Биология в новом свете: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Термодинамика — это выдающееся создание человеческого ума. В ее основе лежат несколько "само собой разумеющихся", эмпирически установленных истин, на которых воздвигнуто логически стройное, надежное и устойчивое здание высшей абстракции. С высоты этого здания, построенного из "математических блоков" на фундаменте точного эксперимента, нам открываются далекие горизонты познания.

Здесь мы не можем останавливаться на частных разделах термодинамики, их развитии и современном состоянии. Однако для понимания общих закономерностей этого и не нужно. Вполне достаточно общего обзора, но нам придется начать издалека.

Сначала о "само собой разумеющемся", о фундаменте термодинамики, о том, что называют "основными законами". Два из них, известные как первое и второе начала термодинамики, особенно важны. Мы попытаемся передать смысл этих законов, не прибегая к математически строгим определениям. Их можно сформулировать следующим образом:

1. Существует нечто, называемое нами "энергией". Энергия обладает следующими свойствами: она не может возникать из ничего, равно как и бесследно исчезать; она существует в различных формах и может переходить из одной формы в другую.

2. Все процессы в окружающей нас природе развиваются в определенном направлении. Самопроизвольные (спонтанные) процессы в замкнутых, или изолированных, системах всегда протекают так, что из всех возможных состояний достигается состояние, характеризующееся максимальной неупорядоченностью.

Это не строгие формулировки, а попытка изложить основные законы термодинамики в наиболее доступной для понимания форме.

Оба начала термодинамики — первое, которое называют также законом сохранения энергии, и второе, позволяющее говорить о возможном направлении самопроизвольных процессов, — послужили исключительно плодотворной почвой для проведения многих расчетов. Первое начало исключает возможность существования вечного двигателя первого рода, т. е. провозглашает бессмысленной давнишнюю мечту людей о машине, которая сама себя непрерывно приводила бы в движение и производила бы при этом полезную работу.

Второе начало также чрезвычайно важно, а сфера его действия столь велика, что это трудно себе представить. Каждый знает, что порядок, если его постоянно не поддерживать, непременно нарушается, — система приходит в неупорядоченное состояние. А что при этом происходит с энергией? Если, например, высокая башня, сложенная из кирпичей, обрушится, то в результате, конечно, освободится энергия. Но такая упорядоченная система, как башня, вряд ли может возникнуть сама по себе из груды набросанных кирпичей даже в том случае, если средняя потенциальная энергия кирпичей в груде и в башне одинакова.

Вечный двигатель второго рода. Электростанция работает за счет охлаждения речной воды, превращая отобранное тепло в электроэнергию. Такой электростанции не может быть, поскольку самопроизвольное охлаждение тела ниже температуры окружающей среды исключается вторым началом термодинамики. Чтобы использовать тепловую энергию воды, необходимо иметь горячий источник

Взаимосвязь упорядоченности и энергии, о чем мы говорили в предыдущем абзаце, была установлена Людвигом Больцманом лишь через много лет после того, как было открыто второе начало термодинамики. Этот закон играет в биофизике исключительно важную роль, на чем мы остановимся подробнее в дальнейшем. Сейчас же обсудим энергетическую сторону этого закона. Второе начало термодинамики исключает возможность существования вечного двигателя второго рода, т. е. машины, которая отнимает у какого-либо тела тепло и превращает его в полезную энергию, например электрическую.

Покажем это на примере. Температура воды в реке летом около 20° С, в то время как летний воздух несколько теплее. А нельзя ли построить на реке электростанцию, в которой вода охлаждалась бы до 10° С, а полученная тепловая энергия превращалась бы в электрическую? Вблизи такой электростанции приятно было бы отдохнуть от летней жары, а через несколько километров ниже по течению вода в реке снова приобретала бы нормальную температуру. Первое начало термодинамики здесь удовлетворяется. Электроэнергия получается не из ничего, а из тепловой энергии речной воды. Казалось бы, все в полном порядке! Тем не менее такой электростанции нет и быть не может. Второе начало термодинамики запрещает подобное направление протекания самопроизвольного процесса.

Следует отметить, что тепловая энергия занимает особое место среди всех прочих видов энергии. Энергия любого вида — будь то электрическая, химическая, механическая и т. п. — может целиком превращаться в тепловую энергию. Тепловая же энергия превращается в другие виды энергии только тогда, когда существует разница температур. Но даже и в этом случае возможно лишь частичное преобразование энергии. Впрочем, это вещь очевидная, однако и она отражена во втором начале термодинамики. Каждый из нас замечал, что чай в стакане охлаждается, то есть его тепло передается окружающей среде. Однако никому не приходилось наблюдать, чтобы чай в стакане нагрелся за счет окружающего тепла до температуры выше комнатной!

Температура тела всем известного воробья ТТ = 41 °С. Она выше температуры внешней среды, равной, скажем, ТВ = 10 °С. Такой перепад температур вызывает постоянную потерю тепла, или, говоря языком термодинамики, рассеяние энергии

Можно привести множество подобных примеров. Но естествознание не сводится к одним только рассуждениям; его задача — найти точные математические решения тех или иных вопросов, а для этого необходимы точные определения, величины, зависимости. Выдающимся достижением физики нашего века следует считать то, что ей удалось выразить в формулах основные положения термодинамики и обеспечить тем самым возможность проведения точных расчетов. Но прежде чем перейти к формулам, нужно найти параметры, которыми можно оперировать и которые можно надежно измерять.

