Живые существа – необычные объекты. Пусть и смутно, люди осознавали это всегда. Естественные науки, оформившиеся в XVII веке и достигшие своего расцвета в XIX веке, не столько сгладили, сколько, наоборот, обострили это впечатление. По сравнению с физическими законами, управляющими макроскопическими системами, само существование живых организмов представлялось парадоксом, нарушающим фундаментальные принципы, на которых зиждется современная наука. Но какие именно? Ответ неочевиден. Следовательно, главная задача состоит в том, чтобы проанализировать природу этого «парадокса». Это позволит уточнить связь с физическими законами двух важнейших свойств, характеризующих живые организмы: репродуктивной инвариантности и структурной телеономии.
На первый взгляд инвариантность представляется глубоко парадоксальным свойством, ибо поддержание, воспроизведение и приумножение высокоупорядоченных структур явно противоречат второму закону термодинамики. Согласно данному закону, ни одна макроскопическая система не развивается иначе как в нисходящем направлении, к деградации характеризующего ее порядка.
Впрочем, второй закон справедлив и поддается проверке только в том случае, если мы рассматриваем общую эволюцию энергетически изолированной системы. Внутри такой системы, в одной из ее фаз, мы наблюдаем образование и рост упорядоченных структур, хотя общая эволюция всей системы не перестает удовлетворять второму закону. Лучший пример – кристаллизация насыщенного раствора. Термодинамика такой системы хорошо изучена. Локальное упорядочение, представленное объединением изначально неупорядоченных молекул в идеально организованную кристаллическую сеть, «оплачивается» передачей тепловой энергии от кристаллической фазы к раствору: энтропия – или хаотичность – системы в целом увеличивается в строгом соответствии со вторым законом.
Данный пример показывает, что в изолированной системе локальная упорядоченность не противоречит второму закону. Мы уже указывали, однако, что степень упорядоченности, присущая даже простейшему организму, несравнимо выше степени упорядоченности, свойственной кристаллу. Возникает вопрос: совместимо ли поддержание и инвариантное приумножение таких структур со вторым законом? Проверим это с помощью эксперимента, сопоставимого с процессом кристаллизации.
Возьмем миллилитр воды, содержащий несколько миллиграммов простого сахара, такого как глюкоза, а также минеральные соли, состоящие из элементов, которые входят в химический состав живых организмов (азот, фосфор, сера и др.), и вырастим в этой среде бактерию, например Escherichia coli (длина 2 мкм; вес приблизительно 5×10–13 грамм). Спустя тридцать шесть часов раствор будет содержать несколько миллиардов бактерий. Мы обнаружим, что около 40 % сахара было преобразовано в клеточные компоненты, а остальная часть была окислена в углекислый газ и воду. Проведя эксперимент в калориметре, мы можем подвести термодинамический баланс и убедиться, что, как и в случае кристаллизации, энтропия системы в целом (бактерии плюс среда) возросла на величину, незначительно превышающую минимум, предписываемый вторым законом термодинамики. Таким образом, несмотря на то, что чрезвычайно сложная система, представленная бактериальной клеткой, не только сохранилась, но и приумножилась в несколько миллиардов раз, термодинамический долг, соответствующий этой операции, был должным образом погашен.
Никакого поддающегося определению или измерению нарушения второго закона не произошло. Тем не менее что-то в результатах этого эксперимента неизменно смущает нас, не согласуется с нашими интуитивными представлениями о физике наблюдаемого явления. Но что? Мы видим явный сдвиг процесса в направлении размножения клеток. Последние, конечно, не нарушают законов термодинамики, скорее наоборот. Они используют их так, как это сделал бы хороший инженер, дабы максимально эффективно реализовать замысел и осуществить «мечту» каждой клетки (как выразился Франсуа Жакоб): стать двумя клетками.
В следующей главе мы попытаемся получить представление о сложности, изощренности и эффективности химических механизмов, обеспечивающих осуществление замысла, требующего синтеза нескольких сотен различных органических компонентов, их соединения в несколько тысяч типов макромолекул, а также мобилизации и использования, где это необходимо, химического потенциала, высвобождаемого окислением сахара. Разумеется, я говорю об образовании клеточных органелл. Впрочем, в инвариантном воспроизведении этих структур нет никакого физического парадокса: благодаря совершенству телеономического аппарата, считающего каждую калорию, инвариантность отпускается по цене, ни на грош не превышающей ее термодинамической стоимости. Несмотря на всю сложность задачи, уровень эффективности этого аппарата настолько высок, что почти недосягаем для искусственных машин. Телеономический аппарат абсолютно логичен, удивительно рационален и отлично приспособлен к своей цели: поддерживать и воспроизводить структурную норму. Этой цели он достигает, не отступая от физических законов, но используя их исключительно в интересах собственной идиосинкразии. Само наличие цели, преследуемой и реализуемой телеономическим аппаратом, кажется нам «чудом». Чудом? Нет, подлинная проблема заключается не в физике явления; она кроется гораздо глубже, в нашем интуитивном представлении о нем. В действительности нет никакого парадокса или чуда – есть вопиющее эпистемологическое противоречие.