Ураган жизни

На ту же тему:

Ураган Мелисса , сформировавшийся над Карибским морем и затем усилившийся до циклона 5-й категории , представляет собой величественный пример диссипативной структуры: системы, которая спонтанно возникает, когда поток энергии проходит через вещество, удерживая его вдали от термодинамического равновесия. В этом смысле он представляет собой обычное проявление универсального принципа: когда доступная энергия превышает критический порог, вещество стремится организоваться в формы, обеспечивающие его наиболее эффективное рассеивание. Так образуются конвективные ячейки в нагретой жидкости, вихри урагана и, весьма вероятно, первые химические структуры, давшие начало жизни на Земле.

Море, питавшее Мелиссу, было морем потенциальной энергии. Поверхностные воды, нагретые тропическим солнцем, содержали огромное количество скрытого тепла. Когда воздух над ним насыщался влагой, первые восходящие потоки высвобождали эту энергию в виде конденсационного тепла, запуская положительную обратную связь: чем теплее поднимался воздух, тем больше выделялось тепла и тем интенсивнее становилась конвекция. Вращение Земли посредством силы Кориолиса сообщало угловой момент этой системе потоков, и оттуда ураган начал организовываться. Каждый слой его структуры — глаз, стена глаза, спиральные полосы — представляет собой упорядоченную форму, образованную взаимодействием миллиардов частиц воздуха и капель воды, которые непрерывно обмениваются энергией и веществом.

Эта организация не требует ни проектирования, ни централизованного управления: она возникает из статистических законов, управляющих открытыми системами. Это та же самая физика, которая, при совершенно иных условиях, должна была действовать на морском дне четыре миллиарда лет назад, в щелочных гидротермальных источниках. Там тоже существовали градиенты, но не термические: химические и электрические. Горячая вода, богатая восстанавливающими ионами, такими как водород и сульфид, поднималась из-под поверхности и встречалась с более холодной, окисленной, богатой углекислым газом океанской водой. В этом контакте образовывались минеральные барьеры из карбонатов и сульфидов, прерываемые микрополостями и нанометровыми каналами. Каждая полость была небольшой реакционной ячейкой, пересекаемой потоками протонов, электронов и молекул: естественная лаборатория неравновесной термодинамики.

В этих микросредах пребиотическая химия двигалась не случайным образом, а направлялась потоками энергии. Разница электрического потенциала между внутренней и внешней частями минеральных пор могла подпитывать окислительно-восстановительные реакции, способные восстанавливать углерод до простых органических соединений. Умеренная, но постоянная температура способствовала накоплению стабильных молекул, таких как карбоновые кислоты, аминокислоты и нуклеотиды. Со временем реакционные сети переплетались, образуя автокаталитические циклы – химические системы, которые, подобно урагану, поддерживали своё существование благодаря потоку энергии, проходящему через них. В обоих случаях – ураган в небе и примитивная химия на дне океана – структура обеспечивала эффективное рассеивание. Мелисса переносит тепло из моря в атмосферу и выравнивает его распределение; первые химические сети преобразовывали энергию геотермических градиентов в тепло и временный молекулярный порядок. Сходство не концептуальное, а физическое: доступная энергия преобразуется в работу, и эта работа порождает организацию. Когда потоки энергии прекращаются, система распадается.

Жизнь возникла как продолжение этого принципа. Первые протоклетки, заключённые в минеральные или липидные мембраны, представляли собой небольшие диссипативные системы, научившиеся удерживать часть потока энергии, используя его для поддержания своей структуры. Каждый живой организм, даже сегодня, представляет собой градиент в динамическом равновесии: он преобразует свободную энергию в работу, производит тепло, изменяет своё окружение и, пока ему удаётся поддерживать разность потенциалов, сохраняет свою форму. В этом смысле ураган – это макроскопическая и нестабильная версия того, что происходит в каждой клетке. Оба возникают из градиента и поглощают его. Оба создают локальный порядок ценой увеличения энтропии окружающей среды. Оба взаимодействуют с ней, изменяя её. Жизнь сделала это состояние постоянным благодаря своей способности воспроизводить свои организационные структуры, восстанавливаться и передавать информацию. Но физика, поддерживающая его, одна и та же.

Наблюдая за Мелиссой, мы видим, как материя самоорганизуется для более эффективного рассеивания энергии, как это происходило четыре миллиарда лет назад в гидротермальных источниках. Океан, который её порождает, и океан, в котором зародилась жизнь, подчиняются одним и тем же законам: там, где есть поток энергии и где материя может самоорганизоваться, чтобы пропускать этот поток более эффективно, возникают упорядоченные и сложные структуры. Именно в этой непрерывности, в долгой эволюции термодинамики, коренится жизнь. Ураганы, метаболизм и биологическая репликация относятся к одному порядку явлений: преобразованию энергии во временную организацию, которая эффективно рассеивает имеющуюся энергию.

Подробнее по этим темам: