Биоразнообразие в биологии и энтропия в теории информации и термодинамике в сущности эквиваленты. Тропический лес со своим высочайшим видовым разнообразием имеет наибольшую энтропию: исследователь, гуляя по тропическим зарослям, не может предсказать, какое растение он встретит следующим.

Дарвиновская теория эволюции основана на принципе выживания наиболее приспособленных. В конкуренции с себе подобными выигрывает тот, кто лучше всего подготовлен к местным условиям жизни. Так постепенно наращивается ряд всё более приспособленных и сложных существ. Одна из фундаментальных претензий к этому логическому построению: последовательный ряд усложнений противоречит второму закону термодинамики. Действительно, если в закрытой системе энтропия всегда возрастает, то жизнь действует вразрез с физическими законами: она стремится уменьшить энтропию системы. Джон Уитфилд, научный журналист, работающий в Лондоне, знакомит читателей с теориями и опытами, которые помогают это противоречие преодолеть.

Возникновение сложного из простого — это, казалось бы, злостное нарушение второго закона термодинамики. Второй закон требует постепенного выравнивания градиентов, разупорядочивания элементов и увеличения энтропии в системе. Тем не менее жизнь так специально устроена, чтобы поддерживать градиенты, упорядочивать элементы и уменьшать энтропию. Эти принципы справедливы как для одного организма, так и для целых экосистем, биот, эволюционных последовательностей. Значит ли это, что жизнь действительно противоречит законам физики?

В 70-е годы прошлого века Илья Пригожин провозгласил и доказал принцип самоорганизации и усложнения неравновесных систем. Он показал возможность появления сложного поведения открытых систем в условиях постоянного притока энергии. А живые объекты как раз и являются именно такими открытыми системами с притоком энергии и материи. С тех пор прошло уже немало времени, но теории эволюции открытых систем пока не создано. По всей вероятности, причиной тому конфликт понятийного аппарата дарвиновской теории естественного отбора Дарвина и физики. Физические величины можно так или иначе подсчитать, а вот как подсчитать приспособленность? Эрик Смит (Eric Smith), физик из Института Санта-Фе (Santa Fe Institute, Нью-Мексико, США), предлагает новый понятийный аппарат для описания эволюции в частности и жизни в целом.

По его мнению, самоорганизующиеся системы — это особые машины для выравнивания градиентов. Он предлагает рассматривать жизнь как один из частных случаев такой конструкции для быстрого выравнивания градиентов. Если создается градиент каких-то условий, например температурный градиент от тропиков к полюсам, то создаются упорядоченные и предсказуемые атмосферные структуры, а проще говоря — ветер, который выравнивает этот градиент. И делает он это несравненно быстрее, чем если бы температура выравнивалась в статичной атмосфере. Так что сложные структуры, возникающие в системе с постоянным потоком энергии, сами по себе работают строго в соответствии со вторым законом термодинамики — выравнивают градиенты и увеличивают энтропию.

В этом отношении работа живых систем не отличается от работы систем физических или химических. Живые организмы призваны накапливать в себе энергию и рассеивать ее по пространству планеты, быстро избавляя ее от градиентов энергии и материи. Тем самым жизнь не только не противоречит второму закону термодинамики, но даже и всячески его подтверждает. И чем эффективнее организм фиксирует градиент материи и энергии (пищи, тепла, солнечной и химической энергии), чем быстрее он их усваивает и передает по пищевой цепи или просто рассеивает в пространстве, тем более уравновешенной становится система. Так, заросший пруд с водорослями и планктоном зафиксирует и передаст в систему планеты гораздо больше энтропии, чем резервуар со стерильной водой. А ведь эволюция как раз и направлена на то, чтобы создавать организмы, эффективно усваивающие и передающие дальше энергию и материю.

Таким образом, парадокс эволюции заключается в том, что, создавая сложные биологические системы, эволюция увеличивает общую энтропию планеты, а вовсе не уменьшает ее. В открытой неравновесной системе наиболее вероятным будет такое положение, которое наилучшим и наискорейшим образом уберет градиенты и увеличит энтропию. В связи с этим Эрик Смит задает риторический вопрос: не лучше ли обсуждать эволюцию не с точки зрения выживания наиболее приспособленных, а с точки зрения выживания наиболее вероятных? Ведь в нашей неравновесной системе с притоком энергии извне наиболее вероятной окажется конструкция, эффективно уничтожающая градиенты и работающая в русле второго закона термодинамики, то есть живая система. И отбор будет призван ориентироваться не на самых приспособленных, а на самых вероятных. И при этом останется столь же естественным (что же более естественно, чем второй закон термодинамики!), как и дарвиновский.

Ученые, работающие в русле этой концепции, уже начали публиковать свои первые исследования. Расчеты строятся на том базовом принципе, что система должна свести к минимуму использование энергии для создания максимума энтропии. В этом смысле живая система или ее отдельные элементы уподобляются текущей реке, пробивающей себе русло поудобнее, чтобы побыстрее вынести воду к своему устью. В рамках этой концепции была удачно смоделирована работа фермента АТФ-синтазы, ответственного за производство энергии в клетке — это работы Родерика Дьюара (Roderick Dewar) и коллег из Лаборатории экологии и физики окружающей среды в Бордо (при Французском национальном сельскохозяйственном исследовательском институте, INRA). С тех же позиций Адриан Бежан (Adrian Bejan) c коллегами из Университета Дьюка (Duke University, Дурхам, Северная Каролина, США) рассмотрел эволюцию способов локомоции у животных.

Сравнивая принципы поведения живых систем с неживыми, неизбежно упираешься в принципиальное различие. Ведь живые системы, какими бы они ни были — молекулой РНК, клеткой или целым сосновым лесом, — способны воспроизводить сами себя. Неживые лишены этой способности. Это различие может свести на нет все аналогии с термодинамикой в неорганическом мире. Однако Чарльз Лайнвивер (Charles Lineweaver), астроном и астробиолог из Австралийского национального университета в Канберре (Australian National University), считает проблему репликации жизни не более чем уловкой, следствием близорукости биологов в вопросах определения жизни. Почему, спрашивает он, мы считаем, что информация о системе должна храниться внутри самой системы? Это вовсе не обязательно. Например, рождение звезд зависит от состояния предшествующей генерации звезд, от того, какой они образовали набор элементов и как изменили гравитацию окружающей среды. Все зависит от условий среды: от того, какая вокруг имеется материя и сколько энергии; а где при этом хранится информация — не так важно. Важно, что переход от нежизни к жизни получается постепенный, и Лайнвивер надеется найти количественный параметр, описывающий поведение «далеких от равновесия диссипативных систем». А в эту категорию равноправно входят и ураганы, и зеленые растения. По словам Родерика Дьюара, у нас нет оснований придумывать одни физические законы для неживого, а другие для живого, как нет оснований придумывать одну химию для косной материи, другую для живой, — всеми процессами управляют единые потоки материи и энергии.

Источник: J. Whitfield. Survival of the Likeliest? // PLoS Biology. 2007, 5(5); doi:10.1371/journal.pbio.0050142.
Перевод: Елена Наймарк