Биология в новом свете

Чтобы подойти к пониманию биологически важных процессов преобразования энергии, нам придется обратиться к истории. В прошлом веке в науке возникло новое направление, которое сначала ставило своей целью лишь одно — улучшение рабочих качеств паровых машин. Это наука об энергии, которую тогда же окрестили термодинамикой — учением о тепловом движении. Достаточно ли высок коэффициент полезного действия паровой машины и как его можно повысить? Можно ли создать вечный двигатель? Почему материал, к примеру тот, из которого изготовляют пушечный ствол, при сверлении нагревается? Таковы были первые вопросы, которые пыталась разрешить эта наука. Со времени своего возникновения термодинамика пережила бурный подъем и продолжает стремительно развиваться в наши дни. Сейчас она служит теоретической основой для расчета всех энергетических процессов, протекающих в природе.

Термодинамику неоднократно пытались использовать для анализа сложных механизмов жизни. Но из-за трудности проблемы все попытки терпели неудачу. Только в последние десятилетия термодинамика достигла такого состояния, которое позволило ей внести важный вклад и в биологию. Сначала идеи термодинамики прочно утвердились в области клеточной и молекулярной биологии, а теперь говорят уже о термодинамике роста, эволюции и даже процесса мышления.

Термодинамика — это выдающееся создание человеческого ума. В ее основе лежат несколько "само собой разумеющихся", эмпирически установленных истин, на которых воздвигнуто логически стройное, надежное и устойчивое здание высшей абстракции. С высоты этого здания, построенного из "математических блоков" на фундаменте точного эксперимента, нам открываются далекие горизонты познания.

Здесь мы не можем останавливаться на частных разделах термодинамики, их развитии и современном состоянии. Однако для понимания общих закономерностей этого и не нужно. Вполне достаточно общего обзора, но нам придется начать издалека.

Сначала о "само собой разумеющемся", о фундаменте термодинамики, о том, что называют "основными законами". Два из них, известные как первое и второе начала термодинамики, особенно важны. Мы попытаемся передать смысл этих законов, не прибегая к математически строгим определениям. Их можно сформулировать следующим образом:

1. Существует нечто, называемое нами "энергией". Энергия обладает следующими свойствами: она не может возникать из ничего, равно как и бесследно исчезать; она существует в различных формах и может переходить из одной формы в другую.

2. Все процессы в окружающей нас природе развиваются в определенном направлении. Самопроизвольные (спонтанные) процессы в замкнутых, или изолированных, системах всегда протекают так, что из всех возможных состояний достигается состояние, характеризующееся максимальной неупорядоченностью.

Это не строгие формулировки, а попытка изложить основные законы термодинамики в наиболее доступной для понимания форме.

Оба начала термодинамики — первое, которое называют также законом сохранения энергии, и второе, позволяющее говорить о возможном направлении самопроизвольных процессов, — послужили исключительно плодотворной почвой для проведения многих расчетов. Первое начало исключает возможность существования вечного двигателя первого рода, т. е. провозглашает бессмысленной давнишнюю мечту людей о машине, которая сама себя непрерывно приводила бы в движение и производила бы при этом полезную работу.

Второе начало также чрезвычайно важно, а сфера его действия столь велика, что это трудно себе представить. Каждый знает, что порядок, если его постоянно не поддерживать, непременно нарушается, — система приходит в неупорядоченное состояние. А что при этом происходит с энергией? Если, например, высокая башня, сложенная из кирпичей, обрушится, то в результате, конечно, освободится энергия. Но такая упорядоченная система, как башня, вряд ли может возникнуть сама по себе из груды набросанных кирпичей даже в том случае, если средняя потенциальная энергия кирпичей в груде и в башне одинакова.

Вечный двигатель второго рода. Электростанция работает за счет охлаждения речной воды, превращая отобранное тепло в электроэнергию. Такой электростанции не может быть, поскольку самопроизвольное охлаждение тела ниже температуры окружающей среды исключается вторым началом термодинамики. Чтобы использовать тепловую энергию воды, необходимо иметь горячий источник