Каковы будут общие формы законностей, если для кристаллизации возможно самопроизвольное зарождение.
Попробуем выяснить в этом более простом случае — кристаллизации, каковы будут общие формы законностей, если для кристаллизации возможно самопроизвольное зарождение, если центром кристаллизации будет не готовый кристалл-зародыш, а что-то другое. Выяснив общие условия этого явления с точки зрения условий равновесия системы, перенесем эти условия на явления жизни.
Мы можем быть уверены, что в общей форме, нами изучаемой, они будут наблюдаться и в этом последнем случае, раз только самопроизвольное зарождение будет иметь место, так как форма явления зависит от общих для обоих явлений формы законов равновесия. Для нашей цели достаточно обратить внимание на два вопроса. Возможно ли появление центра кристаллизации в системе, если в ней отсутствует извне принесенный, уже готовый кристалл? И, во-вторых, каковы будут при этом общие физические условия, могущие дать такую возможность.
По-видимому, можно утверждать с несомненностью, что центры кристаллизации могут появляться в некоторых случаях и помимо зародыша готового кристалла. Мы не можем утверждать, что это бывает всегда — при определенных условиях — для всякого вещества, как мы можем это делать для жидкого и газообразного состояния выше и ниже их критической температуры. Критическое состояние твердых средин является темной, мало разработанной областью, и путь аналогии нам здесь не дает ничего [1]*. Но мы можем утверждать, что для многих веществ и для многих случаев центры кристаллизации появляются вне зависимости от ранее образовавшегося тела того же состава и того же строения, вне зародыша кристалла.
Таких явлений есть несколько, из которых достаточно привести два: одно — кристаллизацию в виде снега, сублимацией из газообразного состояния, другое — кристаллизацию во время химического процесса.
Первое явление тесно связано с открытым Вильсоном [2]* появлением тумана при ионизации воздуха. При ионизации в той системе, какую представляет воздух или иная смесь газов и паров, в зависимости от температуры выделяются капли жидкости или кристаллы твердого тела. Центрами их выделения являются отрицательные ионы воздуха — те газовые центры, которые создаются в газовой среде в связи с явлениями электричества и радиоактивного распада и которые, несомненно, являются в ней центрами энергии. Мы вынуждены допустить — по всему, что мы о них знаем, — что ионы представляют такие места в газовой среде, в которых сконцентрированы или из которых исходят большие количества действенной энергии. В обычных представлениях о действии ионов принимают, что они меняют поверхности натяжения окружающих тел. Очевидно, здесь речь идет о другой функции ионов — они выступают в качестве источника энергии.
Центром кристаллизации здесь является не готовый кристалл, где-то, помимо данной системы образовавшийся, а созданный извне ион, являющийся в самой системе центром концентрированной энергии. Вокруг него внутри системы идет создание новой фазы вещества, раз внешние термодинамические условия это позволяют. Ионизация системы связана с внесением в нее внешней энергии, концентрирующейся в определенных отдельных точках.
Другим случаем самопроизвольного зарождения кристаллов — выделение твердой фазы в той системе, где ее не было, — является кристаллизация во время химической реакции, в момент образования твердого соединения, in statu nascenti. Все эти реакции связаны всегда с тепловыми эффектами, вносимыми в систему, и подобно тому, как мы это видели для ионов, и здесь самопроизвольное зарождение кристалла происходит в таких точках системы, в которых происходит концентрация этой энергии. Несомненно, случай кристаллизации при химических процессах, при образовании из своих составных частей кристаллизирующегося тела, представляет случай более сложных равновесий, чем обычная кристаллизация из растворов или расплавленной массы, но в той части, которая нас интересует, явление от этого не меняется и форма его законов остается неизменной.
Есть и другие случаи самопроизвольного зарождения кристаллов, еще менее изученные. Нет надобности на них останавливаться, важно отметить, что и они связаны с местами концентрации новой энергии, входящей в систему равновесия, какую представляет собой кристаллизация.
Можно попытаться вывести необходимость исключительной концентрации энергии в местах появления зародыша из свойств системы равновесия.
Такая система, предоставленная действию своих сил, приходит в равновесие, если какая-нибудь внешняя сила на нее не подействует. Внутренняя ее свободная энергия постепенно растрачивается, и когда она придет в равновесие, то вся эта энергия уже будет истрачена, станет равной нулю. Никаким образом система сама не может вызвать появление такого центра ее изменения, который вызвал бы в ней новое изменение, идущее в другом направлении, чем достижение начавшего складываться равновесия. Совершенно ясно, что появление новой фазы вещества, например твердого кристалла, требует вхождения в систему нового, в ней не бывшего количества активной энергии. Эта энергия будет всегда внешней, все равно, будет ли она принесена для центра кристаллизации падением пылинки-зародыша, готовой твердой фазы — его зарождением во время химического процесса, или появлением иона, содержащего и излучающего энергию. Под влиянием роста кристаллизации зародышей в системе начинаются новые перераспределения ее частей, происходят новые движения. Мы имеем здесь аналогию с более простым случаем равновесия, например водой в сосуде. Если температура в воде во всех ее точках одна и та же, вода находится в покое. Если мы станем нагревать одну точку в сосуде, то начинается движение воды, связанное с постоянным притоком новой внешней энергии в данную систему из нагреваемой точки. Такой же приток внешней энергии мы имеем в появлении иона или зародыша в пересыщенном растворе, в котором идет кристаллизация.
