О втором начале термодинамики в контексте полемики с материалистами о происхождении жизни
Рудольф Клаузиус (1822-1888)
Преамбула
В ходе обсуждения моих статей, опубликованных на портале «Русская народная линия» по вопросу о происхождении жизни, выяснилась необходимость подробно осветить его термодинамическую сторону. К сожалению, иногда можно встретить ошибочные трактовки выводов термодинамики, в частности, второго начала (см., например, раздел «Энтропия и критика эволюционизма» здесь). Мне также встречались довольно прямолинейные утверждения как о достаточности термодинамики для обоснования существования Бога, так и о несостоятельности статистической механики в том, что касается флуктуаций функций состояния.
C целью показать некорректность подобных утверждений в этой записке тезисно излагаются некоторые положения термодинамики и статистической механики. С другой стороны, продемонстрировать ошибочность материалистического взгляда на происхождение жизни, оперируя лишь описанием движения частиц вещества, по моему мнению, невозможно. Для этого необходимо подняться на системный уровень, о чем я скажу ниже.
Классическая термодинамика и флуктуации макросостояния
Начну с цитаты отсюда:
В отличие от термодинамики статистическая механика рассматривает специальный класс процессов - флуктуации, при которых система переходит из более вероятных состояний в менее вероятные и вследствие этого её энтропия уменьшается. Наличие флуктуаций показывает, что закон возрастания [более правильно всё-таки говорить о неубывании mns2012] энтропии выполняется только статистически: в среднем для большого промежутка времени.
Разумеется, второе начало термодинамики действует. В конце концов, в замкнутой термодинамической системе все градиенты энтропии обнулятся, согласно второму началу, а энтропия достигнет максимального значения. Нельзя забывать, что функции состояния вводятся для большого числа частиц. Например, понятие температуры для отдельной молекулы газа не имеет физического смысла. Однако необходимо особо обсудить два момента.
1. Относительно распространения выводов классической термодинамики на всю вселенную.
Распространять эту логику в пределе на всю вселенную нельзя (см. здесь и здесь). Клаузиус пришел к утверждению о тепловой смерти вселенной, исходя из допущений своей теории и полагая, что вселенная является замкнутой термодинамической системой. Вселенная целиком вообще не является термодинамической системой, поскольку исходные допущения (существование термодинамического равновесия, аддитивность энергии, эргодичность) не удовлетворяются для всей вселенной (подробнее см. здесь). Современная физика (официальная) говорит о том, что тепловая смерть вселенной - это всего-лишь гипотеза, вытекающая из термодинамики Клаузиуса. Кроме классической термодинамики есть термодинамика неравновесных процессов, и вообще много чего есть...
2. Несмотря на всеобщность и фундаментальность второго начала, локальные кратковременные флуктуации имеют место, поскольку второе начало формулируется статистически, для достаточно большого числа молекул вещества и достаточно длительных промежутков времени. Более того, второе начало не просто их допускает, а фактически предсказывает их появление.
Малые локальные флуктуации функций макросостояния, таким образом, есть, и это нисколько не нарушает справедливость и всеобщность второго начала. Например, есть температурные флуктуации, флуктуации плотности, флуктуации энтропии. Ситуация с флуктуациями аналогична положению дел с законом больших чисел. Локально может быть отход от общей тенденции (мат. ожидания), но суммарно закон больших чисел все равно нивелирует локальные отклонения (среднее по эмпирической достаточно большой выборке будет близко к теоретическому значению). Здесь - то же самое. Даже в замкнутой системе энтропия, находясь на максимуме для всего (большого) объема, может незначительно флуктуировать для малых частей этого объема. Когда мы интегрируем по всему объему, влияние флуктуаций нивелируется, а значение энтропии для всей системы всё равно подчиняется второму началу.
В этом вопросе вся загвоздка в наших спорах с материалистами. Они пеняют нам на неграмотность в наших претензиях, основанных на 2 начале. К сожалению, нужно признать, что исходя только из второго начала, сказать однозначно ничего нельзя!
- Например, нельзя утверждать, что эволюция как таковая противоречит второму началу. Есть так называемый компенсационный аргумент, согласно которому поскольку Земля может быть представлена открытой термодинамической системой и, следовательно, в ней возможно уменьшение энтропии, это уменьшение происходит за счёт равного или большего возрастания энтропии вне системы. Интересно, что есть публикации математика Гренвилла Соуэлла, в которых утверждается, что даже в открытой системе энтропия не может убывать быстрее, чем она убывает через границу системы. Несмотря на то, что указанный автор критикует компенсационный аргумент, эта критика не может рассматриваться как термодинамическое доказательство невозможности эволюции, что и сам Соуэлл признаёт.
