Ю.П. Чукова. Диалектика природы на современном уровне развития науки и цивилизации
В ноябре 2020 года исполнилось 200 лет со дня рождения Фридриха Энгельса, человека, оставившего глубокий след в истории нашей цивилизации. С современных высот жизнь Энгельса можно рассматривать в разных аспектах и под разными углами зрения – и как немецкого политического деятеля, и как историка, и как предпринимателя. Но чаще всего его вспоминают как философа, одного из основоположников марксизма, друга и единомышленника Карла Маркса и соавтора его трудов. Было время, когда его вспоминали очень часто, а не только по юбилейным датам, и главным образом по долгу службы. Но сейчас не те времена, а моя служба всегда была очень далека от всего вышеперечисленного.
Что же заставило меня откликнуться на этот юбилей? Успехи квантовой термодинамики необратимых изотермических процессов и книга Ф. Энгельса «Диалектика природы».
Вопросы диалектики природы попутно затрагивались в разных публикациях К. Маркса и Ф. Энгельса, в том числе в «Капитале» и «Анти-Дюринге». 30 мая 1873 года в письме к Марксу Энгельс сообщает, что решил написать большую работу о диалектике в природе. Ему 53 года. Он в расцвете сил, и у него впереди ещё 22 года активной жизни. И, тем не менее, книга осталась недописанной. Похоже, что она написана наполовину, потому что вторая её часть больше напоминает собранный материал. Сотрудники института Маркса-Энгельса-Ленина при ЦК КПСС к 1953 году подготовили издание того, что осталось после смерти автора и было сложено им в четыре разные папки. Книга вышла тиражом 100 тысяч экземпляров и стала учебником не только для гуманитарных факультетов, но и для естественников.
Эта книга, вся испещрённая пометками на полях в студенческие годы, простояла у меня на книжной полке более полувека и навела меня на неожиданные раздумья принципиального характера, когда я пролистала её к юбилею, о котором мало кто вспомнил.
Если учёный (искатель истины) докопался до неё и сумел правильно описать её словами, то он (по мнению Энгельса) совершил подвиг. Три закона диалектики были сформулированы Гегелем «на его идеалистический манер лишь как законы мышления» (Энгельс). Далее Энгельс пишет: «Ошибка заключается в том, что законы эти он не выводит из природы и истории, а навязывает последним свыше как законы мышления». Ну, что же… как однажды сказал чешский физик Ё. Покорни: «Что мог, то и сделал!» У Энгельса другая позиция: «История природы и человеческого общества – вот откуда абстрагируются законы диалектики. Они как раз не что иное, как наиболее общие законы обеих этих фаз исторического развития, а также самого мышления. По сути дела, они сводятся к следующим трём законам:
Закон перехода количества в качество и обратно
Закон взаимного проникновения противоположностей.
Закон отрицания отрицания».
Книга Энгельса – первая попытка продемонстрировать эти законы на конкретных примерах из естественных наук. Взять хотя бы всем известный и убедительный пример с нагревом куска льда. Сначала получение тепла из окружающей среды приводит к нагреву с последующим таянием льда, так что вместо твёрдого тела (лёд) мы получаем жидкую воду. При дальнейшем нагреве вода сначала повышает свою температуру, а потом превращается в пар. Обратный процесс охлаждения сначала переведет пар в воду, а затем воду в лёд. Можно ли более наглядно продемонстрировать закон перехода количества в качество?! Попробовать не возбраняется… Нельзя не удивиться тому, как Энгельсу удалось подобрать примеры для подтверждения своей позиции, ведь он начал писать книгу в последней четверти 19 века, когда ещё не все основные законы физики были только что открыты, и не закончилась борьба мнений между физиками. Не говоря уж о других науках…
ХХ век открыл то, что не успел сделать его предшественник. Эти открытия были обширны и грандиозны. И самым грандиозным было конечно открытие кванта действия Максом Планком (декабрь 1900), которое разделило всю науку на две части: классическую и квантовую. Сейчас было бы весьма полезно «написать большую работу о диалектике в природе», опираясь на весь круг современных знаний о природе и человеческом обществе, но я не слышала о таких намерениях. Самой мне хотелось бы обратить внимание на одну неожиданную аналогию.
Макс Планк ввёл квант действия, решая конкретную частную задачу математического описания спектра равновесного излучения чёрного тела (Нобелевская премия по физике 1918 года). Через пять лет после доклада Планка, Альберт Эйнштейн указал на гораздо более общую значимость того, что сделал Планк. В статье «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» в 1905 году он писал: «Я и в самом деле думаю, что опыты, касающиеся «излучения чёрного тела», фотолюминесценции, возникновения катодных лучей при освещении ультрафиолетовыми лучами и других групп явлений, связанных с возникновением и превращением света, лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно… Ниже я излагаю ход мыслей и факты, натолкнувшие меня на этот путь, в надежде, что предлагаемая здесь точка зрения, возможно, принесёт пользу и другим исследователям в их изысканиях». Эти несколько строк Эйнштейна были вторым крупным шагом в истории физики, и в 1921 году тоже были удостоены Нобелевской премии. Эйнштейн утверждал, что введённый Планком квант действия должен просматриваться во многих явлениях и процессах, не имеющих никакого отношения к равновесному излучению.
А где аналогия? Аналогия состоит в том, что Энгельс своими работами по диалектике природы показал куда более широкую значимость работ Гегеля, который ограничил круг своих размышлений только процессами мышления, а в действительности они просматриваются во всех отраслях естествознания.
В книге Энгельса я обратила внимание на утверждение, что «диалектические законы являются действительными законами развития природы и, значит, имеют силу также и для теоретического естествознания». Я физик-теоретик, использующий методы термодинамики (дедуктивный метод). С классической термодинамикой связаны все технические достижения XIX века (и некоторые достижения ХХ века). Классическая термодинамика создала теоретическую основу для промышленных успехов нашей цивилизации. Она дала теорию эффективности преобразования энергии теплового движения в работу, что позволило поднять КПД (коэффициент полезного действия) двигателей внутреннего сгорания до 40%.
