ИНФОРМАЦИЯ, ТЕРМОДИНАМИКА И КОНСТРУКЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Л.А.Блюменфельд (МГУ им. М.В.Ломоносова)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 7, 1996 г. Содержание

---

СКОЛЬКО СТОИТ БИОЛОГИЧЕСКАЯ УПОРЯДОЧЕННОСТЬ?

Почти во всякой книге, посвященной теоретической биологии и биофизике, можно встретить слова об удивительной упорядоченности биологических структур на всех уровнях от макромолекул до человека. Рассуждения об антиэнтропийных тенденциях живого, об антиэнтропийном характере биологической эволюции стали общим местом не только у биологов и философов, но и у физиков. Эти утверждения основаны на чувстве удивления, которое испытывают ученые, наблюдающие биологические структуры и процессы. Для утверждения, что упорядоченность одной системы выше, чем другой, нужно эти упорядоченности измерить. Измеримая, выражаемая числом упорядоченность может относиться лишь к макросостоянию системы. В распоряжении физики имеется пока лишь одна величина, характеризующая степень упорядоченности - энтропия. Оценим поэтому изменения энтропии, связанные с возникновением биологической организации.

Упорядоченность построения многоклеточного организма из клеток

Тело человека содержит примерно 10¹³ клеток. Допустим, что среди них нет ни одной пары одинаковых и что ни одну пару нельзя поменять местами без нарушения функционирования организма. Это значит, что относительное расположение клеток в теле человека однозначно. Количество информации, необходимой для построения такой единственной структуры из 10¹³! возможных,

(6)

Отсюда следует, что понижение энтропии при построении организма человека из клеток составит

(7)

При испарении одного грамма воды энтропия повышается примерно на 1 эе. Таким образом, понижение энтропии при переходе от хаотически расположенных клеток к организму человека численно равно повышению энтропии при испарении 10^-9 грамм воды. Принятые постулаты об отсутствии одинаковых клеток и о невозможности их перестановок лишь увеличили рассчитанное по формуле (6) количество требуемой информации, так что на самом деле гораздо меньше.

Упорядоченность построения клетки из биополимеров

Количество молекул биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полиуглеводов и др.) в одной клетке составляет в среднем 10⁸. Допустим снова, что все молекулы различны, а их относительное расположение уникально. Количество информации, необходимой для построения одной клетки из готовых биополимеров,

(8)

а для всех клеток в организме человека 2,6*10²² бит, что соответствует понижению энтропии примерно на 6*10^-2 эе.

Упорядоченность построения белков и ДНК из мономеров

Организм взрослого человека содержит около 7 кг белков и 150 г ДНК, что соответствует аминокислотных и нуклеотидных остатков. Для создания единственной последовательности из 20³*10²⁵ возможных, для белка необходимо бит. Для ДНК необходимо бит. В пересчете на энтропию получаем для белков и ДНК 300 и 1,4 эе соответственно. Таким образом, упорядоченность биологической организации человеческого тела "стоит" 301,5 эе и подавляющий вклад вносит упорядоченное распределение аминокислотных остатков в белках. Понижение энтропии при возникновении такой биологической организации с легкостью компенсируется тривиальными физическими и химическими процессами. Повышение энтропии на 300 эе обеспечивается испарением 170 г воды. Эти оценки показывают, что возникновение и усложнение биологической организации происходит практически "бесплатно". Все разговоры об антиэнтропийных тенденциях биологической эволюции основаны на недоразумении. Согласно физическим критериям, любая биологическая система упорядочена не больше, чем кусок горной породы того же веса. Хотя эти оценки не могут быть оспорены, они вызывают чувство неудовлетворенности. Ведь без всяких расчетов поразительная упорядоченность биологических структур и процессов совершенно очевидны. Если физика говорит, что эта упорядоченность ничего не стоит, то хочется ответить: тем хуже для физики. Интуитивно чувствуется, что биоструктуры обладают особой упорядоченностью, измерять которую в энтропийных единицах, конечно, можно, но многого для понимания особенностей живой материи при этом не стоит ожидать. В основе ощущения особой упорядоченности биологических структур лежит то обстоятельство, что она имеет смысл. Осмысленно то, что имеет цель.

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: информация - энтропия - термодинамика Публикации со словами: информация - энтропия - термодинамика
См. также: Голографический принцип и чайник Голографический принцип Информация Горячие черные дыры Математическая теория связи Энтропия большого канонического ансамбля в расширяющейся Вселенной Абсолютная температура