическая модель). Именно этот столь естественный подход и загубил все дело: система, параметры которой были близки к равновесному состоянию, могла эволюционировать только к нему. То есть – к максимальной энтропии.

Пригожин пошел прямо противоположным путем, обратившись к системам, находящимся в резко неравновесном состоянии, и к тому же рассматривая не только динамику системы как целого, но и локальные эффекты внутри нее. Результаты оказались довольно неожиданными.

Если некая система находится в резко неравновесном состоянии, это означает, что в ней имеется значительная разница каких-то потенциалов. Это может быть электрический потенциал, разница температур, давления (в жидкости или газе), разность потенциальных энергий, определяемая перепадом высот и т. д. Между такими областями могут возникать потоки вещества, энергии или того и другого, направленные на выравнивание потенциалов: тепло передается от нагретой части к холодной, вода течет вниз, между электрическими полюсами возникает ток – потоки заряженных частиц. Все эти процессы сопровождаются увеличением суммарной энтропии системы – в полном соответствии с представлениями классической термодинамики. Но оказалось, что в самих этих потоках (или в тех средах, через которые они текут) при определенных условиях могут возникать процессы самоорганизации: в некоторой локальной области элементы системы сами собой начинают выстраиваться в высокоупорядоченные структуры и вести себя согласованно. В качестве примера такого спонтанного само-упорядочивания обычно приводят конвекционные ячейки Бенара – правильные шестиугольные структуры, образуемые конвекционными потоками в не слишком толстом слое вязкой жидкости при равномерном подогреве снизу. На самом деле феномены такого рода разнообразны и общеизвестны: это морские течения, сезонные ветры, циклоны и т. д. При этом энтропия областей, вовлеченных в самоорганизацию, снижается, хотя энтропия системы в целом повышается. Получается, что самоорганизующиеся структуры отдают остальным частям системы не только всю причитающуюся им прибавку энтропии, но и кое-что сверх того. Чтобы подчеркнуть парадоксальность такого поведения, Пригожин назвал такие системы диссипативными, то есть “рассеивающими”: происходящее в них повышение упорядоченности происходит за счет ускоренного рассеивания энергии в окружающих их частях “большой” системы.

Созданная Пригожиным неравновесная термодинамика и особенно концепция самоорганизации окончательно сняли мнимое противоречие между эволюционной теорией (а фактически – всей биологией) и термодинамикой: живые организмы с термодинамической точки зрения суть не что иное, как пригожинские диссипативные системы, возникшие и существующие в потоках энергии (будь то солнечный свет или иные виды энергии – см. сноску в начале главы), протекающих в далекой от равновесия макросистеме – Солнечной. Ни индивидуальное развитие живых существ, ни их эволюционные изменения (включая усложнение некоторых из них), ни даже само возникновение жизни из чисто химических веществ и процессов также не противоречат современной термодинамике. И если некоторые авторы продолжают видеть тут какой-то разрыв (напомним, что эссе Роже Кайуа увидело свет в 1972 году – через 25 лет после первых публикаций Пригожина), то это говорит лишь об их слабой осведомленности в тех областях, о которых они берутся судить.

Картину полного взаимопонимания между разными областями современного естествознания портит лишь одно: сегодня, спустя 70 лет после создания неравновесной термодинамики, задача, поставленная Больцманом, остается нерешенной: содержательное количественное описание функционирования (а тем более эволюции) живых систем в категориях термодинамики по-прежнему отсутствует. Хотя за это время и сама “новая термодинамика” отнюдь не стояла на месте, и попыток применить ее достижения к анализу биологических явлений и процессов было немало. Но последние оказались слишком сложными, слишком нелинейными, слишком богатыми обратными связями и степенями свободы, так что даже сама возможность строгой термодинамической интерпретации эволюционных процессов в общем виде сегодня выглядит весьма сомнительной.

Что ж, как известно, образцовая научная теория – классическая механика – оказалась неспособной решить в общем виде (то есть для произвольных значений масс, скоростей и взаимного начального расположения) задачу о взаимодействии всего трех тел. И это не отменяет ни ее достижений, ни ее эффективности в решении конкретных задач. То же самое можно сказать и о термодинамическом подходе к проблемам биологии: на его счету уже имеется немало успехов. Существуют целые области теоретических исследований, целиком основанные на термодинамическом или схожем с ним формальном аппарате, и предметом их рассмотрения становятся, в числе прочих, эволюционные процессы (правда, в основном представленные математическими моделями). Однако содержательный рассказ о таких исследованиях требует привлечения соответствующего математического аппарата и в любом случае выходит за рамки темы этой книги.

* * *

Итак, термодинамика благосклонно разрешила жизни усложняться, лишь задав для этого процесса определенные рамки и включив живые организмы в более общий класс самоорганизующихся систем. Но дальнейшее рассмотрение феномена усложнения живых существ в ходе эволюции не осталось исключительной прерогативой самой эволюционной биологии. Идея развития, поступательного движения в сторону все более совершенных форм была слишком важна для европейской мысли Нового времени (и особенно XIX века), а биологическая эволюция была слишком наглядным и удобным “модельным объектом” для нее. Не удивительно, что проблема прогрессивной эволюции никогда не рассматривалась как чисто биологическая, а всегда была вовлечена в общефилософский дискурс. И зачастую понимание этой проблемы куда больше зависело от преобладающих в обществе (или в голове конкретного исследователя) философских взглядов, чем от доступного фактического материала или от нужд самой эволюционной теории.

В следующей главе мы попытаемся по возможности непредвзято взглянуть на этот аспект биологической эволюции.