Здесь вполне уместно вспомнить кое-что из истории термодинамики. Первая работа по термодинамике датируется 1824 годом. Это «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» Сади Карно, одного из первых выпускников Политехнической школы в Париже, созданной революционным Конвентом Франции. На «чрезмерную учёность» выпускников этой школы Наполеону жаловались фронтовые генералы. Наполеон сделал попытку упростить программу, но встретил серьёзное сопротивление профессуры, среди которой были известные учёные, например, Лагранж. Эта работа Карно впоследствии стала вторым законом термодинамики, который гласит, что КПД преобразования тепловой энергии в работу не может быть выше единицы. Это самый жёсткий запрет в естествознании. А первый закон (закон сохранения энергии) стал результатом трудов четырёх учёных, среди которых оказались химик Герман Гесс (1840), медик Юлиус Майер (1842), и два физика Джеймс Джоуль (1843) и Герман Гельмгольц (1847).
1860 год считается годом создания теории электромагнитного поля. Автор теории Джеймс Максвелл предсказал существование электромагнитных волн в свободном пространстве. Он не дожил до 1888 года, когда Генрих Герц впервые в лабораторных условиях продемонстрировал их существование. В 1896 году наш соотечественник Александр Степанович Попов впервые применил электромагнитное излучение для передачи сигналов на расстояние (250 метров). А после инженерного проекта Гульельмо Маркони (Нобелевская премия по физике 1909 года) это физическое открытие не просто внедрилось в жизнь, а стремительно ворвалось в неё, преобразив до неузнаваемости всю нашу цивилизацию.
ХХ век начал свою техническую историю с телефона и авиации. В 1876 году Александру Беллу выдано авторское свидетельство на идею телефона, а на рубеже первого и второго кварталов ХХ века телефон уже стал бытовой техникой. Авиация тоже зародилась в конце ХIХ века, а к середине ХХ века стала одним из основных транспортных средств. Дальше – больше! В 1903 году Константин Эдуардович Циолковский спроектировал первую ракету, способную вывести объект за пределы земного притяжения, а 4 сентября 1957 года в СССР запущен «Спутник-1». Так началось освоение космического пространства. В основе всех этих достижений лежало развитие теоретической мысли.
Кроме приведённых примеров можно указать много других проблем и достижений, и сейчас в первой половине ХХI века на передний край исследований выдвинулись проблемы экологии и изменения климата на планете, которые приобретают отчётливо угрожающий характер для цивилизации в целом. Здесь просматривается изменение вектора развития цивилизации. Прежние технические достижения, обнаружив некоторые опасности для отдельных лиц, не создавали угрозу для цивилизации, но создавали комфорт для широкого круга лиц. Сложившуюся сейчас ситуацию весьма полезно рассмотреть с позиций диалектики природы и общества.
Жизнь на Земле, как известно, зародилась и существует благодаря солнечному свету, который является электромагнитным излучением. Когда электромагнитное излучение стало широко использоваться в технике и в быту, встал вопрос о максимальном КПД преобразования его энергии в другие виды энергии (в люминесцентное излучение, энергию химических связей и т.д.). Расчёт технического КПД любого устройства осуществляется по факту, как отношение полученной полезной энергии к энергии затраченной. И технический прогресс требует неуклонного роста КПД всех технических устройств. Когда требуется выяснить предельные возможности какого-то преобразования, то здесь приходится прибегать к термодинамическим методам.
Проблемами жизни на Земле занимается биофизика, но биофизики методами термодинамики не пользуются, и легко понять почему. Термодинамика любые расчеты начинает с расчёта термодинамического предела КПД, который относится к обратимым процессам, т.е. процессам без потерь. А таких процессов в природе не бывает: все природные процессы необратимы. Те немногочисленные попытки использования термодинамики в фотобиологии в середине ХХ века дали отрицательный результат. Причина этой неудачи видна из самого названия идеи «белок – машина». Исследователи оседлали формулу Карно, но эта формула годится только для исследования тепловых процессов в машинах. Природные процессы принадлежат к категории нетепловых процессов, ибо тепловой интервал существования живых существ очень узок. Так, например, для человека он составляет около 10 градусов, а все процессы с изменением температуры занимают половину этого интервала, когда человек болен. Здесь нет места для идей Карно! Неудача учёных оказалась следствием изначально ошибочной постановки задачи.
Термодинамическое исследование нетепловых (изотермических) процессов началось с работы Л. Ландау, которая была выполнена по инициативе С.И. Вавилова, и результат её опубликован в 1946 году. Она называлась «О термодинамике фотолюминесценции». В те годы проблема люминесцентного освещения была передовым фронтом научных работ, и успехи исследователей были отмечены Государственной премией. Попутно с проблемой максимальной эффективности люминесценции оказалась решённой проблема максимальной эффективности преобразования энергии электромагнитного излучения в свободную энергию Гельмгольца (конец 60-х годов и начало 70-х годов ХХ века). Такое преобразование имеет место при изотермических процессах, которые обеспечивают энергией все живые существа на Земле. Но физики обратили внимание на этот процесс, как механизм преобразования энергии в солнечных батареях. То, что прогнозировала термодинамика, сначала было обнаружено в лабораторном эксперименте. Затем солнечные батареи вышли из научных лабораторий в окружающий нас мир и заняли место на крышах домов в южных городах. Позднее они двинулись на север, и их расположение на крышах многоквартирных домов напоминает о вытесненных ими печных трубах.
Теоретическое естествознание предполагает выражение результата с помощью формул. Все необходимые формулы были написаны в моей книге «Введение в квантовую термодинамику необратимых изотермических процессов» (2018). Она адресована учёным с самым высоким уровнем образования. Таких мало, и значит, читать книгу некому. Поэтому в 2020 году мною была издана вторая книга «От М. Планка, А. Эйнштейна и Л. Ландау до Римского клуба», в которой рассмотрен весь круг вопросов предыдущей книги, но которая требует от читателя всего лишь свободного владения четырьмя действиями арифметики. Таких много, поэтому я возлагаю большие надежды на эту книгу, которая позволяет из массы пассивных читателей (запоминающих, что написано в книге) выделить думающих людей, понимающих, каковы внутренние связи явлений, и способных развивать далее заложенные в книге идеи.
