Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джонджо МакФадден

Многие ученые уверены, что так оно и есть, однако все не так просто, как кажется. Теория сложности изучает тенденцию определенных форм хаотического движения к упорядоченности благодаря феномену самоорганизации. Например, как мы уже говорили, молекулы жидких веществ движутся абсолютно хаотично, однако, когда вы открываете сливное отверстие в ванне, вода вдруг начинает двигаться вокруг него в строго определенном порядке — по часовой стрелке или против нее. В видимом мире подобный «порядок неупорядоченности» можно также наблюдать в формах конвекционных потоков нагреваемой воды, в ураганах и торнадо, в красном пятне на Юпитере и во многих других природных явлениях. Самоорганизация является неотъемлемым признаком некоторых биологических явлений, например роения насекомых и образования стай у птиц и рыб, рисунка полосок на шкуре зебры, сложной фрактальной структуры листьев некоторых растений.

Все упомянутые выше системы примечательны тем, что их видимый «порядок из неупорядоченности» не отражается на молекулярном уровне. Если бы у вас был мощный микроскоп, с помощью которого вы могли посмотреть на молекулы в воронке воды, стекающей в слив, вы бы с удивлением обнаружили, что их движение хаотично, хоть в нем и присутствует едва уловимое смещение от хаотичности к тенденции двигаться по часовой стрелке или против нее. На молекулярном уровне остается лишь хаос, однако это хаос с небольшим смещением в сторону упорядоченности, которое на макроскопическом уровне может выглядеть как упорядоченное движение, то есть «порядок из хаоса», как иногда называют этот принцип[183].

Концептуально принцип «порядок из хаоса» напоминает «порядок из неупорядоченности» Эрвина Шредингера. Принцип Шредингера, как мы уже говорили, лежит в основе движущей силы парового двигателя. Однако, как мы с вами обнаружили, жизнь основывается на других механизмах. Несмотря на то что внутри живой клетки происходит беспорядочное движение молекул, механизм жизни связан с упорядоченным движением — отточенной хореографией элементарных частиц внутри ферментов, фотосинтетических систем, молекул ДНК и других веществ. Жизнь обладает упорядоченностью на молекулярном уровне. Таким образом, нельзя объяснить фундаментальные признаки живой материи только принципом «порядок из хаоса». Жизнь не имеет ничего общего с паровой машиной.

Тем не менее недавние исследования показали, что механизм жизни, возможно, действует именно по образцу квантовой версии парового двигателя.

Принцип работы паровой машины был впервые описан в XIX веке французским ученым Саади Карно. Его отцом был известный государственный деятель, военный министр при Наполеоне Лазар Карно, который еще при Людовике XVI служил в инженерных войсках. После смещения короля Лазар Карно не покинул Францию, как это сделали многие дворяне, а поддержал революцию. Как военный министр, он взял на себя ответственность за формирование французской революционной армии, которая давала отпор прусским войскам. Однако Лазар Карно был не только блестящим военным стратегом, но и математиком, любителем музыки и поэзии (он назвал сына в честь средневекового персидского поэта Саади Ширази) и инженером. Он также написал книгу о том, как машины превращают одну форму энергии в другую.

В Саади проявился революционный и националистический пыл отца, когда он в 1814 году, будучи студентом, принимал участие в обороне Парижа от прусской армии, взявшей город в осаду. Он также унаследовал инженерный талант отца. Саади Карно является автором замечательной книги «Размышления о движущей силе огня» (1823 год), которая считается основополагающей работой по термодинамике.

Одним из источников вдохновения Карно было изучение устройства паровых машин. Он был убежден, что поражение Франции в наполеоновских войнах было напрямую связано с тем, что его страна не успела укротить силу пара и направить ее на создание тяжелой промышленности, как это успешно сделала Англия. Несмотря на то что паровая машина была изобретена и поставлена на производство в Англии, ее устройство было далеко не совершенно. В сущности, оно представляло собой результат проб, ошибок и во многом интуитивных решений шотландского изобретателя Джеймса Уатта. Несовершенство устройства объяснялось недостаточной теоретической базой. Карно стремился исправить ситуацию. Он провел математические расчеты и описал, как необходимо использовать тепловую машину (такую, какие приводили в движения поезда), чтобы ее работа представляла собой круговой процесс, получивший в науке название «цикл Карно».

Цикл Карно описывает принцип, согласно которому тепловая машина переносит энергию из тепла в холод и использует некоторое количество этой энергии для выполнения определенной работы, а затем возвращается в исходное положение. Например, паровая машина переносит горячий пар (теплоту) из нагревателя в конденсатор, где пар охлаждается, но в процессе переноса использует некоторое количество энергии пара для механической работы: энергия передается поршню, а следовательно, и колесам локомотива. Охлажденная вода снова возвращается из конденсатора в нагреватель, и весь процесс (цикл Карно) вновь повторяется по кругу.

Принцип цикла Карно применим ко всем типам двигателей, использующих тепловую энергию для выполнения любой механической работы, — от паровых машин, положивших начало промышленной революции, до современных бензиновых двигателей и электронасосов, поддерживающих низкую температуру в холодильниках. Карно показал, что эффективность любого двигателя, или, как он сам говорил, «любой тепловой машины, какую только можно вообразить», зависит от нескольких фундаментальных принципов. Кроме того, он доказал, что КПД любой классической тепловой машины не может превышать теоретически выведенного максимума, известного как предел Карно. Например, КПД электромотора, который тратит 100 Вт электроэнергии на производство механической силы 25 Вт, составляет 25 %. Классические тепловые машины не отличаются высокой эффективностью.

Принципы работы и ограничения возможностей тепловых машин, описанные Карно, настолько универсальны, что могут быть применимы к описанию, например, размещенных на крышах некоторых зданий фотоэлементов, которые улавливают энергию света и превращают ее в электроэнергию. Те же принципы подходят и к описанию действия биологических фотоэлементов, заключенных в хлоропласты, содержащиеся в листьях растений (мы уже говорили о них в этой книге). Подобная квантовая тепловая машина выполняет работу, схожую с работой классической тепловой машины, с той лишь разницей, что пар здесь уступает место электронам, а источник теплоты — фотонам света. Сначала электроны поглощают фотоны и получают энергию. Они могут отдать эту энергию, если требуется, на проведение полезной химической работы. Данная идея была сформулирована в одной из работ Альберта Эйнштейна, а гораздо позднее легла в основу разработки лазера. Проблема заключается в том, что большое количество электронов, захвативших фотоны, растрачивают энергию и теряют теплоту еще до того, как успевают применить ее с пользой. Таким образом, у квантовой тепловой машины также есть предел КПД.