Сотворение мира и второй закон термодинамики

 

Дело не только в Кене Хэме и его «Ответах Бытия». На протяжении многих лет я слышал множество аргументов против эволюции от людей, которые считают ее нежелательной по религиозным или эмоциональным, или философским соображениям. Зачастую эти споры сводятся к простому, тупиковому аргументу от недоверия: «Это не может быть правдой, потому что мне трудно поверить, что это правда». Но иногда креационисты занимают более интересную, вдохновленную наукой линию нападения и утверждают, что эволюция не является физически возможной, поскольку ни одна система не может с течением времени естественным образом постоянно усложняться. Если конкретнее, то они говорят о противоречии между эволюцией и одним из самых глубоко укоренившихся научных принципов – вторым законом термодинамики.

В общепринятой формулировке второй закон гласит: шар, отпущенный с горы, никогда не покатится в гору сам. Иными словами, любая энергия стремится рассредоточиться: тепло рассеивается, а озера в теплый летний день сами не замерзнут. Креационисты считают, что человеческий род был также отпущен с горы в момент грехопадения, когда наши предки Адам и Ева немного сплоховали. Услышав о втором законе термодинамики, креационисты воскликнули: «Ага! Видите? Весь наш мир – это машина, несущаяся вниз – к смерти».

Между прочим, есть еще первый и третий законы термодинамики и даже нулевой закон. Но хотя они по‑своему хороши, в обличительных речах креационистов они не фигурируют.

Несомненно, действие второго закона термодинамики вносит свой вклад в общее движение мира к упадку. Это объясняет невозможность создания вечного двигателя. Любой двигатель в любой машине будет терять какое‑то количество энергии на свое прогревание. Любое действие и событие требует энергии извне. Неопровержимая формулировка такого положения вещей принадлежит известному астроному XX века Артуру Стэнли Эддингтону: «Закон возрастания энтропии – второй закон термодинамики – занимает, я думаю, высшее положение среди других законов природы. Если кто‑нибудь указывает вам, что ваша любимая теория Вселенной находится в несоответствии с уравнениями Максвелла – тем хуже для уравнений Максвелла. Если обнаруживается, что она противоречит результатам наблюдений – ничего, экспериментаторы тоже иногда ошибаются. Но если обнаружится, что ваша теория противоречит второму закону термодинамики, вам не на что надеяться, вашей теории не остается ничего другого, как погибнуть в глубочайшем смирении».

Необязательно знать уравнения Максвелла, чтобы понять, что имеет в виду Эддингтон (просто для вашего сведения – эти уравнения описывают природу света, электричества и магнетизма). Основная идея заключается в том, что второй закон термодинамики математически описывает рассеивание энергии в окружающее пространство в любой системе. Этот закон имеет фундаментальное значение для функционирования всего мира природы. Поскольку энергия непрерывно рассеивается, любой процесс постепенно будет сводиться на нет, и так до полной его остановки. Вероятно, теперь вы понимаете, почему креационисты утверждают, что второй закон не дает эволюции никаких шансов на усложнение форм жизни. Разве живая система могла бы оставаться системой, если бы все ее движущие силы постоянно рассеивались и растворялись в безбрежном сумраке Вселенной?

Имея диплом инженера машиностроения и обладая достаточным пониманием физических закономерностей, я поистине очарован этим специфическим аргументом креационистов, поскольку, с одной стороны, он по‑научному изящен, но вместе с тем абсолютно дезориентирован. Самое важное, о чем нужно знать, это то, что второй закон относится только к закрытым системам, таким как цилиндр в двигателе автомобиля, а Земля даже отдаленно не может считаться закрытой системой. Здесь постоянно происходят перемещения материи и энергии. Жизнь здесь не что иное, как вечный двигатель, и уж никак не шар, неумолимо катящийся вниз.

Существует три основных источника энергии для жизни на Земле: Солнце, внутренняя энергия Земли, образующаяся в результате деления атомов ее ядра, и вращение самой Земли. Эти источники обеспечивают нас энергией день за днем. Больше всего энергии производит Солнце. Оно представляет собой термоядерный реактор, каждую секунду выпускающий в космос 1026 Вт (1026 Дж) тепловой энергии. Ядро Земли также образует тепловую энергию. Вращение нашей планеты перемешивает энергетические потоки и добавляет ускорения ветру и волнам. Итак, как вы видите, мир, в котором мы живем, даже отдаленно не напоминает закрытую систему. Все экосистемы нашей планеты в конечном счете работают на непрерывном внешнем источнике света и тепла.