В этой статье, приуроченной к юбилею философа, я намерена обойтись совсем без формул (как принято у философов). Но отказаться от графиков мне было очень трудно. Хотелось бы отметить, что Энгельс в «Диалектике природы» вынужден использовать графики, когда дело идет о квантовых процессах. Их легче понять, глядя на картинку. В данной статье они бы иллюстрировали основные функциональные зависимости эффективности преобразования энергии электромагнитного излучения от двух главных параметров воздействующей (а, точнее, поглощённой) энергии. Поглощённую энергию экспериментаторы характеризуют разными величинами и измеряют в разных единицах. Для отчётливости понимания сути дела и лёгкости перехода от одних величин к другим квантовая термодинамика использует спектральную плотность излучения, которая характеризует излучение при определённой частоте. От неё легко перейти к любым другим величинам.
Далее изложена моя попытка описать словесно полученные результаты. Главной зависимостью является функциональная зависимость КПД преобразования от силы воздействия (в нашем случае – спектральной плотности излучения). Любое рассмотрение термодинамика начинает с термодинамического предела, который относится к обратимым процессам. В случае воздействия электромагнитного излучения эта зависимость является логарифмической: КПД медленно возрастает от 0 до 1 при спектральной плотности излучения, значительно превышающей её значения на Земле. Естествознанию такая зависимость известна как закон Вебера-Фехнера для пяти органов чувств человека. В полулогарифмическом масштабе (логарифм спектральной плотности излучения и линейная шкала КПД) эта зависимость имеет вид прямой, наклон которой возрастает при переходе от коротких волн к длинным, приводя в итоге к запрету на преобразование энергии электромагнитного излучения в свободную энергию, которую все живые существа используют для всех видов жизнедеятельности. На этом уровне познания термодинамика позволила ответить на несколько вопросов, связанных со зрением человека.
Глаз человека является, конечно, самым досконально изученным из всех объектов, изучаемых биофизикой. Врачи (терапевты и хирурги) лечат все болезни глаз.
Характеристики глаза стандартизованы и давно известны международные стандарты для дневного и вечернего (ночного) зрения. И, тем не менее, можно назвать как минимум три проблемы, для которых учёные разного профиля (физики, химики, биологи, физиологи) в течение 100 лет не могли найти ответа, хотя попытки делались в разных странах и многих университетах высококвалифицированными специалистами.
Эти застарелые вопросы общеизвестны и представлены в научно-популярной брошюре издательства «Знание» (Ю.П. Чукова. Загадки зрения. 1990):
1) Почему глаз имеет нулевую чувствительность в ИК области, на которую приходится максимум солнечного излучения?
2) Почему существует эффект Пуркине?
3) Какому закону подчиняется главная рабочая характеристика глаза (зависимость от освещённости)?
На два первых вопроса отвечает запрет на преобразование ИК излучения в свободную энергию, постепенно усиливающийся при переходе от дневного освещения к ночному.
Термодинамически разрешено преобразование только излучения с длинами волн короче 1000 нм. Это определило длинноволновую границу работы глаза в условиях естественного освещения (780 нм).
Что такое эффект Пуркине, могут знать не все. В 1823 году чешский физиолог Ян Пуркине обратил внимание на то, что красные предметы кажутся более яркими днём, а синие – вечером. Удостовериться в существовании этого эффекта без труда может каждый желающий.
Учёные потратили немало времени, чтобы уяснить, что он означает. В итоге было установлено, что в глазу человека существуют приёмники света двух различных конструкций. Одни были названы колбочками, а другие – палочками в соответствии с их формой. Колбочки работают днём (при высокой освещённости), а палочки вечером и ночью (при низкой освещённости). Спектральная чувствительность палочек и колбочек имеет форму колокола, который для колбочек сдвинут в красную часть спектра солнечного излучения, а для палочек - в синюю. Положение максимумов этих кривых различается на 50 нм. Это существенная величина, если учесть, что ширина всего спектра видимого света менее 400 нм.
Глаз человека прекрасно работает и днём и ночью, т.е. в условиях изменения освещённости более, чем на 10 порядков, т.е в 10 миллиардов раз. Это означает, что при переходе ото дня к ночи граница зрения смещается на много порядков, и термодинамический запрет выводит колбочки из сферы действия света. Остаются одни палочки. Таким образом, эффект Пуркине (сдвиг Пуркине) порождён всё тем же термодинамическим запретом.
Теперь переходим к третьей нерешённой проблеме о главном законе зрения человека. Численное изучение работы глаза человека началось в 1834 году с экспериментов немецкого физиолога Вебера, изучавшего дифференциальный порог работы органов чувств. Полученное Вебером выражение было проинтегрировано физиком Фехнером (1860). Так появился закон Вебера-Фехнера, который утверждает, что ощущение пропорционально логарифму силы воздействия (стимулу). Против закона Вебера-Фехнера резко выступила церковь, служители которой считали, что ментальные процессы не подлежат измерению. В жарких дебатах до конца жизни побеждал Фехнер, так что после его смерти (1887) закон существовал уже в статусе основного закона психофизики.
Празднование столетнего юбилея закона в Чикаго обернулось его похоронами. Основной доклад под названием «Отдадим должное Фехнеру и отменим его закон» сделал С.С. Стивенс, директор психологической лаборатории Гарвардского университета. Его статья была опубликована в журнале Science c подзаголовком «Степенная функция, а не логарифмическая функция описывает рабочую характеристику сенсорной системы». Эта почти детективная история подробно описана в моей книге «Закон Вебера-Фехнера. К 150-летию издания книги Г.Т. Фехнера «Элементы психофизики» (2009). Достойна величайшего изумления готовность, с которой светила мировой физиологии склонили голову перед авторитетом журнала Science. Международные руководства по физиологии тут же были подвергнуты переработке.
