Эволюция на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям

Природа переиграла людей на своём поле.

И немудрено: перекрёстные связи в биосфере такие тесные и нелинейные, что, глядя на мир живой природы, поневоле хочется воскликнуть: неужели столь гармоничный и разумно устроенный мир возник сам по себе, без участия разума? Одни виды в нём помогают другим. Пчёлы опыляют растения, помогая им размножаться. Птичка-медоуказчик показывает медведю, в каком дупле дикие пчёлы устроили улей, – медведь разорит его, поест мёду, а хитрая птичка съест пчелиных личинок из улья, на разрушение которого ей самой не хватило бы сил. Разве не разумное у птички поведение? Разве безмозглая природная стихия могла такое чудо жизни устроить? Да это всё равно что ураган на автомобильном кладбище, который случайно из кусков машин соберет новенький автомобиль!

– Нет, – говорили люди, далёкие от науки. – Мы хорошо знаем: всё сложное под воздействием обычного хода вещей может только портиться. Даже горы с течением времени «стачиваются» от ветровой и дождевой эрозии. Всё, оставленное без разумного присмотра и ремонта, постепенно приходит в негодность, разрушается. А все созидательные процессы, в которых происходит увеличение сложности – та же сборка часиков из шестерёнок, а также изготовление самих шестерёнок, – могут идти только при участии разума, только в соответствии с осмысленным планом!..

И они были отчасти правы. Действительно, физика XIX века открыла закон, получивший название второго начала термодинамики, из которого следовало всё сказанное выше. Этот закон гласил: в замкнутых системах энтропия может только увеличиваться (если быть совсем точным, она не может уменьшаться: или растет, или остается неизменной, если уже достигла максимума).

А что такое энтропия?

Это статистическая мера хаоса. А хаос – это беспорядок. Иными словами, в любых физических системах, о которых повествует нам второе начало, сам по себе может только нарастать беспорядок – расти мера хаоса.

Что такое хаос и что такое порядок, доходчиво объясняет рисунок ниже. Посмотрев на левую и правую картинки, вы и сами можете сказать, где там порядок, а где хаос.

Рис. 2. Не будучи учёным, любой может, ткнув пальцем, показать, где игрушки расположены хаотично, а где организованно, то есть в некоем порядке

Справа ещё одна картинка – с брошенными кубиками. Здесь порядок задаётся не расположением кубиков, а выпавшими на них числами. Слева – полный разброд и шатание, хаотическое разнообразие. А справа – явно подобранные грани, одна к одной! Из этого рисунка понятно также, насколько порядок в природе менее вероятен, чем беспорядок. Это ж сколько раз надо бросать кубики, чтобы выпали одни шестёрки? Понятно, что чаще всего будет воспроизводиться хаотичное состояние, когда на разных кубиках выпадают случайные числа. А всех шестёрок можно и до конца жизни не дождаться!

Рис. 3. Порядок в природе менее вероятен, чем беспорядок. А беспорядок возникнет скорее всего, если не поддерживать целенаправленно порядок. Не зря говорят, ломать – не строить. Ломать просто, а строительство требует усилий

Или, допустим, есть баллон с газом. В нём мечутся с огромной скоростью молекулы газа, то есть его мельчайшие неделимые частички. Этих молекул в баллоне – триллионы триллионов, и у всех немного разнится скорость мельтешения и сильно разнится направление полёта – одни туда летят, другие сюда… Молекулы постоянно сталкиваются друг с другом, как бильярдные шарики, отскакивают и разлетаются, чтобы через долю секунды снова столкнуться с другими шариками, разлететься, столкнуться… Вечное беспорядочное движение. Именно его мы наблюдаем ниже на картинке слева. Как вы думаете, велика ли вероятность того, что все молекулы соберутся в одной половине баллона? Или на какое-то мгновение вдруг выстроятся сколько-нибудь организованно?