Проблема начинается уже с определения понятия энергии. Что это такое? Как ее измерять? Какие явления в окружающем нас мире можно охарактеризовать этим словом? Чтобы ответить на эти вопросы, следует сначала ясно представить себе, какими свойствами должна обладать энергия. Мы говорили, что существуют различные формы энергии и их необходимо измерять, суммировать, сопоставлять друг с другом. Энергия должна быть параметром, определяющим состояние системы независимо от того, как это состояние достигнуто. Энергия должна быть такой же характеристикой состояния системы, как, например, высота расположения тела над уровнем моря, температура, электрический заряд, внутреннее давление и т. д.

Однако мы рискуем слишком уклониться от наших целей и потому постараемся быть краткими.

Итак, поверим на слово, что физикам действительно удалось установить такие энергетические параметры системы, которые можно измерять и с которыми можно проводить различные расчеты.

К сожалению, мы еще не покончили с теорией. Для того чтобы второе начало термодинамики сформулировать количественно, наряду с энергетическими параметрами, характеризующими состояние системы, необходимо еще одно важное понятие. Около 100 лет назад Клаузиус ввел величину, которая могла бы служить качественной мерой тепла. Он назвал ее энтропией. Позже Людвиг Больцман связал ее с понятием вероятности и тем самым с упорядоченностью. Термин "энтропия" часто понимают и используют неправильно. Поэтому мы будем употреблять его как можно реже и только там, где его можно наглядно представить. Просто отметим, что энтропия — это величина, изменение которой определяет направление любого самопроизвольного процесса в замкнутой системе. Эти процессы протекают всегда так, что энтропия системы увеличивается. Данное положение можно рассматривать как еще одну формулировку второго начала термодинамики.

Размерность энтропии — калория/градус (температура измеряется по шкале Кельвина), отсюда ясно, что произведение энтропия X температура = тепло. Это тепло — своего рода дань, которую система отдает окружающей среде при каждом акте преобразования энергии. Любой электромотор при работе становится теплым, бензиновые моторы требуют охлаждения, тормоза нагреваются. Каждый процесс преобразования энергии в системе сопровождается выделением в окружающую среду тепла, которое система теряет безвозвратно.

Но не пора ли, наконец, перейти от физики к биологии? Ведь читатель уже может с полным правом спросить: "Что же все это означает?" Наш собственный повседневный опыт поможет нам сделать этот переход. Кто из нас не чувствовал, как тело выделяет тепло, когда, потея, влезал на гору, колол дрова или копал землю? Именно такие наблюдения заставили ученых пристальнее взглянуть на потерю энергии живым организмом и изучить этот вопрос экспериментально.

С помощью такого ледяного калориметра Лавуазье и Лаплас в 1780 г. определяли образование тепла у морской свинки. Тепло, выделяемое животным, вызывает таяние льда во внутреннем сосуде. Внешняя ледяная рубашка предохраняет калориметр от нагревания извне

Вообще говоря, попытки провести подобные исследования предпринимались задолго до открытия первого начала термодинамики. Еще в 1777 г. французский ученый Лавуазье попытался исследовать связь между образованием тепла у животного и его дыханием. Спустя три года к этим опытам присоединился его соотечественник Лаплас. Исследователи помещали морских свинок в ледяной калориметр и установили, что за 10 часов животное "производит" тепло, достаточное для того, чтобы растопить 341 г льда. Предположив, что теплота образуется в результате физических процессов сгорания, и определив, сколько двуокиси углерода выделяет морская свинка за то же время, Лавуазье рассчитал количество тепла, выделяющееся при сгорании; оно оказалось достаточно близким к измеренной величине.

Современный калориметр позволяет точно измерять теплоотдачу различных объектов, подопытных животных и даже людей

Этот первый опыт, положивший начало термодинамическим исследованиям в биологии, позже повторили другие естествоиспытатели, которые уточнили результаты Лавуазье и Лапласа. При помощи усовершенствованных приборов они изучили тепловой баланс у различных животных и человека и определили чрезвычайно важные энергетические параметры, характеризующие обмен веществ.

В последнее время такие измерения вновь стали актуальными. Выяснилось, что потеря тепла на единицу массы тела в ходе развития организма не постоянна. Так, при развитии лягушки из икринки сначала наблюдается резкий подъем кривой потери тепла, а затем ее спад до минимального значения. Подобные эксперименты заложили основу термодинамики процессов развития биологических систем. Живой организм представляет собой открытую систему, которая обменивается веществом и энергией с окружающей средой. В термодинамике существует теоретически обоснованный закон, согласно которому открытая система развивается всегда так, что потеря энергии, или скорость выделения тепла, другими словами, прирост энтропии стремится к минимуму. Применим ли этот закон к эмбриональному или даже видовому развитию организмов? Вторая половина кривой, описывающей развитие лягушки, говорит в пользу этого положения. Кривые подобного типа были получены и во многих других исследованиях. Однако не исключено, что наблюдаемые явления в этих случаях лишь внешне похожи на только что описанное, а на самом деле они обусловлены совсем другими причинами.