Энергия Солнца накапливалась Землей на протяжении четырех с половиной миллиардов лет. Живые организмы, от амебы до секвой, должны были приспособиться так, чтобы оптимально использовать всю эту энергию и не позволить другим организмам, возможно, использующим эту энергию более эффективно, вытеснить себя.

Второй закон устанавливает границы; это правила, по которым нам всем приходится играть. Начать с энергии, потраченной на изучение эволюции, – это отличный способ понять жизнь. Что же делают живые организмы со всей этой энергией? Мы используем ее, чтобы создавать химические системы, которые подчиняются второму закону термодинамики. Но второй закон находит отражение во всех областях нашей жизни. Когда вы крутите педали велосипеда, в соединениях цепи и подшипниках педалей и шатунов возникает трение. При трении выделяется немного тепла. Куда девается это тепло? Оно уходит во Вселенную. Правда. Оно рассеивается по всему миру и в конечном счете распространяется в космосе без какой‑либо возможности его восстановления. Тенденцией энергии к распространению в природных системах, пожалуй, можно было бы объяснить, каким образом в комнате ребенка возникает такой беспорядок.

Современный мир механизмов работает на тепловой энергии – работа механизмов также ограничена вторым законом термодинамики. Автомобильные двигатели, турбины реактивного самолета, угольные электростанции – все это использует тепло, выделяемое при горении для того, чтобы что‑то поехало, закрутилось, задвигалось. Тепло выделяется в результате химической реакции. То же самое верно и для нас, животных. Вместо огня, полученного путем соединения углеродного топлива с кислородом, в нашем животе работают ферменты, которые позволяют химическим веществам, содержащимся в нашей пище, соединиться с кислородом и создать химическую энергию. Неважно, о чем идет речь, о турбовинтовом двигателе или крикете, – мы все должны производить немного больше энергии, чем мы можем использовать. Мы отдаем некоторую долю нашей энергии Вселенной; к этому нас обязывает второй закон термодинамики.

Время от времени люди задаются логичным вопросом: если тепло постоянно рассеивается, не может ли космос остыть до такой степени, что нигде и ничего уже просто не сможет двигаться? Не грозит ли Вселенной тепловая смерть (иногда называемая «Великим замерзанием»)? Даже если подобное случится, то произойдет это в невообразимо далеком будущем. Вселенной 13,8 млрд лет, и для нас, к счастью, все только начинается.

Теперь вернемся к тем креационистам, которые как безумные продолжают настаивать, что поскольку тепло рассеивается, а беспорядок только увеличивается, Земля и все живущие на ней постепенно движутся к упадку. Они абсолютно не правы в том, что второй закон ставит крест на усложнении живых организмов, ибо они путают (или подтасовывают?) условия открытости или замкнутости систем. Тем не менее их заявления только идут эволюционной теории на пользу – ведь, анализируя расход энергии через призму второго закона, можно приблизиться к самому пониманию эволюции. Благодаря этому анализу можно увидеть, каким образом живые организмы используют доступную им энергию. Я надеюсь, вы внимательно читаете мою книгу и сможете узнать еще больше об этой особенной идее в следующей главе, а также в главах 29 и 35. Продолжайте читать.

Эволюция отнюдь не случайна; она – противоположность случайности. Один из самых важных выводов Дарвина заключается в том, что естественный отбор является средством, с помощью которого небольшие изменения постепенно усложняют организм. Вид сохраняет полезные модификации, передавая их каждому новому поколению. Мутации, которые не приносят пользы, либо исчезают вместе с организмом, либо вытесняются другими мутациями, проявляющимися в последующих поколениях потомства. В процессе эволюции положительные изменения накапливаются.

Основная энергия, необходимая для развития этих полезных мутаций, исходит, прежде всего, от Солнца и раскаленного ядра Земли. Разлагающиеся органические вещества, потребляемые живыми существами, обеспечивают их химической энергией для каждой новой полезной мутации. И каждое последующее поколение может сочетать в себе все ранее приобретенные полезные мутации. Механизм усложнения вида заключается в появлении потомства. Каждое поколение, приведшее к появлению любого отдельного организма, использовало энергию Солнца, чтобы обеспечить себя питанием и теплом.