Это практически невероятно! И чем больше молекул, тем невероятнее. Если бы в баллоне было всего три-четыре мечущиеся молекулы газа, они бы запросто могли собраться на мгновение в левой или правой половине баллона. Сто молекул – уже вряд ли, хотя вероятность такого события все ещё относительно высока, и его можно дождаться, обладая некоторой усидчивостью. Тысяча, миллион, миллиард молекул – практически никогда! Их для этого слишком много, и они слишком разнонаправленно движутся, хаотично сталкиваются и разлетаются. Как им собраться в одной половинке или организовать сложный пространственный узор?

Рис. 4. Слева – наиболее вероятное состояние системы. Справа и ниже – менее вероятные, практически невозможные

Даже если произойдет невероятное – все мечущиеся молекулы вдруг выстроятся в какой-то узор, подобный тому, что изображен на нижней картинке, то через мгновение эти неостановимые частицы снова разлетятся в разные стороны и опять образуют хаос бессмысленных столкновений.

Это понятно. Чем сложнее система – тем она невероятнее. Чем больше частиц – тем сложнее им случайно собраться во что-то упорядоченное, организованное.

А что такое животное или человек? Это ужас как сложно организованная система. Невероятно сложная система. Сколько же надо ждать, чтобы атомы случайным образом сложились в человека или хотя бы в одну живую клетку? Времени жизни всей вселенной не хватит!

Если мы возьмем огромный ящик, наполним детальками конструктора и начнем трясти – когда мы натрясём машинку? Да никогда! Чтобы собрать машинку, нужна целенаправленная работа – глазками, ручками и головой.

Но природа ведь неразумная. Как ей удалось создать жизнь? Как получилось преодолеть второе начало термодинамики – один из важнейших физических законов, который никогда не нарушается? Не обошлось ли тут без Мирового Разума, то есть Бога?

Второе начало термодинамики в переводе на бытовой язык гласит: всё в этом мире может только портиться и разрушаться.

Не бывает так, чтобы автомобиль ездил и год от года становился только лучше – нет, он будет изнашиваться. Всё будет изнашиваться, истираться, ветшать, приходить в негодность. А чтобы испортившееся починить, придётся приложить голову и труд, то есть разумное начало и направленную этим разумным планом энергию.

Кто же приложил энергию в соответствии с разумным планом, чтобы создать наш мир, а в нём – животных, растения, минералы, текущие реки и сверкающие водопады – всю эту красоту? Откуда взялись живые клетки и живые существа? Почему вообще мир не представляет собой сплошной хаос, каковой и должен быть в соответствии со вторым началом термодинамики?

Этот вопрос в позапрошлом веке ставил ученых в тупик. Оттого и допускали многие из них существование некоей Силы или Первопричины, которая создала мир и поддерживает его сложность. Потому и возникла идея о неизменности видов, ведь изменения видов в диком животном мире идут слишком медленно, чтобы их наблюдать, а вот постоянство сложности наблюдается вовсю.

Для того, чтобы усилить ваше впечатление и в самых общих чертах проиллюстрировать сложность жизни, я, пожалуй, покажу две картинки. В них ни в коем случае не надо разбираться, поскольку они относятся к биологии и биохимии, а это совсем не тема нашей книги. Их я привожу, повторюсь, лишь чтобы показать невероятную сложность жизненных процессов.

На картинке ниже изображена клетка. Как вы знаете, все организмы на Земле состоят из клеток. Вот из таких штучек, как на рисунке.

Рис. 5. Клетка в разрезе

Клетка – это элементарное, то есть самое простое живое существо. Бывают организмы, состоящие всего из одной клетки – например, инфузории. Они совсем крохотные, и их можно увидеть только в микроскоп. Эти организмы так и называют – простейшие. И действительно, всего одна клетка – куда уж проще? Вы-то, дорогие читатели, привыкли иметь дело с более крупными организмами – с родителями, например. Папа – многоклеточный организм, мама – тоже многоклеточный. В них триллионы клеток, и они все немножко разные по устройству, потому что занимаются в организме разными делами. Какие-то клетки, как клетки кишечника, например, переваривают пищу; другие, как клетки печени, очищают организм от ядов. Клетки крови, словно трудолюбивые муравьи, разносят другим клеткам организменного «муравейника» кислород. Клетки мозга сейчас читают эту книгу и запоминают информацию. Клетки, составляющие сердце, синхронно работают для сокращения сердечной мышцы и перекачки крови. Клетки-санитары фагоциты разбирают на «запчасти» больные и умершие клетки. В общем, все при деле. Организм – как огромное государство клеток!

Но если рассмотреть простейшее существо – ту же инфузорию, одиноко живущую в пруду, – то обнаружится, что она тоже устроена чертовски сложно.

Клетка – это целый завод, биохимическая фабрика с разными цехами для производства необходимых материалов, с системами поглощения и выделения, со своими энергостанциями.

Хотя одноклеточные организмы и называют простейшими, на самом деле человечеству за всю свою историю ещё не удалось построить ничего сложнее живой клетки.

Для того, чтобы вы получили хотя бы отдаленное представление о невероятной сложности клетки, ниже я приведу схему клеточного метаболизма, то есть обмена веществ в клетке. Это принципиальная схема работы живой клетки.

Рис. 6. Разбираться в этой схеме совершенно не нужно. Она здесь только для нагнетания ужаса на детский ум! И представляет собой схему движения и видоизменения разных веществ внутри живой клетки

Один только взгляд на эту схему внушает чувство некоего трепета, не правда ли? Насколько сложен энергообмен и обмен веществ! Повторюсь: человечеству пока не удалось создать ничего сложнее живой клетки. Как же это удалось слепой природе? А ведь она создала не только клетку и не только многоклеточные организмы – сложнейшие живые системы из миллиардов и триллионов клеток. Природа отгрохала биосферу, в которой существование одних видов животных невозможно без других, все взаимосвязано и взаимозависимо.

Почему жизнь не подчиняется всеобъемлющему закону природы, согласно которому всё должно приходить в хаос, рушиться, ветшать? Может быть, потому, что в живых существах содержится особенная волшебная субстанция, именуемая душой, которую вдохнул туда всемогущий колдун, своей волшебной силой сотворивший весь мир? Так раньше и считалось. «В каждом человека есть частичка Бога – душа!» – такова была главная ненаучная доктрина, как бы объяснявшая существование жизни. Наука изучает мир неживых вещей, а религия дает ответы на вопросы о душе, думали люди.

Но потом наука добралась и до жизни. Уже в середине прошлого века физики получили главный ответ. И сейчас вы его узнаете.

Ужасное и беспросветное второе начало термодинамики, которое, казалось бы, полностью запрещает усложнение и улучшение без целенаправленной воли извне, касается только замкнутых систем. Так ведь и сказано в определении второго начала. Помните? «Энтропия в замкнутых системах растет или, по крайней мере, не уменьшается (если уже достигла максимума)». А что такое замкнутые системы?

Это системы, в которые извне не поступают вещество и энергия. Если такую запаянную систему предоставить самой себе, всё, что в ней есть, постепенно придет в негодность, разрушится, тепловые неоднородности внутри системы выровняются и она придёт к вечному покою и вечному хаосу.

Это настолько фундаментально, что из второго начала термодинамики учёные даже вывели теорию тепловой смерти вселенной. Поскольку наш мир, наша вселенная – это единственное, что существует, а «снаружи» вселенной ничего нет, её нужно считать замкнутой системой. Во вселенную ничего не прибывает извне, поскольку никакого «извне» нету. Значит, рано или поздно всё в мире придёт к тепловому равновесию и полнейшему хаосу. Это и будет соответствовать состоянию максимальной энтропии – только мрак, бессмыслица и хаос. Грустная картина!

Но вокруг-то наблюдаются буйное цветение жизни и сплошное усложнение, а не только разрушение структур – растут дети и деревья, строятся дома… Почему жизнь идёт наперекор вселенной?

– Потому, – ответил в середине XX века бельгийский физик Илья Пригожин, – что второе начало термодинамики касается только замкнутых структур. А во вселенной полно систем открытых. Собственно говоря, мы вокруг себя только и видим открытые системы. В них материальные структуры вполне могут усложняться за счет поступающих в систему вещества и энергии.

Действительно, оглянитесь вокруг. Замкнутую систему в жизни ещё поискать надо! И ведь не найдешь! Замкнутая система – такой же теоретический конструкт, как идеальный газ в физике или точка в математике.

Нет в реальном мире идеальных газов и идеальных точек, хотя наука вовсю оперирует ими для упрощения и построения моделей.

Как только мы попытаемся выделить какие-нибудь объекты в систему, сразу увидим, что система эта чем-нибудь обменивается со средой.

Например, назовём системой кастрюлю с водой. Почему бы и нет? Прекрасная система – вода и кастрюля! Замкнутая она? Да нет, в общем-то, она же активно соприкасается со средой. Из кастрюли, даже если она не на огне, а стоит на столе, постепенно испаряется вода, её молекулы вылетают в атмосферу. Если вода была очень холодная, она постепенно нагреется до комнатной температуры. А если была горячая, то остынет до комнатной температуры, отдав лишнее тепло воздуху. Открытая система! Может быть, включить в нашу систему ещё и кухню, чтобы сделать систему закрытой? Но кухня тоже не отрезана от мира. Сквозь форточку и щели в окне в кухню просачивается морозный воздух, выстуживая помещение, а по батареям циркулирует горячая вода, нагревая воздух в кухне. Очень даже открытая система с весьма активным обменом.

Тогда, может, взять в качестве системы дом или целый город, чтобы попытаться её замкнуть? Но тогда уж давайте возьмём весь земной шар! Правда, тут же окажется, что Земля получает массу энергии от Солнца, нагревается и освещается к удовольствию населяющей ее публики. Именно льющаяся на планету солнечная энергия обеспечивает тут жизнь, то есть существование и усложнение материальных структур. Эту энергию биосфера и люди преобразуют в усложнение организации, то есть пускают на накопление информации. Потому что усложнение системы есть не что иное, как накопление информации в системе. А энтропия – понятие, обратное информации.

Ещё раз: организация, порядок – это информация. А энтропия, то есть хаос, – размывание информации, потеря порядка. Если бы буквы в книге были расположены не в порядке, образующем смысл, а совершенно беспорядочно, хаотически, то никакой информации в ней бы и не содержалось. Нет порядка – нет информации, а есть только бессмыслица!

С Солнцем – источником энергии – понятно. Растения питаются или, если хотите, заряжаются ею. Каждый зелёный листочек улавливает солнечное излучение, благодаря которому в нем идут биохимические реакции, именуемые жизнью. С помощью энергии Солнца растение из воздуха и минеральных веществ, всасываемых корнями, строит себя. Минеральные вещества в почве – простые. Растение усложняет их под действием солнечной энергии, превращая, условно говоря, грунт в древесину и зелёную массу, то есть в живую ткань. Дерево по особой программе делает из неживого живое – себя – тратя на это энергию солнечного излучения.

Растениями питаются травоядные животные, пользуясь этой энергией, преобразованной в живую ткань. Травоядных, в свою очередь, пожирают хищники, пользуясь их живой тканью, как «солнечными консервами». И в самом деле, зачем медленно преобразовывать солнечный свет и неорганику (простые вещества) в зелёную массу и прочую морковку? Зачем, как это делают травоядные, преобразовывать траву в мясо своего тела, если можно сразу съесть мясо и облегчить себе жизнь? Хитрые хищники так и поступают – едят готовое мясо, чтобы из чужого организма строить свой. Но чем они, по сути, питаются? Они поглощают организацию вещества, сделанную до них. Пожирают сложность, деструкция, то есть разрушение которой высвобождает много запасённой энергии. На ней-то хищники и работают. Ловко устроились! Поэтому, кстати, у хищников, в отличие от травоядных, кишечник короткий – им не нужно дополнительное время на переваривание и преобразование травы в мясо, они едят уже готовое мясо.