Термодинамика однозначно свидетельствует в пользу закона Вебера-Фехнера, который согласуется с термодинамикой во всём диапазоне изменения освещённостей (а это более 20 порядков), при которых работает глаз человека.
Закономерно возникает вопрос, как случилось, что термодинамический предел, относящийся к обратимым процессам, оказался дееспособным для объяснения необратимого процесса? Ответ прост. Как показывают расчёты, при слабом воздействии на отдельный объект или систему, скорость генерации энтропии растёт пропорционально силе воздействия (Нобелевсеая премия по химии Л. Онзагера, 1968 г). А это означает, что реальный КПД растёт по тому же закону, что и термодинамический предел, но абсолютное значение КПД меньше.
Самым поразительным является то, что никто никогда к процессам зрения человека не применял понятие эффективности (а тем более, КПД), но законы термодинамики для этой живой системы смогли объяснить то, что сто лет не удавалось сделать, опираясь на индуктивные методы, которыми работают экспериментаторы.
Ситуация осложняется, когда воздействие на систему уже нельзя считать слабым и скорость возрастания энтропии становится сверхлинейной. В этом случае КПД или выходит на плато или показывает максимум. Для видимого излучения реализуется максимум. Учёт этого позволяет глубже разобраться с процессами фотосинтеза.
Фотосинтез растений занимает второе место по степени изученности процессов в живых системах, и это единственная область в фотобиологии, где используется понятие эффективности процесса. Более того, борьба за повышение эффективности фотосинтеза – это основная задача современных исследователей, потому что фотосинтез – это всеобщий кормилец на Земле.
Реакцию фотосинтеза при световом воздействии на растение или водоросль в самом общем виде представляют уравнением
hn
СО2 + Н2О « СН2О + О2
Из двух неорганических веществ (углекислый газ + вода) под действием света синтезируется органика (углеводы) и выделяется свободный кислород. Эта реакция может протекать в дух направлениях в зависимости от интенсивности воздействующего излучения. Фотосинтезом называется процесс создания углеводов при протекании реакции слева направо. Именно в этом процессе создаётся (запасается) свободная энергия, которая в дальнейшем может быть превращена в разнообразную работу. В термодинамике процесс, сопровождающийся возрастанием свободной энергии, называется эндоэргическим. Противоположный процесс, текущий справа налево называется экзоэргическим. Это темновое дыхание растений. Та интенсивность света, при которой реакция не течёт ни в ту, ни в другую сторону называется компенсационной точкой по освещённости.
Интересующий нас процесс фотосинтеза обычно фиксируется по увеличению зелёной массы и зависит от ряда параметров, кроме силы воздействующего света. Обычно экспериментатор описывает световую кривую линейной зависимостью при слабом воздействии, которая переходит в плато при сильном воздействии. Для термодинамического рассмотрения очень важно и полезно внимание, с которым экспериментаторы относятся к компенсационной точке. Компенсационная точка - это точка начала эндоэргического процесса.
Поскольку спектр поглощения солнечной энергии для многих представителей флоры известен, то расчёт термодинамического предела КПД для многих растений и водорослей не составляет труда. Термодинамический предел КПД фотосинтеза на Земле не может превышать 82 %. Опираясь на это значение, термодинамика утверждает, что реальный КПД фотосинтеза светолюбивых растений не может превышать 6% (82-76 = 6), тенелюбивых растений 9%, а одноклеточных водорослей 12% (82-70 = 12).
Необходимо подчеркнуть, что эти значения сильно завышены. Они завышены сразу по двум причинам. Во-первых, мы взяли h* = 82 % считая, что листом поглощается вся солнечная радиация, соответствующая условиям у поверхности Земли, но за пределами атмосферы, когда плотность солнечной радиации равна 0,139 Вт/см2. А нужно было бы взять плотность солнечной радиации на уровне моря (после прохождения всей толщи атмосферы), когда она составляет 0,092 Вт/см2. Кроме того, надо учесть, что на видимую часть спектра приходится только 40 % всей солнечной энергии. Оба эти уточнения снизят полученные оценки.
Во-вторых, положив в основу оценки термодинамический предел h* = 82 %, мы пренебрегли необратимостью процесса (и линейной и сверх линейной!!!), а этого делать нельзя, принимая во внимание максимум и последующий спад КПД
Итак, более точный расчёт даст заметно меньшие значения, чем приведённые выше. Но этот малоэффективный процесс является всеобщим кормильцем на Земле! Это заставляет ценить его очень высоко и бороться за сохранение флоры всеми возможными способами. Вышеизложенное даёт простое объяснение выводу строго научных работ биологов: «Максимальная урожайность риса за 30 лет ничуть не изменилась. В производстве биомассы мы вышли на плато, и этому нет простого объяснения».
Простое объяснение (как показано выше) есть, и оно должно навести биологов на глубокие размышления, связанные с бесперспективностью современных исследовательских работ, ибо Природа за миллионы и миллиарды лет своих трудов очень близко придвинулась к тому, что разрешено квантовой термодинамикой.
Итак, мы видим, что по разные стороны от компенсационной точки протекают противоположные процессы, представленные вышеприведённой реакцией. В компенсационной точке они уравновешивают друг друга, а при отклонении от компенсационной точки начинает превалировать одна из борющихся противоположностей (закон диалектики).
