Порядок, энтропия и живые системы

Порядок в мире шевелящихся атомов

Живой организм выглядит цельным: форма сохраняется, наследственная структура работает достаточно надёжно, привычные процессы повторяются. Но материал этой цельности состоит из атомов и молекул, которые участвуют в непрерывном тепловом движении. В «Что такое жизнь?» Шрёдингер выбрал именно это напряжение — между видимой устойчивостью живого и микроскопической подвижностью его вещества.

Тепловое движение не является аварией, которую физика надеется когда-нибудь отменить. Оно входит в обычное описание материи при ненулевой температуре. На атомном уровне отдельные столкновения и колебания не складываются в аккуратную хореографию; ждать от каждого атома дисциплины чиновника было бы странно. Вопрос состоит в другом: как из множества столь беспокойных участников получается надёжный результат?

Шрёдингер отвечал через статистический характер физических законов. Многие знакомые регулярности устойчивы потому, что выражают среднее поведение чрезвычайно большого числа частиц. Одно отдельное молекулярное событие может оказаться каким угодно в пределах физических возможностей, но огромная совокупность даёт более постоянную картину. Макроскопическая надёжность не отменяет случайность на малом масштабе, а строится поверх неё.

Такой ход мысли был для него не внезапной экскурсией в биологию. Нобелевская биографическая справка отмечает его прежний интерес к термодинамике и вероятностной теории Больцмана. Поэтому живое вещество он рассматривал не как предмет, освобождённый от физики, а как особенно требовательный случай физической устойчивости.

Почему среднему нужно много участников

Статистическое среднее становится надёжным не по волшебству, а потому, что случайные отклонения многих составляющих частично компенсируют друг друга. В небольшой группе несколько необычных событий способны заметно сдвинуть общий результат. В большой группе отдельные отклонения обычно теряются на фоне массы остальных. Это не гарантия абсолютной неподвижности, но причина, по которой макроскопический закон оказывается гораздо спокойнее судьбы одиночной молекулы.

Уместен учебный пример с монетами. У десятка бросков перевес одной стороны может выглядеть почти как характер монеты; у очень длинной серии доля орлов и решек обычно становится устойчивее. Монеты здесь не изображают атомы и не пересказывают опыт Шрёдингера. Они показывают только логику: малое число даёт широкое поле для заметных флуктуаций, большое число делает средний результат надёжнее.

Из этого Шрёдингер выводил условие устойчивости жизни. Если жизненно важный эффект опирался бы всего на несколько атомов, тепловые случайности могли бы слишком легко менять его ход. Для регулярного действия нужны достаточно большие совокупности микроскопических составляющих, чтобы работали устойчивые статистические средние. Жизнь в таком описании не побеждает тепловое движение; она существует при условиях, где его отдельные капризы не управляют всем целиком.

Здесь слово «энтропия» требует аккуратности. В данном контексте важно не превращать его в универсальный пароль для любого рассказа о порядке. Рассуждение Шрёдингера привязано к тепловому хаотическому движению, вероятностному описанию и надёжности средних. Это гораздо конкретнее, чем общее замечание, будто жизнь просто «борется с беспорядком».

Граница между рамкой и позднейшим знанием

Аргумент книги задаёт физический вопрос: какие условия должны выполняться, чтобы материальная система сохраняла надёжность при атомном движении? Он не даёт полного описания всех биологических процессов. Из него нельзя получить подробную картину метаболизма, вывести устройство клетки или заменить им современную биофизику, где используются иные данные, методы и уровни описания.

Также не следует читать этот ход как обещание, будто всякая биологическая закономерность автоматически следует из закона больших чисел. Большие числа объясняют устойчивость статистических средних, но конкретный живой процесс зависит от устройства и организации вещества. Устойчивый средний результат не сообщает сам по себе, какая молекула участвует в процессе и как именно она действует.

Скромность вывода не делает его мелким. Шрёдингер перенёс на биологическую проблему привычный для статистической физики вопрос о масштабе и флуктуациях. Получилась не современная энциклопедия энтропии в живом, а ясная рамка: живое вещество должно быть устроено так, чтобы атомная случайность не разрушала надёжность нужных ему процессов.

Именно в этой рамке порядок перестаёт выглядеть нарушением законов природы. Он может быть результатом большого числа взаимодействующих составляющих и статистической устойчивости. Но рамка не обязана отвечать на все последующие вопросы; от физической идеи полезнее требовать точности её собственного вклада, чем заставлять её играть роль будущего учебника целиком.