Все жрут друг друга – вот так, в общих чертах, устроена биосфера, то есть живая оболочка нашей планеты.

(Помимо биосферы, есть ещё гидросфера Земли – её моря и океаны. Есть литосфера – суша. Есть атмосфера – газовая оболочка, воздух, которым мы дышим. И есть техносфера – искусственная среда, построенная людьми, в которой мы обитаем, как разумный вид. Это я вас на всякий случай информирую).

А теперь перенесёмся обратно в кухню, где на столе стоит наша кастрюля и, оказывается, не является замкнутой системой, хотя и прикидывалась. Давайте поставим ее на огонь! Включим газ и будем нагревать чертову посудину.

В этой ситуации система уже совершенно явно стала незамкнутой. Мы буквально силком закачиваем в систему кастрюля – вода энергию в виде тепла. Система откровенно открытая! И довольно простенькая, честно говоря. И что же мы видим даже в такой простой системе, где особо и меняться-то нечему, при активном нагнетании в эту систему энергии извне?

Там образуются активные, пусть и неживые, движущиеся структуры – кольцевые течения, которых раньше не было! Они называются конвекционными ячейками. В них циркулирует нагретая вода – сначала, поднимаясь, нагретые потоки воды отдают тепло в атмосферу в виде пара и таким образом охлаждаются, а затем снова уходят вниз греться. Так «живут» эти образования, так они рассеивают полученную тепловую энергию (рассеивание энергии называется диссипацией). Часть поступившей в кастрюлю энергии эти конвекционные ячейки сбрасывают (диссипируют) в окружающую среду, а часть тратят на себя, своё существование, свою работу. Они же ведь действуют, «живут», крутятся!

Рис. 7. Для простоты показаны всего три конвекционные ячейки в кастрюле, то есть три кольцевых потока воды, переносящих наверх поступающее снизу тепло. Научное название этих ячеек, к слову, – ячейки Бенара

По такому же принципу существуют и живые организмы. Разница между настоящей жизнью и «жизнью» ячеек в кастрюле – только в сложности диссипативных структур. Водяные потоки просты, а живая клетка очень сложна, но и она производит и рассеивает тепло в результате своей жизнедеятельности… Кстати, Пригожин, которого я упоминал выше, заметил и доказал одну интересную вещь. Оказывается, если в систему закачивать энергию, в ней образуются не просто новые структуры, но именно такие структуры, которые противятся наступлению хаоса, или, что то же, уменьшают общую энтропию. Другими словами, поступающая в систему энергия не рассеивается тупо в пространстве. Эти образования ее присваивают и тратят с максимальной эффективностью. А рассеивают совсем немного. Жадны до энергии!

На что же тратят эти структуры присваиваемую ими энергию? Да на свою жизнь! На поддержание себя в мире, который каждую секунду стремится их разрушить. Они постоянно, каждую секунду работают, чтобы противостоять второму началу термодинамики, которое стремится уничтожить любую сложность, любую организацию, рассеять информацию и превратить всё в хаос и бессмысленную кучу вещественного мусора.

Так работают ячейки Бенара – если не «кормить» их теплом горящего газа, они распадутся, им просто не на чем будет работать. А если человек перестанет есть и питать свое сложное тело энергией, то тоже умрёт и распадётся. У него не будет энергии на ежесекундную борьбу за свою сложность против уравнительного давления среды, за свою организацию, накопленную информацию, за свою выделенность из среды.

Живые системы находятся в устойчивом неравновесии со средой только до тех пор, пока борются за свою устойчивость – за свою жизнь. Бросили бороться – покатились вниз. А для борьбы нужна энергия. Ее живые системы добывают в этой самой среде, жестоко конкурируя друг с другом за добычу! Поэтому выживает и оставляет потомство лучший, сильнейший, самый приспособленный.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.