Системный уровень описания процессов жизнедеятельности
Для того, чтобы разобраться с вопросом о начале жизни, одной физики недостаточно. Если залезть в компьютер и снять напряжение с сетевого кабеля, мы увидим скачки напряжения. Но смысла в них мы не поймем без анализа всего того, что делает компьютер. Для нас он будет просто-напросто «черным ящиком».
Материалисты неправы не в том, что они говорят, что флуктуации происходят. Они неправы в том, что считают жизнь продуктом флуктуаций состояния (вспомним знаменитую фразу Ф. Крика о том, что генетический код, а следовательно и жизнь в целом, -- это "замороженная случайность"). Они вот так залезают в клетку, как в компьютер, и говорят: это физика. Конечно, а как же?! Это же материальное тело! Она, как и всякое материальное тело, состоит из частиц материи, которые подвержены действию природных регулярностей, так называемых законов природы.
Но в том-то и дело, что жизнь - это не только физика! Жизнь - это прежде всего сложная организация (а не просто порядок), в которой отдельные части интегрированы в единое целое и выполняют свою функцию так, чтобы это целое поддерживало автономность, осуществляло обменный цикл, размножалось и откликалось на стимулы, не распадаясь при этом. Для того, чтобы увидеть, что материалисты на самом деле совершают ошибку (или подмену понятий - нужное подчеркнуть), необходимо подняться с физического уровня на уровень системный и посмотреть, каковы свойства их «флуктуации».
Оказывается, что это совсем не обычная флуктуация (и не флуктуация вовсе)! И вот почему. Для того, чтобы бороться с возрастанием энтропии, жизнь должна быть организована так, чтобы воспроизводиться с минимальными потерями информации. А это значит (по прямой теореме Шеннона для канала с шумами), что должен быть обеспечен цифровой, дискретный тип передачи информации - генетический код как раз такой и есть. Далее, использование кода означает, что эта «флуктуация» должна уметь не только записать саму себя, чтобы потом воспроизвестись, но и записать и воспроизвести то, что потом будет интерпретировать этот же код в последующих поколениях! Это требование вытекает из автономности живых организмов и называется семантической замкнутостью: и то, что интерпретируется (инструкции по построению следующего поколения организмов), и то, что будет эти инструкции интерпретировать (сам транслятор) должно быть записано в память и впоследствии считано из памяти.
Для обеспечения записи и воспроизведения неоднородной системы (в отличие от однородных кристаллов) необходимо наличие символьной памяти в добавок к самой системе. А это, в свою очередь, требует наличия механизмов записи-считывания. А значит, наличия трансляции информации. В процессе размножения генетическая информация должна быть обработана двояким образом:
- скопирована как данные с целью обеспечения многократности (персистентности) воспроизведения;
- проинтерпретирована как программа по построению организма следующего поколения.
Ничего себе флуктуация! Слишком умная какая-то, прямо профессор какой-то (с)...
Флуктуации не строят адаптеров!
Как сказал один комментатор, случайность не строит адаптеров! Он имел в виду адаптерную гипотезу, предложенную Френсисом Криком в 1955 г. и блестяще подтвердившуюся впоследствии. Дело в том, что в процессе трансляции генетического кода используются адаптеры, которые обеспечивают однозначное соответствие триплетам нуклеотидов информационной РНК аминокислот, встраиваемых в синтезируемый белок.
Представьте себе, что нанометровые вилки массово и с большой скоростью (скорость построения полипептида составляет порядка десятков аминокислотных остатков в секунду) вставляются в нанометровые розетки, так что «неправильная» аминокислота, не соответствующая кодону РНК, не вставится в белок. Это означает только одно: здесь явно было инженерное предвидение кроме физики, так как необходимо было обеспечить выполнение соответствия, называемого генетическим кодом, между знаком (кодоном) и тем, что он обозначает (аминокислотой), безразличного по отношению к физико-химическим процессам его реализации! Это могло быть обеспечено только интеллектуально и никак иначе. Неживая же природа ведь лишена предвидения и, следовательно, не могла явиться причиной организации жизни!