Фотодвижение простейших организмов – удивительная и занимательная часть биологии, которая обозначилась как обособленное направление исследований в середине XIX века и к настоящему времени имеет огромный арсенал научных результатов. Различают три основных вида фотодвижения: фототаксис, фоботаксис и фотокинез. Фототаксис – это движение живого объекта к источнику света или от него. В первом случае фототаксис называется положительным, а во втором – отрицательным. Фоботаксисом называют перемещение объекта, связанное не с направлением светового луча, а с освещённостью поля. Переход объекта из темноты на свет трактуется как положительный фоботаксис, а обратный переход – как отрицательный фоботаксис. Вследствие этого пятно света будет действовать как ловушка для организмов, показывающих положительный фоботаксис, и будет выталкивать организмы с отрицательным фоботаксисом. Сохранилась докторская диссертация А. Фаминцына, который в 1866 году представил на физико-математический факультет Санкт-Петербургского университета работу, названную «Действие света на водоросли и некоторые другие близкие к ним организмы» с подзаголовком «Рассуждение, представленное для получения степени доктора». Диссертация была защищена и опубликована в том же году.
Фотокинез, в отличие от фототаксиса, не является направленным движением и характеризуется изменением скорости беспорядочного движения при изменении освещённости. Он тоже может быть положительным (увеличение средней скорости движения) и отрицательным (уменьшение подвижности биологических объектов). У многих организмов (эвглена, вольвокс, хламидомонада) реакция фотокинеза имеет латентный период в одну или несколько минут.
Мне, физику-теоретику, доставило большое удовольствие знакомство с работами экспериментаторов, изучающих фотодвижение простейших организмов. Некоторые работы вызывают восхищение простотой эксперимента и наглядностью результата. Публикации в научных журналах позволяют проследить работу мысли изучающих фотодвижение, но приходится признать, что объяснить им удалось немногое.
Как только исследователи фотодвижения перешли от качественных исследований к количественным, они обнаружили логарифмическую зависимость эффекта от освещённости. Именно она стала объектом всеобщего внимания. Изучение именно этой зависимости на самых разнообразных простейших дало материал для защиты многих научных диссертаций. Но то, что видят экспериментаторы, гораздо более разнообразно, чем то, на чём они защищают диссертации. К большому сожалению, они не смогли объяснить это разнообразие. Они не смогли ответить даже на вопрос, почему эвглена, движущаяся к источнику света, вдруг прекращает своё движение, а потом начинает убегать от источника. Этот ключевой момент аллегорически изобразил художник издательства «Знание» на обложке моей книги «Неожиданное родство» (1991).
Но самые интересные, сложные и неожиданные зависимости описал в своих публикациях 1961-62 года немецкий исследователь Вильгельм Нульч, но объяснить их он не смог. Не смогли это сделать и его коллеги. Поэтому на эти выдающиеся работы В. Нульча никто не ссылается. Не будет преувеличением сказать, что о них забыли. Между тем эти сложные зависимости имеют простое объяснение и принципиальное значение для глубокого понимания причинно-следственных связей в фотобиологии. И не только в ней. Специалист, знакомый с квантовой термодинамикой необратимых изотермических процессов, глядя на эти кривые и ничего не рассчитывая и не измеряя, может многое сообщить об изучаемых водорослях.
Сложный ход нарастающей части кривых фотодвижения объясняется существованием эффекта Пуркине, который был детально рассмотрен выше для зрения человека. Эффект был открыт для глаза человека, где он выражен гораздо слабее, но физиологи, не знакомые с законами квантовой термодинамикой, не догадались, что он обязан существовать во многих других системах. Лучше всего (и легче всего!!) его изучать на системах с хорошо разделёнными полосами поглощения. Вот где находится невозделанное поле для защиты будущих научных диссертаций!
Рис. 1 суммирует вышеизложенное. На нём пунктиром показан динамический диапазон работы глаза человека, перекрывающийся со штрих-пунктиром области фотосинтеза. Результаты исследования фотодвижения простейших организмов могут оказаться в любом месте на сплошной линии, которая одновременно является и теоретической кривой. Место нахождения результатов по фотодвижению будет определяться экспериментальными возможностями учёного. При высоком мастерстве и пытливости он получит кривые, напоминающие результаты В. Нульча.
Рис. 1. Итоговая картина расположения разных фотопроцессов на оси поглощённой энергии (логарифм Еn)
Точками на рис. 1 показана предельная эффективность солнечных батарей, работающих с использованием концентраторов солнечной энергии. Детально этот вопрос изложен в моей книге «Неожиданное родство» (1991). В совокупности результатов рис.1 есть нечто поразительное. Начиная работу, я полагала, что в итоге смогу уяснить, где лежит граница применимости законов квантовой термодинамики к живым и рукотворным техническим системам. Однако рис. 1 показывает, что законы квантовой термодинамики в равной мере применимы как к живым, так и к неживым системам. Здесь есть над чем задуматься. И здесь начинается самое интересное.
Неживые физические устройства преобразования солнечной энергии в свободную энергию (солнечные батареи) так просты, что позволяют понять ход процесса при разных уровнях внешнего солнечного воздействия. Если воздействие слабое, то солнечное излучение частично преобразуется в свободную энергию, а частично – в тепловую энергию, которую физики считают потерями. Для нас сейчас важно, что на протяжении всего линейного участка кривой рис. 1 соотношение этих двух рукавов преобразования энергии (рукав свободной энергии и рукав тепловой энергии) остаётся постоянным. Это интервал устойчивого функционирования системы.
При сильном воздействии на систему этот паритет нарушается, и в тепло преобразуется постепенно всё большая часть энергии. Система выходит за пределы устойчивого функционирования. И если рост поглощения энергии не остановить, то система выйдет из строя. Это отчётливо видно на примере солнечных батарей. Солнечные батареи помогли понять физическую суть состояния устойчивого функционирования. А когда эта суть понята, можно попробовать уяснить ситуацию в живых объектах. Вот и попробуем это сделать на том уровне, который принят у философов (ведь статья подготовлена к юбилею философа).