Никоим образом не противореча второму закону термодинамики, эволюция, наоборот, служит его серьезной проверкой. Соглашаясь с тем, что течение жизни отвечает второму закону термодинамики, мы только подтверждаем неслучайный характер эволюции, где выживание живых организмов направлено и обусловлено конкуренцией. Жизнь работает на энергии, эволюция также работает на энергии. Система, которая позволяет использовать энергию, практически сама служит определением жизни. Существует один интригующий момент в отношении термодинамической энергии и жизни; мы вернемся к нему в 35‑й главе. Все организмы земной экосистемы расходуют энергию сообща, конкурируют между собой, создают новые виды. Именно общность и взаимодействие делают жизнь такой причудливой, они направляют энергию к бабочке и арабидопсису (первое растение, для которого была расшифрована вся цепочка генома), к медузе и человеку.

Это то, что делает креационистскую точку зрения не только удивительно неверной, но, к сожалению, весьма ограниченной. Обращаясь ко второму закону термодинамики, они берут в руки мощный инструмент для познания мира и вместо использования по назначению стараются превратить его в барьер для понимания. Но нет худа без добра. Знакомя людей с фундаментальными особенностями природы, описанными во втором законе термодинамики, креационисты реально могут вдохновить их на более глубокое изучение механизма эволюции.

 

Восходящая модель

 

Учась на последнем курсе университета на факультете механической инженерии, я оказался в компании «Боинг», которая пригласила меня для разработки модели «Боинг–747». Поверьте, начальников надо мной там было более чем достаточно. Как и большинство коммерческих предприятий, компания «Боинг» была организована по нисходящей модели. Она была основана самим Биллом Боингом; он нанял людей, которых выбрал сам, сам выделил им рабочее место со столами и чертежными досками, тем самым создав свой бизнес по нисходящей модели. По сей день «Боинг» сохраняет эту структуру, во главе которой находятся генеральный директор, президент, совет директоров и председатель правления. Такая структура знакома всем, кто работал или сотрудничал с крупными корпорациями. Эта структура – причина многих популярных заблуждений относительно процесса эволюции.

В организации, управляемой сверху вниз, все следует цепи инстанций (или порядку соподчиненности). В вашем офисе наверняка имеется такая схема, демонстрирующая цепочку подчинения: сверху босс, ниже прослойка топ‑менеджеров, еще ниже – менеджеры среднего звена, в том числе управляющие магазинов, бригадиры и в самом низу – начинающие сотрудники. Ту же картину можно наблюдать и в других видах иерархических групп. Если вы учитесь в школе – значит, над вами есть директор или завуч. Университеты ломятся от ректоров, деканов, заведующих кафедр, кураторов, профессоров и ассистентов.

Природа также следует организационной схеме, но она разительно отличается от нашей – и здесь может возникнуть путаница. Люди любят организовывать вещи по нисходящей модели; многие из нас резонно предполагают, что все на свете организовано именно так. Но природа движется в обратную сторону. В естественном порядке вещей изменения, произошедшие в прошлом, являются единственным определителем того, сохранится в будущем та или иная особенность организации или нет. В этом нет никакого планирования. Если бы у природы был свой менеджер, то его непыльной работе можно было бы только позавидовать – делать на работе ему было бы решительно нечего. В природе царит самоорганизация. Это еще один способ определения эволюции: экосистемы природы, во всем их сложном великолепии, организованы по восходящей модели.

Глядя на природу с человеческой перспективы «сверху вниз», может возникнуть ошибочное ощущение преднамеренного планирования. Сейчас объясню, что я имею в виду. Допустим, вы начали свой бизнес и ваша организация вполне успешна для того, чтобы вы могли нанять несколько человек. Ваш бизнес растет, и пока он растет, он становится все более сложным и требует все больше энергии. Нужно больше компьютеров. Больше телефонов. Вам нужно больше оборудования и больше электроэнергии, чтобы обслуживать все эти аппараты, от ксероксов до сельскохозяйственных мелиораторов. Все это оборудование и все эти люди должны быть четко организованы. Чем сложнее становится вся система, тем большая структура ей необходима. Энергия для организации системы и ее дальнейшего роста поступает извне – из‑за пределов компании. Если вы продаете вещи или услуги, рост вашего бизнеса обусловлен окружающей средой: в данном случае деньгами, потраченными вашими клиентами.

В природе живые организмы также зависят от окружающей их среды. Мы получаем энергию, скрывающуюся в химических соединениях нашей пищи; растения в основном получают энергию от солнечных лучей; некоторые экосистемы работают на геотермальном или вулканическом тепле. Если рассматривать человеческие и природные системы с точки зрения энергии, обе структуры имеют довольно много общего. Тем не менее между ними существует большая разница. Любые решения, которые вы принимаете для того, чтобы создавать и управлять вашим бизнесом, основаны на том, какими ресурсами вы располагаете, и тем не менее это ваши решения. Вы формируете свою структуру таким образом, чтобы совершать определенные покупки, нанимать определенных людей, составлять определенные документы, подготавливать определенную документацию. Ваша компания или бизнес становятся все более сложными, потому что вы сами решаете сделать их таким.