За исключением самих биосистем такие штуки во всей известной нам вселенной может делать только разум человека. Примеры систем обработки знаков исчерпываются лингвистическими системами: математика, искусство, языки, шифры, правила дорожного движения и... биологические коды (помимо генетического известны другие примеры использования кода в живых организмах). Отсюда естественно вытекает предположение о том, что и биологические коды суть продукты интеллектуальной деятельности. Только они гораздо более совершенные, чем самые лучшие сегодняшние технологические достижения. Мы только ещё приближаемся по уровню технологии к тому, чтобы повторить кое-что из того, как организована жизнь.
Для создания жизни, с точки зрения теории систем и теории информации, необходимо было обеспечить комплекс код+протокол+транслятор. Именно комплекс, и сразу. Потому что ни код без транслятора, ни транслятор без кода не имеют никакого смысла. А протокол - это набор правил, то есть вообще принципиально нефизическая вещь. Как она вообще могла возникнуть сама собой?! Генетический код реализован особыми ферментами, которые называются арсазами. Арсазы используются для загрузки молекул транспортных РНК аминокислотами независимо от процесса считывания информации с иРНК на рибосомах. Изюминка в том, что эта загрузка идет на опережение: соответствующий антикодон тРНК войдёт в контакт с кодоном иРНК, как вилка в розетку, лишь впоследствии. В результате соединения антикодона тРНК со "своим" кодоном иРНК тРНК разгружается, требуемая по инструкции иРНК аминокислота присоединяется к полипептидной цепи, являющейся основой будущей молекулы белка. Еще раз повторю: система полностью воспроизводит саму себя по инструкциям в памяти (ДНК/иРНК), которые включают инструкции по воспроизведению транслятора кода! Таким образом, исполнение инструкций, содержащихся в информационной РНК, является результатом особой организации системы в целом (символьных граничных условий, локальных для системы и не имеющих смысла вне её), а законы движения частиц вещества здесь играют только исполнительную роль, лишь роль первой скрипки, но никак не дирижёра!
Ни одна физическая флуктуация функций макросостояния (энтропии, плотности, давления, температуры) на это не способна. То есть первый живой организм уже представлял собой неразложимый комплекс. Постепенного "пути" его самопроизвольной сборки в природе не существует. Природа просто позволяет создавать системы обработки информации, являясь сама безразличной к этому. Безразличной в том же самом смысле, в каком шарик находится в любой точке горизонтальной плоскости без трения в положении безразличного равновесия.
Если мы посмотрим именно на то, как организована жизнь, то мы увидим, что организация процессов жизнедеятельности целенаправленно противодействует нарастанию энтропии. Смерть - это неизбежный конец борьбы против нарастания энтропии в рамках отдельного организма. Однако прежде чем умереть, живой организм передает жизнь следующему поколению. «Борьба со вторым законом» осуществляется путем репликации, то есть размножения. Хотя каждый новый организм подвержен разложению, да и сам механизм репликации тоже (что проявляется в вырождении), живое живет главным образом за счёт размножения!
Ничего подобного в неживой природе в комплексе не встречается. Например, кристаллы растут/размножаются. Однако для роста кристаллов не нужно создавать систему трансляции информации. Кристалл растет механическим, матричным повторением себя за счёт проявления принципа минимума потенциальной энергии. А генетический код и его трансляцию к минимимуму потенциальной энергии свести никак нельзя, поскольку суть трансляции заключается в использовании именно безразличных положений равновесия (энергетически вырожденных состояний) при обработке знаков, то есть материальных компонентов, обозначающих тот или иной физический эффект! Код никак не сводим к динамике частиц вещества системы.
И именно здесь у материалистов ошибка или сознательная подмена понятий. Более подготовленные из них, понимая это, начинают подвергать сомнению объективность передачи информации в живых системах. У них другого выхода нет, кроме как делать вид, что они не видят никакой проблемы. Они же ни за что не признают очевидное: что жизнь создана мощнейшим интеллектом!
Между тем, биосемиотика, занимающаяся описанием процессов обработки знаков в живых системах, рассматривает именно знак как единицу живого, а не ген или молекулу. Знаки накладывают граничные условия на физические процессы в системе. Жизнь - это физика + символьные граничные условия (что включает фактически алгоритм работы с памятью).
Итак, в неживой природе нет главного, на чем основана организация живого: в неживом никакой трансляции информации нет и не предвидится. Вот на что нужно напирать в полемике, по-моему. А с точки зрения термодинамики, и живое, и неживое неотличимы - и там, и там идут физические взаимодействия; и там, и там расходуется энергия и происходит нарастание энтропии... В конце концов, и живое, и неживое состоят из атомов одной и той же периодической системы элементов.
Источники: