Вселенная. Происхождение жизни, смысл нашего существования и огромный космос

Свободная энергия — это энергия в потенциально полезной форме. Высокоэнтропийный остаток — это «неорганизованная энергия», равная произведению температуры системы и уровня её энтропии. При передаче тепла от одной системы к другой объём бесполезной неорганизованной энергии увеличивается. Действительно, согласно одной из формулировок второго закона, в изолированной системе свободная энергия с течением времени превращается в неорганизованную энергию.

Ещё одно представление второго закона термодинамики. С течением времени энергия превращается из «свободной» (пригодной для совершения работы) в «неорганизованную» (рассеянную, бесполезную)

Идея Шрёдингера заключалась в том, что биологическим системам удаётся двигаться, сохраняя при этом базовую целостность, для чего они используют свободную энергию, которую берут из окружающей среды. Итак, они берут свободную энергию, затрачивают её на выполнение нужной работы, а затем возвращают эту энергию в окружающую среду в более неорганизованном виде. (В первом издании своей книги Шрёдингер пространно изъяснялся, стараясь не использовать термин «свободная энергия», полагая, что его можно понять неправильно. Что ж, я более требователен к вам, чем Шрёдингер к своим читателям.)

* * *

Тот факт, является ли определённое количество энергии «свободным» или «неорганизованным», зависит от окружающей среды. Допустим, у нас есть цилиндр с поршнем, заполненный горячим газом, и этот газ можно использовать для выполнения работы: газ будет расширяться и толкать поршень. Однако при этом предполагается, что извне поршень не окружён газом с такой же температурой и плотностью; в противном случае никакой результирующей силы к поршню бы не прикладывалось и с его помощью невозможно было бы выполнять работу.

Свет, который мы получаем от Солнца, обладает низкой энтропией по сравнению с окружающей средой и поэтому содержит свободную энергию, при помощи которой можно совершать работу. Окружающая среда — это просто небо, рассекаемое лучами звёздного света и наполненное космическим фоновым микроволновым излучением, температура которого всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Типичный фотон, испущенный Солнцем, несёт в 10 000 раз больше энергии, чем типичный фотон микроволнового фонового излучения.

Представим, как выглядело бы небо, если бы не было Солнца, — так, как выглядит сегодня ночное небо. Здесь, на Земле, быстро наступило бы равновесие, и она стала бы столь же холодной, как и небо. Свободной энергии бы не осталось и жизнь бы угасла. (Правда, не вся. Бактерии-хемолитоавтотрофы извлекают свободную энергию из минеральных соединений. Даже при отсутствии Солнца на Земле не было бы полного термодинамического равновесия.)

Но теперь предположим, что мы находились бы внутри Солнца. Всё небо изливало бы на нас потоки фотонов, как яркое солнце сейчас. Земля быстро достигла бы термодинамического равновесия, но на ней установилась бы такая температура, как на поверхности Солнца. На Землю попадало бы гораздо больше энергии, чем сейчас, но всё тепловое излучение Солнца представляло бы собой бесполезную неорганизованную энергию. В таких условиях жизнь была бы столь же невозможна, как и при отсутствии Солнца.

В данном случае важно, что окружающая среда на Земле очень далека от термодинамического равновесия, и так будет ещё миллиарды лет. Солнце — горячее пятно в холодном небе. Поэтому та энергия, которую мы получаем в виде солнечных фотонов, практически полностью является свободной и может пойти на совершение полезной работы.

Именно так и происходит. Мы получаем от Солнца фотоны, преимущественно в видимой части электромагнитного спектра. Переработанная энергия затем возвращается во Вселенную в виде низкоэнергетических инфракрасных фотонов. Энтропия набора фотонов примерно равна общему количеству имеющихся у вас фотонов. На каждый видимый фотон, получаемый от Солнца, Земля испускает обратно в космос примерно двадцать инфракрасных фотонов, энергия каждого из которых приблизительно в двадцать раз ниже, чем у солнечного фотона. Земля возвращает столько же энергии, сколько получает, но прежде чем солнечное излучение вернётся во Вселенную, его энтропия увеличится в двадцать раз.

Количество энергии здесь, на Земле, разумеется, также непостоянно. С тех пор как началась индустриальная революция, атмосфера загрязняется газами, непроницаемыми для инфракрасного света. Отдача энергии затрудняется, и из-за этого планета перегревается. Но это уже другая история.

Глава 30 Перетекание энергии

Теперь давайте рассмотрим, как вся эта грандиозная теоретическая физика отражается в биологической практике.