Начнём со зрения человека. Глаз человека имеет целевое назначение: он должен обеспечить человеку возможность видеть окружающий мир и ориентироваться в нём при любом уровне освещения. А уровень освещения на Земле при переходе ото дня к ночи и наоборот может меняться в 10 миллиардов раз и более того, и глаз человека в процессе эволюции выработал механизм, позволяющий это делать. Для этого потребовалось создать два типа приёмников света. Их попеременная и совместная работа позволяют перекрыть этот сказочно широкий диапазон изменения освещённости на Земле. Глаз чувствует себя комфортно в столь различных условиях работы, и только при самых высоких уровнях освещённости появляется чувство дискомфорта (рези в глазах). Для избавления от этого дискомфорта глаз сужает зрачок, тем самым уменьшая величину потока солнечного света, попадающую в глаз. Если этого оказывается недостаточно для возвращения чувства комфорта, то тогда следует использовать в качестве защиты от излучения солнцезащитные очки.
Следующим процессом идёт фотосинтез. Его целевое назначение очевидно: максимальный синтез углеводов, и процесс располагается в области максимума кривой рис. 1, и, несмотря на узкую полосу (диапазон) существования эндоэргических процессов в фотосинтезе, цель оказывается достигнутой.
Фотодвижение простейших организмов в зависимости от квалификации и желания экспериментатора может оказаться на любом участке кривой рис. 1. Но и от самого живого объекта зависит не малое. Так, например, у Navicula radiosa при 30 люксах наблюдался положительный топотаксис, но при освещённости в три раза более низкой (10 лк) и немного более высокой (50 лк) топотаксиса уже не было. Около 1000 люкс у Phormidium uncinatum заканчиваются условия устойчивого функционирования фотокинеза, а при освещённости около 5000 люкс заканчиваются условия устойчивого функционирования фоботаксиса у Phormidium uncinatum.
Смена знака фототаксиса и фотокинеза с положительного на отрицательный говорит о том, что простейшее живое существо обязательно стремится к максимуму КПД, который для него олицетворяет условие максимального комфорта. Поразительно, что предельно просто устроенные организмы умеют сами определять величину КПД, которую в реальной жизни можно только рассчитать, имея соответствующую квалификацию. Более вероятно то, что простейшим организмам и не нужно знать величину КПД. Им нужно знать, пройден максимум КПД или нет. А это определяется просто, ведь переход через максимум, означает потерю изотермичности: крохотному существу становится жарко от избыточного преобразования света в тепло. А сохранение температуры, как уже указывалось выше, – это главное условие их существования. Изменение температуры в сторону повышения – это простой и весьма чувствительный фактор, указывающий на прохождение максимума КПД. А после максимума, как известно, может быть только спад. В случае фотокинеза этот спад КПД весьма отчётливо приводит к гибели изучаемой особи. Таким образом на уровне индивидуумов ситуация с устойчивостью функционирования объекта достаточно ясна и отчётлива.
Второе, на что следует обратить внимание, – это наличие начала и конца эндоэргических процессов. Как уже отмечалось выше, начало процесса знаменует резкий переход количества в качество (переход в компенсационной точке от экзоэргического процесса к эндоэргическому).
Что означает конец эндоэргического процесса?
Поскольку сами эндоэргические процессы весьма разнообразны, то их окончание тоже под один знаменатель не подведёшь. Иногда окончание экзоэргического процесса не означает ничего сверх того, что процесс закончился. А иногда ситуация оказывается более серьёзной. Например, в случае солнечных батарей глубокий спад КПД при высокой концентрации солнечного излучения приводит к разрушению устройства, а в случае живого существа к его гибели. Многие цианобактерии, являясь типичными тенелюбивыми организмами, умирают за короткое время, если оказываются освещёнными полным солнечным светом. Microcoleus, как показывают эксперименты, избегает освещённости выше 2500 люкс в фотофобических процессах. Эвглена зелёная не может выдержать экспозицию полного солнечного света более нескольких часов.
Таким образом, отрицательный ответ в фототаксисах и фотокинезах – это защитная реакция организма. Положительные фотоответы – это устойчивое функционирование живого объекта, стремящегося запасти как можно больше свободной энергии для осуществления всех видов жизнедеятельности, а отрицательные – борьба за самосохранение.
Вопрос гибели природных систем отчётливо поставлен в книге Энгельса «Диалектика природы». Материя и движение неуничтожимы не только в количественном, но и в качественном отношении. «…Как бы часто и как бы безжалостно ни совершался во времени и в пространстве этот круговорот; сколько бы миллионов солнц и земель ни возникало и ни погибало; как бы долго ни длилось время, пока в какой-нибудь солнечной системе и только на одной планете не создались условия для органической жизни; сколько бы бесчисленных органических существ ни должно было ранее возникнуть и погибнуть, прежде чем из их среды разовьются животные со способным к мышлению мозгом, находя на короткий срок пригодные для своей жизни условия, чтобы затем быть тоже истребленными без милосердия, - у нас есть уверенность, что материя во всех своих превращениях остаётся вечно одной и той же, что ни один из её атрибутов никогда не может быть утрачен и что поэтому с той же самой железной необходимостью, с какой она когда-нибудь истребит на земле свой высший цвет – мыслящий дух, она должна будет его снова породить где-нибудь в другом месте и в другое время».
В этой цитате доминирует абстрактность, человеческая отстранённость, потому что Энгельс принимает во внимание самую глобальную причину гибели жизни: полное исчезновение источника энергии на Земле. А это событие во времени столь от нас удалено, что не может родить никаких эмоций. Современные проблемы нашей цивилизации дышат злободневностью и поэтому вызывают эмоции у тех, кто отчётливо понимает, что это не фантастика, а окружающая нас жизнь. И здесь строгий физический закон выводит нас на этические проблемы.
Этика, как известно, система норм нравственного поведения людей, их обязанностей по отношению к обществу, своему классу, родине и друг к другу. Отслеживая развитие человеческого общества, этика заметно и существенно меняла свои принципы. На рубеже ХIХ и ХХ веков она кроме взаимоотношения людей и народов включила ещё и отношение к Природе. Чтобы конкретизировать ситуацию, можно привести высказывания известных лиц. Так, например, всемирно известный путешественник Фритьоф Нансен в конце ХIХ века поставил задачу покорения природы, и на Земле исчезли последние белые пятна. Лозунг Ивана Мичурина: «Мы не можем ждать милостей от природы. Взять их у неё – наша задача» был успешно претворён в жизнь. Открытие Планка и реализация модели Циолковского вывели человека в космос. Это случилось в середине ХХ века. Природа была покорена.
