Страница 79 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука

Часто встречаются объяснения, что Солнце посылает на Землю некую “ценную” энергию, так как его излучение есть кванты. При этом упоминается свободная энергия и негэнтропия. Но, простите, в не­ади­а­ба­­ти­ческих процессах энергия квантуется всегда и везде – квантовый ха­­рак­­тер не есть специфическое отличие сол­неч­но­го света. Об особен­нос­тях свободной энергии было подробно объя­с­не­но в преды­дущих па­ра­г­ра­фах, поэтому ссылаться на неё нечего. Нег­энтропия жизни не нуж­на, так как жизнь есть рост энтропии. Всё на­мно­го проще, чем при­выч­ные, якобы, объяснения.

Химико-электрическая энергетика метаболизма, использующая внут­­­­рен­нюю энергию, накопленную в химических связях веществ – “пи­щи”, имеет общее и отличное от фотосинтезирующей энергетики расте­ний. Об­щее – цикл запасание энергии в форме химических связей в АТФ, вклю­ча­ющий в себя энергию электрического поля как обязатель­ную проме­жу­точную составляющую. Отличное – излучение Солнца как первичный источник энергии для фотосинтеза с участием АТФ.

Солнце как внешний источник энергии для живых систем по­с­тав­ляет на Землю термически равновесное излучение. Сред­няя температура Зем­ли намного меньше тем­пе­ратуры излучения Солнца. Поэтому для фотохимической энергетики ме­таболизма вто­рое начало тер­мо­динамики не может создавать прин­ципиальных препят­ст­вий. Однако долж­ны быть учиты­вающие его детали протекания про­цес­сов преоб­ра­зо­ва­ния энергии.

Химическая составляющая фотосинтеза происходит на основе цик­лов, включающих в себя конкретные потенциалы  (рис. 6.5). Им со­от­ветствуют дискретные частоты переходов между энергетическими уров­ня­ми в молекулах. Термодинамически равновесное из­лучение долж­но сопрягаться с этой дискретностью. Конкретно это выражает селективное поглощение из полного спектра излучения Солнца только тех квантов, которые имеют диск­рет­ные значения частот, задан­ные свойствами моле­кул в виде значений i .

В цикле Карно (как было подробно объяснено выше) меха­ни­ческая работа получается с участием преобразо­ва­ний энергии (функции состо­я­ния системы). При этом через тепловую машину должен пройти по­ток теп­ла (которое не есть функ­ция состояния системы). Ана­ло­гичное свя­зы­вает между собой равновесное тепловое излуче­ние Солн­ца и хи­ми­ко-электрические циклы фотосинтезирующей энергетики.

На рис. 6.8 показан спектр равновесного излучения Солнца и спект­ры поглощения веществ, ответственных за разные вариан­ты фото­син­тезирующей энергетики. Мак­си­мумы спектров поглощения у них близ­ки к максимуму спектра излу­че­ния Солнца. На сегод­няш­нем уровне эволюции жиз­ни наи­более распрост­ра­нённые и эф­фек­тивные среди них – хло­­ро­фил­­лы. Обратите внима­ние на до­полнительные мак­си­му­мы их спект­ра поглощения, сдвинутые к ин­фра­крас­­но­й области спектра излу­че­ния Солн­ца (в зону ~650 нм). Они отра­жа­ют сущест­вование вбли­зи этой дли­ны вол­ны ловуш­ки – ак­тив­­но­го центра хи­мичес­ких ре­ак­­ций. Ему со­от­­вет­ствует конкретная ве­личи­на i (дискретная энер­­гия кван­та).

Рав­но­весное тепловое излучение Солнца, участвуя в цикли­ческом процессе, преобразовало свою энер­­гию в хими­чес­кую энергию. Цикл Кар­но в этом не участвует. Это химико-электрический цикл. Источник его энергии – монохроматические кванты с дискретной частотой R . Раз­ность энергий поглощённых квантов и квантов, работающих в активном центре, зависит от того, какое именно значение частоты у них было в мо­мент поглощения. Приближённо распределение энергии в этой разности также тепловое. Сброс энергии из хло­ро­филла в составе “ма­ши­ны” мож­но представить как по­ток тепла Qearth , передаваемый Земле. Его един­ствен­ный ре­зуль­тат – увеличение энтропии Земли.

Ситуация отличается от тепловой машины и преоб­ра­зо­ва­ния в ней тепла в механическую работу. По­ток тепла, проходит через “ма­ши­ну”-рас­тение. Он увеличивает энтропию-информа­цию, позво­ля­я этим при­ро­де “изобрести” фо­то­син­тезирующую “машину”. Поток тепла сам не ра­бо­тает. Он есть сброс “отходов” при формировании входного потока для химико-электрических тер­мо­­ди­­на­мичес­ких циклов. Без него хими­чес­кая рабо­та в виде реакций в ак­тивном центре (химико-электрический термо­ди­на­ми­ческий цикл) была бы количественно мало эффективна. После­ду­ю­щие пре­об­разования энер­гии изотермичес­кие. В си­лу пояснений в на­ча­ле этой главы они не нарушают второе начало термоди­на­ми­ки, не­смот­ря на отсутствие раз­но­сти температур.

