Составим для этого прежде всего в общем виде энергетический баланс, характерный для растений, а затем такой же для животных. Такой баланс можно представить достаточно надежно, если не углубляться в существо сложнейших биологических процессов, а ограничиться входящими и выходящими потоками энергии.

На рис. 4.3 представлена схема материального (потоки вещества) и энергетического балансов растения, основанных на законах сохранения массы и энергии. Чтобы составить такие балансы, окружим растение так называемой замкнутой контрольной поверхностью (штриховая линия), чтобы учесть все входящие и выходящие потоки. Если хотя бы один из них ускользнет от учета (или, наоборот, будет учтен тот, который через контрольную поверхность не проходит), баланс станет неверным. Тогда никаких мало-мальски стоящих выводов из него делать нельзя. Мы постараемся не допустить такой ошибки.

Материальный баланс будет иметь вид

М₂ + М₄ + М₅ — (М₃ + М₆) = ΔМ₀.

Это уравнение показывает: все, что получает растение (М₂ + М₄ + М₅) за определенный отрезок времени, за вычетом того, что оно отдает (M₃ + M₆) идет на приращение ΔМ₀ его массы, связанное с ростом. Аналогичное уравнение получится и для энергии:

W₁ + W₂ + W₄ + W₅ — (W₃ + W₆) = ΔW₀.

Здесь ΔW₀ — прирост внутренней энергии растения, определяемый увеличением его массы при росте.

Чтобы установить, нарушает эта система второй закон термодинамики или нет, нужно проверить, что происходит с энтропией в процессе жизнедеятельности растения: увеличивается она или уменьшается?

Очевидно, что живая ткань растения более высоко структурно организована, чем поступающие из воздуха питательные вещества. Поэтому при образовании такой ткани (с массой ΔM₀) ее энтропия будет несомненно меньше, чем суммарная энтропия исходных веществ (СО₂, H₂O) и питательных веществ почвы). В этом смысле образование и накопление живой ткани растения и поддержание ее существования будет, несомненно, антиэнтропийным процессом. Но никак нельзя забывать, что одновременно неизбежно меняется энтропия потоков вещества и энергии, проходящих через контрольную поверхность. Здесь получается обратная картина (рис. 4.3): суммарная энтропия выходящих потоков (3 и 6) неизбежно оказывается много большей, чем входящих (7, 2, 4 и 5). Это объясняется тем, что энтропия поглощаемого солнечного излучения[60] сравнительно невелика, так же как и поступающих из почвы минеральных солей; энтропии газов — кислорода и СО₂ — близки по значениям. Зато энтропия водяного пара, отдаваемого листьями, относительно велика (примерно в 3 раза больше, чем у воды). В результате энтропия потоков, проходящих через контрольную поверхность, возрастает намного больше, чем снижается энтропия веществ, превращающихся в органическую ткань.

Если первую величину — прирост энтропии — обозначить через ΔS', а вторую (уменьшение энтропии) — через ΔSʺ, то оказывается, что всегда ΔS' >> ΔSʺ.

Следовательно, в целом энтропия неизбежно возрастает на величину

ΔS = ΔS' — ΔSʺ >> 0.

Другими словами, растения только потому могут расти антиэнтропийно, что «сбрасывают» избыток энтропии в окружающую среду; при этом прирост энтропии в ней намного больше, чем снижение ее в самом растении. Поэтому все рассуждения об «антиэнтропийной природе растительной жизни», о «нарушении второго закона термодинамики» совершенно неверны. Они основаны на неполном учете всех величин, определяющих общее изменение энтропии, подмене точного анализа и расчета общими рассуждениями.

Если взять другую часть органического мира — животных, то здесь наблюдается та же картина. Животные, питаясь растениями (или другими животными), а также поглощая воду и кислород воздуха, выделяют СО₂, теплоту и продукты, получаемые в результате переваривания пищи. Энтропия всего того, что выделяется, намного больше энтропии того, что поглощается. В результате уменьшение энтропии, происходящее как при образовании новых органических тканей и отмирании старых, оказывается намного меньше, чем общий прирост энтропии. Животные тоже «сбрасывают» излишнюю энтропию в окружающую среду, развивая или поддерживая таким путем свою внутреннюю высокоорганизованную малоэнтропийную структуру. В целом энтропия опять неизбежно растет. Очень наглядно проиллюстрировал это положение Э. Шредингер, о котором мы уже упоминали. Он писал так: «Энтропия кошки уменьшается за счет того, что возрастает энтропия системы «кошка + мышь»; т. е. то, что получается из мыши после того, как кошка ее съест и переварит, имеет значительно большую энтропию, чем мышь».

Таким образом и с другой, биологической стороны опровергнуть второй закон тоже не удается. Остается еще одна, последняя возможность — создать техническое устройство (или найти готовое), которое действовало бы вопреки второму закону термодинамики. Лучше всего, конечно, было бы, если бы такая система была двигателем и производила работу; но это в конце концов необязательно. Для доказательства достаточно только указать любую систему такого рода, поскольку возможность ее, существования однозначно определяет и возможность создания действующего ppm-2. В последнем параграфе этой главы мы рассмотрим одно такое устройство — тепловой насос, принцип действия которого уже обсуждался на стр. 125. По мнению многих сторонников «энергетической инверсии», он своей работой наилучшим образом опровергает второй закон термодинамики.

Прежде чем приступить к разбору теплового насоса, полезно проделать небольшую работу по ознакомлению с одним термодинамическим методом, который позволяет просто и наглядно определять, может ли работать любое предложенное устройство с точки зрения второго закона термодинамики, и если может, то какова его термодинамическая эффективность. Это не только очень удобно для анализа теплового насоса, но и позволит дополнительно рассмотреть роль второго начала термодинамики в биологии.

Энтропия — основная величина, определяющая возможность (или невозможность) протекания процессов в любых системах преобразования вещества и энергии с позиций второго закона термодинамики. Суммарная энтропия неизменна или растет — процесс возможен; уменьшается — невозможен. В рассмотренных выше случаях мы успешно пользовались именно этим фундаментальным свойством энтропии для того, чтобы определить, что может быть в энергетических превращениях и чего быть не может. Однако не только этим свойством определяются возможности практического использования энтропии. Она может помочь в решении другой, не менее важной задачи — определить качество энергетических превращений (а следовательно, и любых устройств, в которых они производятся).

Когда говорят об энергосберегающей технологии, об уменьшении потерь энергии, то речь по существу идет не об энергии в количественном смысле. Нужно четко понимать, что в количественном отношении энергию сберегать не нужно, об этом автоматически заботится первый закон термодинамики — закон сохранения энергии. Любое техническое устройство (да и вообще все на свете, что живет и движется) действует всегда так, что энергия сохраняется: сколько ее входит, столько неизбежно и выходит; она никогда не теряется. Поэтому сбережение энергии — это по существу сбережение ее качества. Именно об этой качественной стороне энергии писал Энгельс в «Диалектике природы». Любая технология и технические устройства, в которых она осуществляется, тем совершеннее, чем меньше будет возрастать энтропия в результате их функционирования, т. е. чем меньше будет «портиться» энергия.