А что мы имеем в начале XXI века? Расширяя свои возможности и желания (т.е. права), цивилизация гомо сапиенса проскочила максимум кривой рис. 1, оптимум существования нашей цивилизации, и сейчас мы находимся на спуске. Почему это требует повышенного внимания? Да потому, что характеристика спада КПД целиком и полностью зависит от поведения системы. И только от неё. Так что наше будущее в полном смысле слова сейчас находится в наших руках.
Простейшие организмы, которые университетов не кончали, считать не умеют, мозгов не имеют, а иногда даже не имеют и ядра в клетке (!), отчётливо демонстрируют одну возможность, которую открывает квантовая термодинамика необратимых изотермических процессов. В условиях максимума кривой рис. 1 простейшие организмы меняют характер своего поведения. Они не только перестают двигаться к источнику света, а начинают убегать от него.
Некоторые простейшие организмы являются носителями сразу двух функций (фотосинтеза и фотодвижения). Этот простенький факт сыграл решающую роль в эволюции жизни на Земле. В итоге жизнедеятельности этих простейших организмов появлялись углеводы и кислород. Кислород вызывал дискомфорт у первых жителей планеты. Они использовали свои двигательные возможности для того, чтобы избавиться от него. Он распространялся по всей планете и в итоге изменил тип атмосферы на Земле. Она стала окислительной, а прежде была восстановительной. Факт сам по себе предельно удивительный. Существа крохотные (размер не превышает 10 мкм, а чаще всего 2-3 мкм) изменили тип атмосферы планеты Земля диаметром более 12700 км, при толщине атмосферного слоя до 120 км. Но трудились они грамотно (не выходя за пределы максимального КПД) и долго (200 миллионов лет). По мнению альгологов (специалистов, изучающих водоросли) это случилось около 3 млрд лет назад, и честь этого преобразования альгологи отдают цианобактериям. Они создали атмосферу, в которой смог появиться человек. Поведенческая реакция цианобактерий не только создала новую атмосферу, но и позволила им самим выжить в этой новой среде и открыть дорогу другим более сложным организмам, среди которых венцом творения стал человек (гомо сапиенс). Он оказался великим изобретателем и создал много чего прежде небывалого, например, общество, деньги, книги и технику. Техническая революция началась в начале 18 века, и её успехи полностью определила термодинамика с её строгими законами и запретами.
И здесь сам собой возникает вопрос, является ли вышеописанный закон квантовой термодинамики необратимых изотермических процессов столь же жёстким диктатором в популяции живых объектов. Вполне отчётливый ответ на него дают всё те же простейшие организмы на примере вертикальной зональности жизни в океане. Слой воды сильно ослабляет воздействующее на организм излучение. Давно и надёжно установлено, что на глубине 10 метров живут зелёные водоросли. Под ними до глубины 25 метров располагаются бурые водоросли. А ещё ниже на глубине до 100 метров обитают красные водоросли. Каждая отдельная особь находит максимальные условия комфорта для себя. А поскольку особи очень похожи друг на друга, то и условия комфорта для них мало отличны, поэтому в океане и появляются широкие полосы обитания разных популяций. Итак, комфорт отдельной особи - залог комфорта всей популяции. Получается, что на уровне простейших организмов, которые живут по строгим законам термодинамики, вроде бы всё ясно. Но научное познание мира требует более широкого круга экспериментов.
Те эксперименты на уровне популяций, которые мне удалось обнаружить, не смогли удовлетворить меня качеством постановки эксперимента, потому что кривая, нарисованная от руки, для меня является работой художника (или чертёжника), а не учёного. Но наличие трёх точек нулевого значения эффективности соответствует законам квантовой термодинамики, и это удерживает внимание учёного, требуя какого-то объяснения. Всё это в итоге привело меня к мысли о необходимости поинтересоваться работами Римского клуба, который поставил перед собой задачу научного выявления причин современного тревожного состояния нашей цивилизации.
Я уже не раз писала в разных изданиях, что попытка учёного выйти за строгие границы своего предмета, ничего хорошего ему не обещает, и была готова ко всему. К немалому своему удивлению, я обнаружила, что экономисты, которые преобладают в Римском клубе, в лице Данеллы и Денниса Медоузов рассмотрели ту же схему, которую я положила в основу квантовой термодинамики необратимых изотермических процессов. Но есть и существенное отличие. Оно состоит в том, что термодинамика не допускает никакого волюнтаризма. На её результаты мои желания и пожелания никак повлиять не могут. Исследователь смотрит на термодинамическую систему глазами внешнего наблюдателя, а она выдает закон Природы. У экономистов ситуация другая. Они рассматривают систему, находясь внутри неё, и могут влиять на параметры системы. Медоузы рассмотрели более десятка систем с разными параметрами (и могут увеличить их число!), и все системы выдали один и тот же результат: катастрофу при условии дальнейшего технического прогресса. Это должно было навести их на мысль о существовании некоторой непреодолимой силы, и они увидели её в экспоненте.
Конечные результаты термодинамического и экономического рассмотрения совпали. Эти исследования были начаты приблизительно в одно и то же время. Но мотивация их была различна. Я просто искала термодинамические законы преобразования электромагнитного излучения, а Римский клуб пытался найти научный ответ на вопрос о трудностях развития нашей цивилизации. Они видели эти трудности, а я о них даже не подозревала. Мне было непонятно, почему первыми обеспокоились экономисты. И лишь много позже я поняла, как прост ответ. Экономисты ежедневно фиксируют соотношение между продуктом и затратами на его получение. Эта величина является гуманитарным эквивалентом технического КПД, который лежит в основе всей техники. Они очень близкие родственники. Медоузы нашли приём, чтобы наглядно продемонстрировать непреодолимую силу угасания цивилизации. А термодинамика и цианобактерии показали, что судьба системы зависит от степени её сопротивления непреодолимой силе чрезмерного внешнего воздействия. Именно термодинамика выявила корень всех разнообразных тревожных и печальных событий – это запредельная суммарная величина потребляемой на планете энергии. У нашей цивилизации в середине ХХ века обозначились трудности, которые Римский клуб связал с народонаселением и движением капитала, а в действительности они вызваны величиной потребляемой энергии. Эта величина оказалась чрезмерной для планеты. Правильное понимание причин событий может спасти цивилизацию, если удастся изменить этические нормы, принятые гомо сапиенсом. Для успеха он должен включить в понятие этики свои обязанности по отношению к планете.
По словам Маркса, идея, овладевшая массами, становится материальной силой. Да ещё какой!!! В начале ХХ века русский учёный академик Вернадский отмечал, что деятельность человека приобретает уровень геологической силы. Метод противодействия наступающей катастрофе демонстрируют своим поведением цианобактерии: возврат (шаг назад) по типу отрицательных фототаксисов простейших организмов. Он мало кому понравится, потому что лишит человека многих удобств. Чтобы принять такую форму поведения, нужно очень отчётливо видеть глубину и силу надвигающейся катастрофы.
Кривая с максимумом – это предмет для размышления. Спадающее крыло сводит на нет (отрицает) то, что обеспечило нарастающее крыло. И в этом смысле фотодвижение простейших – это самое наглядное олицетворение закона отрицания отрицания, потому что достигнув максимума и уже немного потеряв в КПД, они останавливаются и изменяют направление движения (убегают от источника света). Секрет эволюционного развития, по-видимому, состоит в умении (таланте) уловив начало спада КПД, дать задний ход. Тогда достижения предыдущего роста (благодаря необратимости процессов!!!) не будут потеряны, и с гарантией сохраняется жизнь живой системы. Пребывая в условиях оптимума существования, можно поискать новые пути развития. И если они не будут найдены, то (как цианобвктерии) существовать миллионы лет без ощутимых изменений. Это гораздо лучше, чем позволить ниспадающему крылу кривой рис.1 довести до нуля процесс полезного преобразования энергии и исчезнуть с поверхности Земли, став в перспективе объектом палеонтологических исследований.
Наша цивилизация прошла через оптимум своего развития. Сейчас об этом можно говорить с большой долей уверенности потому, что первый и самый надёжный способ фиксации уменьшения КПД эндоэргического процесса - это повышение температуры системы. Об этом в семидесятые годы первыми заговорили полярники, обратив внимание общественности на усиление таяния льдов в Антарктиде. Этот факт никого, кроме полярников, не обеспокоил. Но процесс нарастал, угрожая затоплением многих прибрежных низменных земель в разных странах. Сейчас российские полярники уже обеспокоены вопросом, как сохранить от затопления памятники, установленные на островах Ледовитого океана в честь первопроходцев и исследователей Арктики.
Потепление климата в настоящее время уже обеспокоило жителей едва ли не всей планеты. Где-то уходят под воду коралловые рифы, а где-то сокращаются пляжи и потоки туристов, которые обеспечивают работой местное население. Обеспокоены даже обыватели, разводящие огороды в предместьях больших городов на разных материках.
Процессу потепления климата уже полвека, и он дал логические последствия печального хода событий. Живые объекты, как уже говорилось, имеют узкий температурный интервал существования. На изменение температуры первыми отреагировали простейшие организмы, которые строго и аккуратно подчиняются термодинамическим законам. Они живы, покуда не вышли из-под этого подчинения. Так мир узнал о существовании коронавируса, который круто изменил внешний вид обывателя, заставив его носить маску и перчатки. Он повлиял на работу промышленности и остальных отраслей хозяйства всех стран, блокировал работу авиации и торговых точек, перевёл в пожарный режим работу здравоохранения всех стран и сделал основной задачей современной науки разработку вакцин от коронавируса. Так появилась вторая область тревог современного этапа существования нашей цивилизации.
Но уже обозначилась и третья область. Её заметили, но не поняли её значимость и место в жизни нашей цивилизации. В начале октября 2020 средства массовой информации широко оповестили мир о гибели 95% обитателей морского дна в Авачинской бухте на Камчатке. Привлечённые для расследования квалифицированные биологи Кроноцкого заповедника дали ответ: виноваты динафлаггелятты, и обеспокоенные экологи успокоились: причина найдена. А зря успокоились!!! Потому что остался вопрос, что стимулировало простейших, которые живут по строгим законам термодинамики.
С небольшим интервалом в экологических сетях прошло сообщение о гибели в Каспийском море 262 каспийских тюленей (вид с быстро сокращающейся численностью). Шума в прессе не случилось, местные жители пытаются разобраться в причинах собственными силами, и никакой доктор Айболит им не помогает. Фридрих Энгельс в своё время определил диалектику как науку о связях, но эти связи не всегда видны невооружённым глазом. Во многих случаях требуется привлечение узких специалистов и современной теоретической науки.
У всех трёх трудностей существования нашей цивилизации квантовая термодинамика необратимых изотермических процессов усматривает один общий корень. Он связан с чрезмерно высоким уровнем потребления энергии на планете.
Заканчивая статью и говоря словами Эйнштейна, мне «хотелось бы надеяться, что предлагаемая здесь точка зрения принесёт пользу и другим исследователям в их изысканиях». Развиваемая в этой статье идея изложена (я надеюсь) доступно для понимания не только учёных, но и широких слоев населения, которым следует задуматься об этических нормах своего поведения.
Но достаточно ли оставшегося времени для предотвращения катастрофы?
***
Чукова Юлия Петровна. Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, автор термодинамической теории необратимых изотермических процессов в системах, взаимодействующих с электромагнитным излучением. Почётный член Московского общества испытателей природы (МОИП), эксперт ЮНЕСКО. Опубликовала более 300 научных статей и 31 книгу разных жанров (от научных монографий до сборников стихов)