Когда такой ион или зародыш появляется в данной системе, он или дает начало кристаллизации, появлению в системе новой фазы вещества, или исчезает, растворяется, и погашается сопротивлением системы, стремящейся сохранить неизменным ход процесса, протекавшего до появления этих центров изменения.
Это сопротивление, зависящее от потенциальной энергии системы, выражается тем трением, которое необходимо преодолеть для того, чтобы нарушить ход процесса и ввести в него новые изменения. Величина этого трения различна, но в общем она огромна, особенно, если мы представим себе ничтожные размеры того зародыша, который появляется в этой системе.
Представляемая им энергия должна быть больше этого трения, больше потенциальной энергии системы — иначе он будет поглощен системой, войдет в ту или иную ее фазу.
Количество энергии, которое сосредоточивается в какой-нибудь точке системы для того, чтобы было преодолено это внутреннее трение, должно быть огромно. Мы не имеем таких вычислений для центров кристаллизации, но имеем для более простого случая — появления газовых пузырей при кипении. Появление газового пузыря в нагреваемой жидкости возможно только тогда, когда пузырь преодолеет сопротивление того столба жидкости, который над ним находится, и, как мы знаем, пузыри появляются только в особых местах сосуда и возможность их появления тем больше, чем выше температура нагревания, больше упругость их пара.
Но то же самое явление мы имеем и для центров кристаллизации, только здесь, вероятно, благодаря большей сложности явления требуется еще большая концентрация энергии.
Какие бы предположения мы ни строили для самопроизвольного зарождения живого из мертвого, оно неизменно должно отвечать этим основным свойствам систем равновесия, общим для всех геохимических процессов на земной новерхности. Они должны отвечать им даже тогда, когда мы примем это зарождение в форме эволюционного процесса; здесь, согласно тем же законам, будут образовываться первые стадии гипотетических предков организмов, туманных созданий человеческой фантазии, подчиненных, однако, законам механики. Системы равновесия для генезиса жизни будут более сложны, чем равновесия кристаллизации. Зародыши ее — тоже. Надо думать, что необходимая для их появления концентрация энергии в этих системах должна быть значительно больше той энергии, какая наблюдается при зарождении кристалла, т. е. больше энергии ионов или всех химических тел, известных нам в кристаллическом состоянии.
Если, однако, мы можем представить себе в той или иной форме возможность нахождения на земной поверхности таких концентраций энергии, мы встречаемся еще с другим условием, которое наблюдается во всех случаях самопроизвольного зарождения кристаллов. Одновременно с концентрацией в одной точке больших запасов энергии должны быть в той же среде условия, благоприятные образованию тех веществ, которые строят кристалл.
Эта одновременность, несомненно, отсутствует для живого вещества на всем протяжении геологической истории. Ибо нет на Земле случаев создания химических веществ, строящих организм, помимо организмов, и нет нужных для этого условий.
Чрезвычайно характерно, что мы не знаем пи одного химического процесса на земной поверхности, где бы эти вещества создавались вне зависимости от биохимических процессов и вообще вне связи с живым веществом в том его понимании, какое дано в этом сочинении. Можно убедиться, что мы их не видим сейчас, и нет их следов в прошлые геологические эпохи.
[1]* Не ясно даже, есть ли критическое состояние твердой материи резко выраженное. По-видимому, есть для отдельных твердых фаз. Они неизбежно должны переходить в новые. Причина этого (кристаллизации) едва ли связана с чем-нибудь иным, кроме кристаллической точки перехода. При превращении твердого вещества тоже получаются центры кристаллизации и внутри.
Другим явлением, сюда относящимся, приходится рассматривать так называемое критическое состояние материи. Здесь потенциальная энергия системы или одной ее фазы меняется вследствие изменения внешних условий существования. Наиболее, может быть, удобно рассматривать это явление как такое, в котором меняется в резкой форме трение системы (в смысле Дюгема). В этом случае центры кристаллизации и их аналоги (для газовых и жидких состояний) создаются вне всякого предшествующего нахождения готового зародыша или появления точки в среде с исключительной действенной энергией. Если допускать самопроизвольное зарождение, надо думать, что и здесь могут быть проявления той же формы.
[2]48* Wilson Ck. [The condensation method of demonstrating of the ionisation of air under normal conditions. —Philosophical Magazine, 1904, v. 7].
