Страница 79 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука - Философия на vuzlib.su
Тексты книг принадлежат их авторам и размещены для ознакомления Кол-во книг: 64

Разделы

Философия как наука
Философы и их философия
Сочинения и рассказы
Синергетика
Философия и социология
Философия права
Философия политики

  • Статьи

  • align=left style='text-align:left'>Жизнь возникает и существует потому, что увеличивает энтропию планет сверх предела неживого равновесия

    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 .

    Рис. 6.8.

     
    В результате для фото­химической энергетики жизни воз­никает па­радокс – её прин­ци­пы требуют дискретного значе­ния энергии (час­тоты) поглоща­емого кванта излучения. В пре­деле это есть поглощение из тер­ми­чески равновесного сол­неч­ного излучения спект­раль­­ной состав­ля­ю­щей в интервале частот, стремящемся к матема­ти­ческой точке на оси час­тот. Если бы это дейстивтельно так и было, то, во-пер­вых, предел вели­чи­ны энергии, используемой при таком спект­ре пог­ло­щения, стремился бы к нулю; во-вторых, фото­синте­зи­ру­ющая энергетика жизни была бы осуществлён­ным “Демоном Макс­велла”. Со вторым при­ми­­риться можно, но первое сильно снижает к.п.д. исполь­зования сол­нечной энер­гии. Поэтому по­г­лощение энергии солнечного из­лу­чения долж­но происходить в ши­ро­ком диапа­зо­не час­тот, что противоречит тре­бо­ва­ниям и возможностям хи­ми­чес­ких со­с­тавляющих цик­лов.

    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).

    Рис. 2.13.

     
    В результате возникает цикл, проиллюстрированный на рис. 6.9. Излучение Солнца поглощается хло­рофиллом в составе “машины” 1 (в приближенном пределе как равно­вес­ное). С учётом “раз­мена” энергии пог­лощённых квантов это аналогично по­то­­ку теп­ла от Солн­ца, проходящему че­­рез рас­тения. Этот поток Qsun реа­ли­зуется при тем­пе­рату­ре излучения sun .

    Рис. 6.9.

     
    “Машина” 1 получает из окру­жа­ющей среды углекислоту и воду.  По­­глощённые кванты излучения с энер­гий h, взаимодействуя с хлоро­филлом и подсти­лающими его по­верх­ностями, отдают часть своей энер­гии. При этом их частота   умень­ша­ется. Конкретной дис­крет­ной час­то­те кван­та R <  (меньшей, чем в максимуме равновесного тепло­во­го рас­пре­де­ле­ния для излучения Солнца  соответствует иници­ро­вание ре­ак­ций в активном центре (видимый свет – интервал частот в максимуме план­ков­ского закона излучения чёрного тела при температуре Солнца). Их ре­зультатом является выделение в ат­мо­сфе­ру кислорода (­источник ко­то­ро­го есть вода), синтез углеводов и произ­вод­ство энергии для метабо­лиз­ма в количестве 470 кДж/моль [122].

    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.





     
    polkaknig@narod.ru ICQ 474-849-132 © 2005-2009 Материалы этого сайта могут быть использованы только со ссылкой на данный сайт.