В природе живые существа также имеют возможность становиться все более сложными, используя ресурсы из окружающей среды, но такое решение не имеет отношения к сознательному выбору, а появляется вследствие конкуренции между живыми существами. Это один из основных механизмов эволюции Дарвина: естественный отбор. Химические вещества, расположенные вдоль цепочки молекул ДНК, организованы таким образом, что молекула может создавать свою же копию. Молекулы, получившиеся в результате такого копирования, оказываются неидеальными. То же можно сказать о разнице между оригиналом документа и его копией, изготовленной с помощью ксерокса, – в природе очень сложно создать идеальную копию чего‑либо. Эти небольшие изменения в ДНК, которые появляются на стадии развития организма, не слишком отличают получившихся особей от их родителей. Но они создают изменения во всей популяции. Эти изменения могут помочь организму выжить и в конечном итоге успешно размножиться или могут препятствовать размножению, а могут вообще остаться незаметными. Поэтому нам и кажется, что эти изменения являются результатом сознательных либо умышленных действий, хотя на самом деле они таковыми не являются.

Изменения, помогающие размножению организма, сохраняются в его потомстве; полезные изменения передаются дальше в ДНК. Когда потомство, в свою очередь, появляется на свет, оно уже несет в себе полезный признак, и в дальнейшем это помогает ему произвести свое потомство. Изменения, которые мешают организму, удерживают некоторую долю популяции этого организма от размножения. Так, препятствующие изменения не передаются дальше; они исчезают из будущих версий ДНК организма. Изменения, которые не обнаруживают заметных отличий, никак не отражаются на организме. Они просто передаются дальше.

В общем, когда организм получает доступ к энергии, этот ресурс помогает ему выживать и размножаться. Поступающая энергия (с пищей или солнечным светом) может создавать и управлять благоприятными изменениями, которые способны привести к дальнейшему усложнению организма потомков этих живых существ. После того как Чарлз Дарвин осознал эту взаимосвязь, он понял, как грандиозна эта идея.

Попробуйте сопоставить природные системы со структурами, созданными человеком, такими как корпорация. Пока кто‑то не сделает соответствующий выбор, полезных изменений в компании едва ли можно ожидать. Очень немногие изменения происходят органически, то есть автоматически, со стороны организации. А так – кто‑то должен вмешаться, принять на работу или уволить, инвестировать или лишить имущества, купить или продать – иначе ведь ничего не произойдет. Конечно, автоматическое усложнение системы невозможно. Можно сказать, что организации у людей полностью зависят от умелого конструктора.

Пока корпорация разрастается, ее подразделения добавляют свои системы, наращивают документацию, бланки и всевозможные предписания, делая все возможное, чтобы добиться успеха. В какой‑то момент может появиться директор, который увидит, что руководители филиалов перегружены, менеджеров среднего звена слишком много, а подчиненных у них слишком мало. Он также может прийти к выводу, что в организации чересчур много документации, а в архивах наблюдается избыточное хранение. В результате директор проводит определенные сокращения и пытается упорядочить всю систему.

В эволюции все работает совсем не так. Если система сдерживает организм и не дает ему размножаться, этот организм просто не передаст свои гены следующему поколению. Никто не должен ничего решать. Хотя изменения в генах обычно происходят случайным образом, поколение, получившее этот ген, зависит от любых факторов, но только неслучайных. Неважно, сложилась ли правильная комбинация генов или нет. Неважно, остался ты в игре или нет. Мы называем это селективным давлением или давлением отбора; именно оно определяет, какие гены пройдут, а какие – нет.

Многие креационисты и противники науки, особенно в Соединенных Штатах, называют случайность частью эволюционного процесса, продолжая настаивать на том, что богатую комплексность жизни нельзя объяснить эволюцией, ибо она – случайное явление. По сути, это еще одна форма «термодинамического» аргумента, о котором я говорил в предыдущей главе. Креационисты часто используют пример гипотетического торнадо, путь которого лежит через свалку с деталями моей любимой модели «Боинга‑747» (иногда его называют «аргументом с торнадо на свалке»). Каковы шансы, спрашивают они, что в конечном итоге мы получим идеально собранный самолет, да еще и в рабочем состоянии? Очевидно, шансов нет, поскольку такая сборка была бы обусловлена лишь случайной компоновкой деталей.

