Эволюция на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов

Это системы, в которые извне не поступают вещество и энергия. Если такую запаянную систему предоставить самой себе, всё, что в ней есть, постепенно придет в негодность, разрушится, тепловые неоднородности внутри системы выровняются и она придёт к вечному покою и вечному хаосу.

Это настолько фундаментально, что из второго начала термодинамики учёные даже вывели теорию тепловой смерти вселенной. Поскольку наш мир, наша вселенная — это единственное, что существует, а «снаружи» вселенной ничего нет, её нужно считать замкнутой системой. Во вселенную ничего не прибывает извне, поскольку никакого «извне» нету. Значит, рано или поздно всё в мире придёт к тепловому равновесию и полнейшему хаосу. Это и будет соответствовать состоянию максимальной энтропии — только мрак,

бессмыслица и хаос. Грустная картина!

Но вокруг-то наблюдаются буйное цветение жизни и сплошное усложнение, а не только разрушение структур — растут дети и деревья, строятся дома… Почему жизнь идёт наперекор вселенной?

— Потому, — ответил в середине XX века бельгийский физик Илья Пригожин, — что второе начало термодинамики касается только замкнутых структур. А во вселенной полно систем открытых. Собственно говоря, мы вокруг себя только и видим открытые системы. В них материальные структуры вполне могут усложняться за счет поступающих в систему вещества и энергии.

Действительно, оглянитесь вокруг. Замкнутую систему в жизни ещё поискать надо! И ведь не найдешь! Замкнутая система — такой же теоретический конструкт, как идеальный газ в физике или точка в математике.

Нет в реальном мире идеальных газов и идеальных точек, хотя наука вовсю оперирует ими для упрощения и построения моделей.

Как только мы попытаемся выделить какие-нибудь объекты в систему, сразу увидим, что система эта чем-нибудь обменивается со средой.

Например, назовём системой кастрюлю с водой. Почему бы и нет? Прекрасная система — вода и кастрюля! Замкнутая она? Да нет, в общем-то, она же активно соприкасается со средой. Из кастрюли, даже если она не на огне, а стоит на столе, постепенно испаряется вода, её молекулы вылетают в атмосферу. Если вода была очень холодная, она постепенно нагреется до комнатной температуры. А если была горячая, то остынет до комнатной температуры, отдав лишнее тепло воздуху. Открытая система! Может быть, включить в нашу систему ещё и кухню, чтобы сделать систему закрытой? Но кухня тоже не отрезана от мира. Сквозь форточку и щели в окне в кухню просачивается морозный воздух, выстуживая помещение, а по батареям циркулирует горячая вода, нагревая воздух в кухне. Очень даже открытая система с весьма активным обменом.

Тогда, может, взять в качестве системы дом или целый город, чтобы попытаться её замкнуть? Но тогда уж давайте возьмём весь земной шар! Правда, тут же окажется, что Земля получает массу энергии от Солнца, нагревается и освещается к удовольствию населяющей ее публики. Именно льющаяся на планету солнечная энергия обеспечивает тут жизнь, то есть существование и усложнение материальных структур. Эту энергию биосфера и люди преобразуют в усложнение организации, то есть пускают на накопление информации. Потому что усложнение системы есть не что иное, как накопление информации в системе. А энтропия — понятие, обратное информации.

Ещё раз: организация, порядок — это информация. А энтропия, то есть хаос, — размывание информации, потеря порядка. Если бы буквы в книге были расположены не в порядке, образующем смысл, а совершенно беспорядочно, хаотически, то никакой информации в ней бы и не содержалось. Нет порядка — нет информации, а есть только бессмыслица!

С Солнцем — источником энергии — понятно. Растения питаются или, если хотите, заряжаются ею. Каждый зелёный листочек улавливает солнечное излучение, благодаря которому в нем идут биохимические реакции, именуемые жизнью. С помощью энергии Солнца растение из воздуха и минеральных веществ, всасываемых корнями, строит себя. Минеральные вещества в почве — простые. Растение усложняет их под действием солнечной энергии, превращая, условно говоря, грунт в древесину и зелёную массу, то есть в живую ткань. Дерево по особой программе делает из неживого живое — себя — тратя на это энергию солнечного излучения.

Растениями питаются травоядные животные, пользуясь этой энергией, преобразованной в живую ткань. Травоядных, в свою очередь, пожирают хищники, пользуясь их живой тканью, как «солнечными консервами». И в самом деле, зачем медленно преобразовывать солнечный свет и неорганику (простые вещества) в зелёную массу и прочую морковку? Зачем, как это делают травоядные, преобразовывать траву в мясо своего тела, если можно сразу съесть мясо и облегчить себе жизнь? Хитрые хищники так и поступают — едят готовое мясо, чтобы из чужого организма строить свой. Но чем они, по сути, питаются? Они поглощают организацию вещества, сделанную до них. Пожирают сложность, деструкция, то есть разрушение которой высвобождает много запасённой энергии. На ней-то хищники и работают. Ловко устроились! Поэтому, кстати, у хищников, в отличие от травоядных, кишечник короткий — им не нужно дополнительное время на переваривание и преобразование травы в мясо, они едят уже готовое мясо.

Все жрут друг друга — вот так, в общих чертах, устроена биосфера, то есть живая оболочка нашей планеты.

(Помимо биосферы, есть ещё гидросфера Земли — её моря и океаны. Есть литосфера — суша. Есть атмосфера — газовая оболочка, воздух, которым мы дышим. И есть техносфера — искусственная среда, построенная людьми, в которой мы обитаем, как разумный вид. Это я вас на всякий случай информирую).

А теперь перенесёмся обратно в кухню, где на столе стоит наша кастрюля и, оказывается, не является замкнутой системой, хотя и прикидывалась. Давайте поставим ее на огонь! Включим газ и будем нагревать чертову посудину.

В этой ситуации система уже совершенно явно стала незамкнутой. Мы буквально силком закачиваем в систему кастрюля — вода энергию в виде тепла. Система откровенно открытая! И довольно простенькая, честно говоря. И что же мы видим даже в такой простой системе, где особо и меняться-то нечему, при активном нагнетании в эту систему энергии извне?

Там образуются активные, пусть и неживые, движущиеся структуры — кольцевые течения, которых раньше не было! Они называются конвекционными ячейками. В них циркулирует нагретая вода — сначала, поднимаясь, нагретые потоки воды отдают тепло в атмосферу в виде пара и таким образом охлаждаются, а затем снова уходят вниз греться. Так «живут» эти образования, так они рассеивают полученную тепловую энергию (рассеивание энергии называется диссипацией). Часть поступившей в кастрюлю энергии эти конвекционные ячейки сбрасывают (диссипируют) в окружающую среду, а часть тратят на себя, своё существование, свою работу. Они же ведь действуют, «живут», крутятся!

Рис. 7. Для простоты показаны всего три конвекционные ячейки в кастрюле, то есть три кольцевых потока воды, переносящих наверх поступающее снизу тепло. Научное название этих ячеек, к слову, — ячейки Бенара