Тривиальный поток тепла от Солнца и сопровождающий его рост энтропии – это есть первая составляющая фотосинтеза, выпол­ня­ющая роль изменения информации, необходимого для реализации при­­родой любого своего “инженерного проекта”. Но в цикле Карно по­ток тепла есть источник механической работы, а в фотосинтезе он только “беспо­лез­ный” сток.

Естественный отбор запомнил хло­рофилл как преимущественное ра­­бо­чее тело для фото­син­тезирую­щей энергетики потому, что это веще­ст­­во сочетает ширину спектра поглощаемого излучения с селектив­но­стью реакций в ак­тив­ном центре. Такой оптимум возник как за­по­ми­на­ние выбора из случайностей, ограниченных физико-химическими усло­ви­ями. По­э­то­му в прошлом остались его менее оптимальные варианты. Они и сей­час работают в “ту­пи­ковых” формах жизни, например, родоп­син в гало­бак­териях (пурпур­ных) сильно солёных озёр. У него область поглоще­ния приближённо так же вписывается в макси­мум солнечного спектра из­лу­чения. Но “размен” энергии квантов излучения менее эф­фек­­тиве­н, а потому к.п.д. фотосинтеза меньше примерно раз в десять.

Запоминание случайного выбора не смогло изменить ранее запом­нен­ное рабочее тело в виде аденилнуклеотидов и их преобразований в цикле. Но детали фотосинтезирующей энергетики существенно от­лича­ют­ся от деталей пищевой энергетики или метаболизма автолито­тро­фов. Это есть выражение детерминизма возникновения и эволюции жизни.

Представления о жизни как флуктуации, направленной против рос­та энтропии, приводят к утверждениям, что существование жизни под­дер­жи­вает поток негэнтро­пии от Солн­ца. Это не так. Всё дело имен­но в равновесности излу­чения Солнца и увеличении им энтропии Земли.

Энтропию безжизненной планеты поток тепла от Солнца уве­ли­чи­ва­ет настолько, сколько требует поглощение этого тепла при бо­лее низ­кой равновесной температуре планеты. На основе поглощаемого от Солнца в еди­ницу времени планетой части тепла Qsun с помощью интегрирующего множителя в виде его тем­пе­ра­туры sun мо­жно опре­де­лить приращение переданной планете энтропии. Оно равно:

.

В силу теплового баланса количество тепла после его пог­ло­ще­ния планетой . Температура планеты много меньшая и равна earch, то есть . Соответственно

.                                  (6.14)

 В полном виде этот баланс должен быть дополнен теплом, по­сту­па­ющим из недр планеты Qg, earth. Конкретные значения тем­пературы и энтропии планеты в нём харак­те­ризуют окончательное рав­новесие. Ре­аль­но звезды остывают, изменя­ют­ся процессы в недрах пла­нет, а потому константы в этом равновесии изменяются и оно эволю­ци­о­нирует, но это есть последовательность приближённо равновес­ных сос­тоя­ний.

Появление жизни (сначала на основе соединений серы) вводит в этот баланс производство энер­гии хемолитоавтотрофами с помощью термо­ди­­на­­ми­чес­ких циклов, в кото­рых определяющие формы энергии есть хи­ми­ческая и электрическая. Потом фотосинтезирующая энергетика жизни, используя равно­вес­ный поток тепла от Солнца в диапазоне види­мого света и далее химико-элект­рические термодинамические циклы про­изводит до­пол­нительную энер­гию. Она в конечном итоге тер­ма­лизу­ет­ся, то есть производит до­пол­нительную энт­ропию. Животные жи­вут за счёт растений. Это ещё увеличивает энтропию планеты.

 Рост энтропии с участием жизни сверх “неживого” предела есть  глав­ная причина высокой вероятности и высокой частоты возник­но­вения и прогрессивной эволюции жиз­ни во Вселенной. Даже бо­лее жёст­ко – обязательности возник­но­ве­ния жизни в определённом диапазоне физико-химических условий планетных систем. Не за­бы­ваёте при этом, что множественность планетных систем во Вселен­ной сегодня есть достоверный наблюдательный факт. Определение – прог­рессивная эво­люция – означает иерархическое вовлечение в её про­цессе новых воз­мож­ностей роста энтро­пии. Однако стремление к равновесию про­дол­жа­ет участвовать в процессах, связанных с жизнью, что отражают гео­ло­ги­чески значимые в масштабах земной коры запасы нефти, природ­ного газа, известняков и других минералов органического происхожде­ния, перераспреде­ле­ние металлов с участием бактерий.   

Дополнительное (сверх окончательно равновесного “неживого”) про­­­изводство энтропии, которое вызывает возникновение и эволюция жизни, отражается в па­раметрах баланса поглощения и отдачи энер­гии. Например, максимум спектра излучения Земли находится в инфра­красной области длин волн. Повышение кон­­центрации углекислоты в атмосфере сильно уменьшает её прозрачность в этом же диапазоне длин волн. Максимум спектра поступающего солнечного излучения нахо­дит­ся в диапазоне бо­лее коротких волн (зе­лё­н­ая область видимого света). Углекислота на поглощение солнечного излучения влияет слабо. Такое вли­яние угле­кислоты есть изменение параметров в балансах типа (6.14). В результате тепловой баланс, а следовательно температу­ра и энт­ро­пия Земли, зави­сят от концентрации углекислоты в её ат­мо­сфере (это есть широко из­вест­­ный парниковый эффект).

Существуют и другие подобные эффекты. Например, изменение спектральных характеристик атмосферы в ультра­фи­олетовой области за­висит от концентрации озона в атмосфере. Этот параметр сильно из­ме­ня­ет долю ультрафиолетового излучения Солнца, достигающую поверхно­с­ти Земли. По величинам энергии этот вклад невелик, но его влияние на условия существования наземных форм жизни может быть критическим из-за негативной чувствительности жизни к жёсткому излучению всех диапазонов частот выше видимого света.

Баланс типа (6.14) (естественно, в полном, а не в сокращённом ви­де), есть итог, оп­ределяющий с участием жизни энтро­пию планеты при тепловом равно­ве­сии пла­не­ты и звезды. Он весь­ма сложен. На­при­мер, в последнее время появились данные о том, что, возможно, по­вы­шение средней температуры Земли по отно­ше­нию к началу века  вызвано не толь­ко нарушением баланса СО2 в атмосфере, но и неболь­шим уве­ли­че­ни­ем активности Солнца и соответственно количества поступающего от него тепла. Тогда наблюдаемое повышение концентрации углекис­ло­ты мо­жет быть не причиной, а следствием потепления. Переносит энер­гию от Солн­ца к Земле не только излучение, но и выбрасывае­мые им заря­жен­­ные частицы (сол­неч­ный ветер). Он создаёт вокруг Земли струк­туры, подобные тем, что воз­ни­кают при обтекании шара сверх­зву­ко­вым пото­ком воздуха. Их параметры описывает меж­пла­нетное магнитное по­ле. Фактом являтся его увели­че­ние сегодня на 40% по отношению к 1964 г. и на 230% в сравнении с 1901 г. При­чи­ной этих из­ме­нений не мо­жет быть земная угле­ки­с­лота или “озоновая дыра” над Ан­тарк­тидой. Ва­­жен итог баланса тепла и энергии “звезда – пла­не­та”, учи­ты­ва­ю­щий все внеш­ние и внутренние как источники тепла и энер­гии, так и пара­метры. Наблю­даемое его вы­ра­жение есть осреднённая тем­пе­ра­тура пла­не­ты earth , участвующая в определении величины её энт­­­­ро­­пии.

Жизнь не есть флуктуация, направленная против роста энтропии. Жизнь возникла и эволюционирует потому, что это увеличивает энтро­пию “живой” планеты по отношению к её “неживому” аналогу. Ме­таболизм жизни, если она существует на планете (в том числе на на­шей Земле), добавляет к энтропии составляю­щую, которая невозможна в неживой природе. На основе равно­вес­ного излучения и веществ в рав­но­весных сос­тояниях, то есть объектов, ко­то­рые сами по себе уже исчер­пали свои воз­можности для увеличения “энтропии Вселенной”, жизнь уве­личивает энт­ропию сверх “неживых” пределов. Итогово это выра­жается меньшей темпе­ра­турой планеты, на которой существует жизнь, но одновременно боль­шей её энтропией, чем для “неживой” планеты.

С помощью каких физи­чес­ких законов и как жизнь обеспечивает большую энтропию планеты – определяют детали состояний и кинетики процессов на ней. Как всегда в природе, физические законы дейст­ву­ют так и тогда (в том числе сложно и многоступенчато), когда это раз­ре­шает (глобальный по отношению к ним) закон роста энтро­пии – второе на­чало термодинамики. Естественный отбор запомнил хлорофильную энерге­ти­ку растений в частности потому, что она обеспечивает большее произ­водство энтро­пии, чем, например, родопсиновая, в которой слабее эф­фекты терма­ли­за­ции вход­ного излучения. Оптимизация не есть опре­делён­ная извне цель естественного отбора. Она возникает как следствие прямой или косвенной возмож­ности большего роста энтропии. Это не иск­лю­чает участия в ней путей, подчиняющихся принципу минимума про­из­водства энтропии Пригожина. 

На Земле фотосинтез есть главный поставщик веществ, необходи­мых для метаболизма жизни на химической (пищевой) основе. Детали его реализации изощрённы и сложны. В частности, они описаны в ра­бо­тах А.Б. Рубина (см., например его учебник [122]). Однако причина возник­новения и су­ществования фотосинтеза – второе начало термоди­на­ми­ки и возможности роста энтропии сверх “неживых” пре­делов.

Не посылает Солнце на Землю поток негэнтропии. Не нуждается в нём жизнь. Второе начало термодинамики диктует её существование.