Живое и неживое - Жизнь с позиций физики: разделение живого и неживого

До появления современного научного знания живое и неживое рассматривалось людьми как два противоположных явления, не имеющих между собой почти ничего общего.

Даже с появлением первых научных исследований в биологии господствовало мнение, что если и существуют какие-либо законы природы, то они различны для физико-химических и биологических явлений. Однако при постепенном проникновении методов физики и химии в биологические исследования становилось ясно, что многие, казавшиеся ранее таинственными, биологические явления могут быть описаны как определённые комбинации физических и химических процессов. Со временем становилось всё меньше неразгаданных биологических явлений и возник вопрос: Можно ли будет в конечном итоге полностью понять строение и функционирование живого, опираясь только на физику и химию? Мнения учёных по этому вопросу разделились на два направления.

Первое направление получило название физикализм. Его сторонники утверждают, что в живом ничего нет, кроме физических и химических процессов, и со временем живое можно будет полностью математически описать, рассчитать любые варианты его строения и поведения, опираясь только на законы физики и химии.

Второе направление получило название витализм. По мнению сторонников этого направления, живое принципиально отличается от неживого тем, что помимо физических и химических сил в живом действуют особые непознаваемые жизненные силы («сила жизни»,  лат. «vis vitalis»). Поэтому живое никогда нельзя будет полностью описать и математически рассчитать только на основе законов физики и химии.

К этому направлению можно отнести и тех учёных, которые считают, что помимо материи в мире существует нематериальная субстанция, наличие которой и определяет превращение неживой материи в живую. Одни называют эту субстанцию энтелехией, другие – духом, душой, используют и иные термины.

Одним из первых доводов виталистов в пользу необходимости применения понятия жизненной силы был тезис о том, что поведение живых организмов не соответствует первому закону термодинамики. Если для перемещения неживого физического тела (камня) необходимо действие внешней силы (воздействие со стороны другого тела), которая в соответствии с законами механики произведёт работу с затратой энергии: Е = F l, где F – сила, l – расстояние, на которое произведено перемещение, то перемещение животного, как казалось первоначально, может начаться без каких-либо видимых причин, и непонятно, какая сила производит работу по перемещению его массы.

 Дальнейшее изучение физиологических механизмов превращения энергии в живых организмах показало, что они имеют способность находить источники энергии, накапливать энергию в своём теле и в дальнейшем использовать её по мере необходимости. Схема эксперимента, с помощью которого доказывается, что производимая животным работа строго соответствует получаемой извне энергии, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Опыт, показывающий эквивалентность количества тепла, образующегося в теплоизолированной камере с животным и количества энергии, поступающей с пищей

В теплоизолированную камеру помещают животное, которое получает строго контролируемое по калорийности QП количество пищи. По изменению температуры Dt в камере определяют количество образующегося тепла QК. Наблюдения показывают, что при изменении количества пищи всегда соответствующим образом меняется количество образующегося тепла, т.е. выполняется равенство: QП = QК. Из этого следует, что закон сохранения энергии полностью справедлив и для живых организмов.

Следующим доводом виталистов в пользу использования жизненной силы было утверждение о том, что если в неживой природе все процессы протекают в сторону увеличения энтропии, всё (вещество и энергия) стремится рассеяться, разрушиться, перейти в более вероятное состояние, то в живой природе наблюдается противоположная, антиэнтропийная тенденция, когда из простых неорганических молекул образуются сложные, маловероятные упорядоченные структуры. Энтропия живого понижается. Причиной понижения энтропии виталисты считали жизненную силу.

Ошибка такого объяснения состояла в том, что закон возрастания энтропии справедлив только для изолированных систем. Не изолированные системы, испытывающие воздействия среды, даже и в неживой природе, при определённом стечении обстоятельств могут понижать свою энтропию. Но обязательным условием для этого является поступление энергии.

 Например, снег, лежащий на вершине горы, со временем переходит в более вероятное состояние – скатывается к подножью. Однако через некоторое время на вершине вновь появляется снег, система переходит в состоянии с более низкой энтропией. Источником энергии для этого является солнечная радиация, которая нагревает океан, приводит к испарению воды с последующим образованием осадков .

Таким образом, дать содержательное определение живой материи оказалось трудно. В учебниках обычно идут по пути перечисления признаков, которые характерны для живого, но при рассмотрении этих признаков можно обнаружить, что все они встречаются и у объектов, которые определяют как неживую природу. В таблице 1 приведено такое сопоставление. Из него можно сделать вывод: попытка найти какой-либо один абсолютный, характерный признак живого — занятие малоперспективное. Следовательно, в живых системах не обнаруживается никаких свойств, которыми не обладали бы разные неживые объекты .

Более того, в пространстве рассмотренных признаков, например, вирус или бактериофаг нельзя назвать живыми организмами в полном смысле слова, скорее, это сложные композитные материалы, но решающие задачи поиска, узнавания и размножения путём уничтожения клетки или бактерии.

Таблица 1. Признаки живой и неживой материи