Проблема этого аргумента в том, что предпосылка в нем ложная. Эволюция и отбор при размножении, которым управляют достойные гены, являются полной противоположностью случайности. Это сито, которое живые организмы должны успешно преодолеть, в противном случае мы больше никогда их не увидим. В компании «Боинг», как, впрочем, и в любой другой компании, существует давление отбора, которое отчасти работает как естественный отбор. Существует конкуренция между авиакомпаниями. Клиенты и авиакорпорации, которые платят за самолеты миллиарды долларов, хотят, чтобы их аппараты были эффективными. Они хотят, чтобы их самолеты использовали меньше топлива, чтобы были простыми в обслуживании и более экономичными в целом – ведь они отдают за них такие огромные деньги. В результате менеджеры, инженеры, машинисты, дизайнеры интерьеров, эксперты по эргономике – все они работают над тем, чтобы сделать самолеты быстрее, лучше и дешевле.

Будучи студентом инженерного института, я узнал от своего профессора аэронавтики, что винглеты (концевые крылышки) – это просто трюк, пустая трата времени и энергии. (Вы их видели. Винглеты – это такие маленькие вертикальные элементы на кончиках крыльев современных авиалайнеров.) Самолеты и птицы умеют летать, потому что давление воздуха под крылом выше, чем давление воздуха над ним. Как правило, это результат небольшого запрокидывания передней части крыла, открывающего так называемый угол атаки. Это работает как для «Боинга‑787», так и для сов‑сипух. Более высокое давление под крылом создает закручивающийся поток воздуха вокруг кончика крыла. Когда самолет или сова движутся по воздуху, они оставляют за собой этот закрученный поток воздуха. Это закручивание требует определенной энергии, а значит, снижает, хоть и незначительно, процент эффективности самолета или птицы. Винглеты блокируют большую часть такого закручивания, тем самым повышая эффективность потребляемой энергии, но зато увеличивая вес самолета. Мой старый профессор предложил нам провести анализ эффективности, подразумевая, что крылья и винглеты выполнены из алюминия. Чего мы не учли, по крайней мере в первый раз, так это использования более легкого и прочного композитного материала – пластика.

Сегодня винглеты на самолетах изготавливаются из композитного пластика. И это пример эволюционного давления отбора. Это результат рыночных факторов, но, тем не менее это по‑прежнему остается решением, принятым человеком. Компания, проигнорировавшая эту технологию, в конечном итоге рискует значительно снизить свои продажи и просто‑напросто выйти из бизнеса. Итак, винглеты являются результатом бесчисленных часов исследований и изысканий. Они являются следствием управленческих решений, инженерного анализа и развития навыков производителей.

Удивительная вещь: у сов тоже есть нечто наподобие винглетов. Доказательств того, что они были разработаны преднамеренно, конечно же нет. Появление винглетов у сов – это результат размножения тех особей, на крылышках которых были небольшие перышки, подавлявшие завихрения воздуха у края крыла чуть лучше, чем у других представителей этого вида. Эта особенность передавалась из поколения в поколение, не нуждаясь в какой‑либо организационной схеме.

Не так уж трудно представить себе корпорацию, существующую на протяжении очень долгого времени, где путем найма и увольнения сотрудников в штате остались только самые лучшие работники – пропустив через себя миллионы соискателей, компания станет лучшей в своем сегменте. За всю историю компании «Боинг» и в самом деле нанял около миллиона работников, ведь компания была основана почти 100 лет назад; но времени на разработку того, на что способна природа, у «Боинга» не было даже рядом. Тем не менее мы видели принцип работы обеих моделей – нисходящей и восходящей. Разнообразные варианты конструкции самолета отвергались по нисходящему принципу, подобно эволюционному отбору, проходящему в свою очередь по восходящей модели, при этом конечный результат, и это неудивительно, продемонстрировал схожесть с эволюционным решением. Правда, конструкции самолетов создавались человеческим мозгом и в человеческой организации, работающей по нисходящей модели, с нуля.

Мы довольствуемся тем, что имеем в результате эволюции, и это позволяет нам создавать нисходящие модели обустройства нашего мира. Мы пользуемся мозгом, данным нам эволюцией, чтобы летать на самолетах, и прибегаем к воображению, чтобы парить в облаках. Мы сами являемся результатом эволюции, и оттого наши творения одновременно и неидеальны, и великолепны. Это замечательно.