Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Троланд видит жизнь как нечто вторичное, ставшее “побочным продуктом” существования ферментов. “Жизнь, – заключает он, – есть прямое следствие активности ферментов”.
Сейчас некоторые детали рассуждений Троланда выглядят неправдоподобно. В главе 6 мы убедились, что возникновение чего-то настолько сложного как фермент нельзя “свалить” на чистую случайность – необходим некий систематически повторяющийся процесс. Разумеется, Троланда не следует упрекать за это: он создавал свою гипотезу, не имея информации о структуре белков-ферментов. В те годы многие исследователи использовали понятие случайности подобным образом. Так или иначе, но в его идее ценна именно концепция, то есть рассмотрение способности живого создавать и поддерживать свою структуру посреди царящего вокруг хаоса.
Оказавшаяся в центре внимания Троланда способность жизни к саморегуляции может быть определена более строго – с помощью термодинамики. Этот раздел физики возник для описания природы и превращений тепла, однако в итоге стал едва ли не универсальным.
В термодинамике есть часть, имеющая отношение к зарождению жизни. Это ее второй закон (или второе начало), суть которого проста: количество беспорядка во Вселенной со временем неуклонно увеличивается. Причина в том, что превращающие что-то упорядоченное во что-то неупорядоченное процессы происходят с куда большей вероятностью. А вот порядок самопроизвольно возникнуть из хаоса не может. К примеру, целая кофейная чашка – явление упорядоченное. Ее можно с легкостью превратить в разбитую, так сказать, неупорядоченную кофейную чашку, а вот проделать обратное и превратить ее снова в целую – задача непростая. Однако важнее всего то, что мы никогда не увидим этот второй процесс происходящим самопроизвольно. Разбитые чашки сами не собираются из осколков и не соединяются в целые.
Эти интуитивные представления можно сформулировать более научно, рассчитав изменение так называемой энтропии системы. Энтропия – это не что-то физически ощутимое, вроде атома или гравитации. Она представляет собой скорее математическую абстракцию, которая позволяет оценить степень неупорядоченности той или иной системы. Энтропия целой кофейной чашки мала, в то время как энтропия разбитой кофейной чашки намного больше. Второй закон термодинамики гласит, что в конечном счете энтропия со временем всегда возрастает.
Это можно пояснить на примере несколько искусственной картинки. Представьте себе две камеры, в одной из которых находятся частицы синего газа, а в другой – красного. Перед нами упорядоченная система, имеющая низкую энтропию. Теперь откроем дверцу между двумя камерами. Совершенно естественно, что газы перемешаются и энтропия системы возрастет. Теоретически есть шанс, что в какой-то момент два газа снова разделятся и энтропия станет низкой, но мы потратим на ожидание этого момента время, превосходящее возраст Вселенной, – причем дождаться можно будет лишь того, что подобная тенденция просто наметится. То же справедливо и в случае кофейной чашки: для нее перейти из разбитого состояния обратно в целое является хотя и не невозможным, однако исчезающе маловероятным событием.
В этом месте у вас может сложиться впечатление, что существует и некое очевидное исключение. Да, разумеется, в наших силах разбить кофейную чашку и тем увеличить ее энтропию, но также мы можем, терпеливо склеив чашку, вернуть ее в состояние с малой энтропией. Однако второй закон и тут не дает обойти себя! Вся та работа, которую нам необходимо проделать для восстановления чашки в исходном виде, вызовет выделение тепла. Из-за этого окружающие атомы будут двигаться более неупорядоченно. Так что уменьшить энтропию чашки мы, конечно, сможем, но заодно мы неизбежно повысим ее где-то еще – и это приращение энтропии всегда будет больше, чем ее снижение в самой чашке. В масштабах целой Вселенной хаос всегда в выигрыше. Мы можем создать во Вселенной небольшой упорядоченный карман, но за его пределами все неизбежно будет становиться лишь более хаотичным.
 
Тому, кто питает надежду на светлое будущее Вселенной, следует ее оставить. Второй закон термодинамики предрекает неотвратимый конец Вселенной в беспорядке и хаосе, когда не сможет уже существовать или происходить хоть что-то интересное[343].
