Атеология    αθεολογιΑ

Атеистическая философия.   2010.11.30


Эволюция и термодинамика.

Среди возражений теории эволюции часто приводится второй закон термодинамики: якобы закон нарастания энтропии запрещает самопроизвольное усложнение живых систем. Для ответа на такую критику следует рассмотреть два аспекта вопроса: собственно термодинамический аспект и информационный аспект биологической эволюции.

Термодинамический аспект.

Второе начало термодинамики накладывает ограничение на любые процессы идущие самопроизвольно: энтропия (мера беспорядочности энергии) в закрытой системе не может уменьшаться в ходе самопроизвольных процессов, любые самопроизвольные процессы могут вести только к снижению суммарной упорядоченности энергии. Как неоднократно говорилось в дискуссиях, живые организмы никак не являются закрытыми системами: они потребляют пищу из окружающей среды (энергию в высокоупорядоченной форме), расходуют ее упорядоченную энергию на поддержание внутренних процессов и выбрасывают наружу отходы деятельности с меньшей суммарной упорядоченностью энергии, чем в потребленных продуктах, т.е. функционируют с повышением суммарной энтропии в полном соответствии с требованиями термодинамики. Локальное снижение энтропии в телах живых организмов в лихвой перекрывается ее ростом в окружающей среде. Таким образом, термодинамика соблюдается. Это обстоятельство, во-первых, довольно очевидно, из чего странно, что теологи все еще прибегают к аргументу, а во-вторых, относится не строго к эволюции, а к любой жизнедеятельности живого вообще.

Что касается самой эволюции термодинамика не имеет прямого отношения: эволюция происходит с нарастанием сложности (иногда и с упрощением, но к таким случаям придирок у оппонентов нет) геномов и фенотипов организмов вида, что напрямую не характеризует количественные энергетические соотношения. Если взять 1 кг ДНК самого простейшего организма и 1 кг ДНК самого сложного, энергетически они будут эквивалентны. Если взять 1 кг ДНК человека (имеющей в каждой молекуле порядка сотен миллионов бит информации) и 1 кг бензина (молекулы которого не содержат информации вообще), в энергетическом плане большей упорядоченностью энергии будет обладать бензин. ДНК в которой содержится подробная информация о структуре конкретного белка в термодинамическом отношении ничуть не более упорядочена, чем ДНК с тем же нуклеотидным составом, но составленная в случайном порядке.

Информационный аспект.

Помимо термодинамической энтропии существует еще понятие информационной энтропии (строго говоря, термодинамическая энтропия является частным случаем информационной при характеризации упорядоченности энергии). Структурная сложность живого отражает информационную упорядоченность в основном кода их ДНК. Установленным источником эволюционных изменений живого служат мутации - расхождения между генетических кодом родительского организма и кодом потомка, но они изначально случайны (их характер может быть и благоприятным, и неблагоприятным, никак не зависят от нужд организмов) и поэтому сами по себе не могут объяснить адаптивности значительной части эволюционных изменений. Под действием только мутаций геном может изменяться, увеличиваться или уменьшаться в объеме, но в силу уже имеющейся приспособленности организмов случайные изменения с большей вероятностью будут ослаблять приспособленность, чем улучшать ее. Энтропия генетической информации под действием только мутаций усредненно бы увеличивалась. Таким образом, для адаптивной эволюции необходим механизм, дискриминирующий степень адаптивности (полезности) наследуемых черт и этот механизм был найден Чарльзом Дарвином в форме естественного отбора. Мутация, изменяющая черту в сторону понижения приспособленности ведет к повышению частоты гибели носителя мутации или уменьшения среднего количества потомков, таким образом постоянно возникающие вредные мутации отфильтровываются автоматически за счет самого вреда, наносимого ими приспособленности организма - с каждым поколением соотношение количества носителей вредной мутации к размеру популяции уменьшается, что будучи повторенным на сотнях поколений в конечном итоге устраняет каждую отдельную мутацию из генофонда. Если же сколь угодно редко возникает мутация, изменяющая черты носителя в благоприятную для выживания и размножения носителя сторону, ее польза для приспособленности увеличивает шанс каждой из них быть переданной в следующее поколение потомкам, таким образом повышая соотношение количества копий мутантного гена (у каждого из унаследовавших ее потомков первого мутантного организма) в генофонде в конечном итоге полностью вытесняя исходный тип. С точки зрения упорядоченности информации, мутации только создают разброс относительно средней точки (состояния генофонда в конкретный момент), условия среды снова и снова отфильтровывают на каждом поколении отклоняющиеся геномы (за счет собственно лучшего или худшего выживания) с некой долей эффективности в зависимости от из приспособленности этим условиям, таким образом лучше сохраняя специфично упорядоченные участки генетической информации, обеспечивающие высокую приспособленность на фоне менее упорядоченных или упорядоченных с негативным влиянием. Таким образом, редкие случайные мутации в сторону более высокой приспособленности сохраняются и распространяются на фоне исходного типа за счет помощи в выживании носителям в данных условиях среды, а мутации в сторону ухудшения отсеиваются сколь угодно более частыми они не были бы. Источником упорядоченности информации в геноме, т.е. "двигателем" эволюции, снижающим информационную энтропию являются сами условия среды, отбирающие черты организмов вида.

Эволюция вселенной и термодинамика.

Помимо биологической эволюции иногда говорят также об эволюции вселенной. Это совершенно другая группа явлений, чем биологическая эволюция, но имеет нечто отдаленно схожее: современная космология утверждает нарастание сложности структур, образуемых во вселенной со временем (по крайней мере в некотором промежутке времени после Большого Взрыва - формирование галактик, звезд, планет и объектов в них). Религиозные апологеты ставят вопрос об источнике повышения упорядоченности материи при известном из физики втором начале термодинамики. При этом они грубо смешивают понятия структурной упорядоченности и меры упорядоченности энергии. С точки зрения структурной упорядоченности газопылевое облако совершенно не упорядочено, а звезда которая из него формируется и планеты обладают структурой: выраженная шарообразная форма массивных тел, ядра из тяжелых элементов, мантийные, литосферные и атмосферные слои планет, конвекционные ячейки в звездах, циклоны в атмосферах планет... Однако, при рассмотрении степени упорядоченности энергии (к описанию чего собственно и относится 2-ое начало термодинамики) можно обнаружить, что переход от облака к звезде с планетам идет с ростом энтропии: начальная высокая потенциальная энергия (высокоупорядоченная форма энергии) частичек в гравитационном поле друг друга по мере падения в центр масс трансформируется в кинетическую, а в конечном итоге в тепловую (низкоупорядоченную), с неизбежным нарастанием энтропии в полном соответствии с законами термодинамики. Даже такой повседневный пример как замерзание воды иллюстрирует различное направление изменения степени порядка в отношении энергии и структуры: вода при повышенной относительно окружающей материи температуре обладает запасом энергии, способной совершать работу. При этом степень упорядоченности положения молекул воды - малая. При переносе теплоты от воды к окружающей среде средняя температура в системе усредняется и энтропия необратимо возрастает. При температуре кристаллизации воды 0 градусов все тот же процесс перехода энергии в менее упорядоченную форму (рост энтропии) сопровождается очевидным упорядочиванием геометрической структуры воды - она замерзает, становится льдом. Таким образом, общая упорядоченность энергии в системе падает, а структурная сложность геометрической формы материи может при этом повышаться. Более того, неравновесная термодинамика, заложенная И.Пригожиным указывает на поток энергии из упорядоченной формы к высокоэнтропийной, как на источник, создающий в ходе процесса организацию структурную.


©2010 Атеология