Доказательства эволюции

Тем не менее, термодинамика внесла в картину мира одну принципиальную деталь: в отличие от классической механики, которой все процессы были обратимы во времени, второе начало термодинамики утверждает направление «стрелы времени» — от прошлого к будущему. Несмотря на почти мистическое и фаталистическое отношение неспециалистов ко второму началу термодинамики (мол, оно предопределяет тенденцию к «порче» мира и превращению его в хаос) это начало есть простое следствие из принятого в статистической физике постулата о равновероятности элементарных состояний сложной системы. Поскольку в неупорядоченной системе число элементарных состояний больше, чем в упорядоченной (наглядный пример: выстроить 10 томов собрания сочинений Пушкина по порядку можно лишь единственным образом, а в беспорядке их можно тасовать 10! = 1 * 2 * 3 * … * 10 = 3 628 800 раз), то при равновероятности изменения элементарных состояний в замкнутой системе, не обменивающейся энергией с внешней средой, вероятность увеличения упорядоченности ничтожно мала.

Тем не менее, опыт показывает, что не каждая в мире система стремится к «хаосу» и «порче». Та же классическая термодинамика зародилась как наука о тепловых машинах, которые преобразуют хаотичное движение микрочастиц в упорядоченное движение поршней, валов и колес. Действуя подобным образом, тепловые машины, разумеется, не нарушают второе начало: они преобразуют в полезную работу не всю хаотичную внутреннюю энергию рабочего тела, а только часть ее. Кроме того, такие машины способны работать только потому, что они потребляют энергию химических связей топлива (сгоревшее состояние для топлива энергетически выгоднее несгоревшего).

Так работает и двигатель вашего автомобиля, и холодильник в вашем доме, и огнестрельное оружие. Подобно тепловым машинам, биологические системы являются ни чем иным, как устройствами, потребляющими энергию Солнца и земных недр и преобразующими ее в упорядоченную эволюцию живого вещества. Так работает и рибосома, и митохондрия, и клетка, и каждый живой организм, и биогеосфера Земли в целом, являясь машиной эволюции видов. Более того, по принципу тепловых двигателей работают не только изделия человеческих рук и живые существа. Такие объекты неживой природы, как конвективные ячейки (см.: ячейки Бенара), морские течения, сезонные ветры, циклоны и т. д. тоже преобразуют хаос в порядок.

Однако нарушения второго начала термодинамики в этом нет. Дело в том, что упорядочение строения материи в ходе работы тепловых двигателей происходит только в ограниченной области пространства и только на ограниченное время. Во внешней по отношению к рабочему телу среде энтропия увеличивается, так что суммарная энтропия системы «рабочее тело плюс внешняя среда» все равно возрастает, в соответствии со вторым началом. Кроме того, тепловые двигатели могут работать, только потребляя энергию от внешних источников, то есть они не вечны.

Дж. Максвелл

, рассуждая над вторым началом термодинамики, ввел понятие демона Максвелла — устройства, которое могло бы сортировать молекулы газа по скоростям и тем самым понижать энтропию в сосуде. В настоящий момент ясно, что «демон Максвелла» возможен (более того, все тепловые двигатели являются по сути такими «демонами»), однако он в процессе работы должен потреблять энергию из внешнего источника и диссипировать (рассеивать) ее в среду, тоже внешнюю по отношению к газу в сосуде.

Часто даже в школьных учебниках и научно-популярных книгах на вопрос, для каких систем справедливо второе начало термодинамики, отвечают неверно: оно якобы справедливо только для закрытых систем. Такой ответ путает понятие закрытой системы, за пределы которой невозможен обмен

веществом, и системы изолированной, за пределы которой невозможен обмен энергией

. Все изолированные системы закрыты, но не все закрытые — изолированы. Второе начало термодинамики, запрещающее уменьшение энтропии изолированной системы, не запрещает такового у системы неизолированной, хотя бы и закрытой. (Понятно, что наша Земля и ее биосфера изолированной системой отнюдь не является). Причина указанной путаницы, по-видимому — все то же недопонимание между специалистами разных профессий, в данном случае физиками и химиками. В то время как физики мыслят категориями термодинамики, которая уделяет основное внимание превращению энергии внутри системы, для химиков, как правило, важнее кинетика, которую интересуют в первую очередь превращения вещества.