Это совершенно неизбежно, ведь второй закон носит абсолютный характер. Большинство научных открытий всегда в той или иной степени временные, потому что их могут опровергнуть какие-то новые данные, однако о втором законе термодинамики такого сказать нельзя. Дело в том, что он напрямую следует из фундаментальной теории вероятности и потому может быть подкреплен точными и неопровержимыми доказательствами, – в отличие от большинства прочих концепций. Тут не годятся высказывания наподобие “все лебеди белые… хотя подождите-ка, вон один черный”. Второй закон термодинамики может оказаться неверным лишь в том случае, если каким-то немыслимым образом окажутся ошибочными и сами основы математики.
Это нетрудно проиллюстрировать, бросив 10 игральных кубиков разом. Есть шанс, что на всех выпадет одно и то же число, – скажем, шестерки. Но соответствующий исход этой игры, то есть десять шестерок, выпавшие разом, – всего один, в то время как некрасивых комбинаций вроде 5 364 414 235 может быть огромное количество. Именно в силу свойств чисел мы почти всегда будем получать какой-то неупорядоченный результат.
Физик Артур Эддингтон сформулировал это очень четко. Он пишет, что любимая теория того или иного ученого в состоянии пережить противоречивые результаты экспериментов, поскольку “экспериментаторы умеют иногда напортачить”, либо выдержать столкновение с устоявшимися идеями. “Но если ваша теория не согласуется со вторым законом термодинамики, то пишите пропало: ей останется только униженно смириться”[344].
Следствия второго закона способны вогнать ученого в тяжелое уныние. Возможно, не было простым совпадением то, что Людвиг Больцман, первым его сформулировавший, повесился. Химик Питер Аткинс начинает свою книгу “Второй Закон” (The Second Law) такими вот жизнерадостными словами[345]: “Все мы дети хаоса, и в корне всякого изменения таится распад. В корне всего – лишь разложение и непрекращающийся поток хаоса. Цели нет; есть лишь общее направление”. Без сомнения, Аткинса оценила бы по достоинству любая эмо-группа начала 2000-х. 
Какое отношение утверждение Аткинса о постоянно нарастающем беспорядке имеет к живому? Напоминаю: ответ на этот вопрос дал физик Эрвин Шрёдингер, написавший вышедшую в 1944 году книгу “Что такое жизнь?” (What is Life). “Жизнь, – говорит он, – это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной лишь тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время”. Другими словами, жизнь очень хорошо поддерживает свою стабильность и сопротивляется беспорядку. Скажем, ваши волосы скорее всего не меняют свой цвет самопроизвольно и каждые несколько часов[346]. Но эта стабильность сложнее простой неизменности, которая свойственна даже камням. Жизнь полна энергии и находится в постоянном движении. Ведь и внешне неподвижное дерево в действительности исключительно активно – на уровне клеток. По словам Шрёдингера, жизнь продолжает свою деятельность “намного дольше, чем можно ожидать от неживой материи”.
На первый взгляд может показаться, что жизнь нарушает второй закон термодинамики, однако это совсем не так. Чтобы продолжать существование, всему живому приходится немало трудиться, выделяя при этом в окружающую среду тепло и продукты метаболизма. Только представьте, сколько всякого разного вы подарили унитазу за свою жизнь. Энтропия вашего организма, может, и остается низкой – но только за счет ее передачи остальной части Вселенной.
“Как же живой организм избегает перехода к равновесию? – спрашивает Шрёдингер. – Ответ достаточно прост: благодаря тому, что он питается, дышит и (в случае растений) впитывает из окружающей среды. Для всего этого есть специальный термин – метаболизм”. Иначе говоря, все живые существа нуждаются во внешнем источнике энергии для того, чтобы активно поддерживать свое существование. То есть благодаря своему метаболизму “живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию”. Именно к этому приближался Троланд, когда описывал способность живого “регулировать” себя и “поддерживать свою стабильность”.